CH717225A2 - Steuervorrichtung und Verfahren zum Ansteuern von Elektroden mindestens einer Elektrolyseeinrichtung für die elektrochemische Herstellung von Nanoteilchen. - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Steuervorrichtung (1) und ein Verfahren ist, zum Ansteuern von Elektroden (5a, 5b, 7a, 7b) mindestens einer Elektrolyseeinrichtung für die elektrochemische Herstellung von Nanopartikeln in Wasser. Sie umfasst einen Arbiträrgenerator (17), der dazu ausgebildet ist, in aufeinanderfolgenden Zeitintervallen für mindestens ein Elektrodenpaar jeder Elektrolyseeinrichtung individuell vorgebbare Spannungen oder Spannungsverläufe zu erzeugen.

Description

[0001] Die Erfindung betrifft das technische Gebiet der Wasserbehandlung. Gegenstand der Erfindung ist eine Steuervorrichtung und ein Verfahren zum Ansteuern von Elektroden mindestens einer Elektrolyseeinrichtung für die elektrochemische Herstellung von Nanoteilchen in Wasser gemäss den Oberbegriffen der Patentansprüche 1und 10.

[0002] Zum Aufbereiten von Wasser, d.h. zum zielgerichteten Verändern der Wasserqualität, sind verschiedene Verfahren bekannt. Dazu gehören insbesondere Verfahren, welche Stoffe aus dem Wasser entfernen und/oder dem Wasser Stoffe zusetzen. Beispiele hierfür sind Filtration, insbesondere Mikro-, Ultra- und Nanofiltration zum Entfernen von Partikeln, die grösser sind als die Porengrösse der jeweiligen Filter; Umkehrosmose zur Entfernung von Salzen; Mineralisierung bzw. Zufügen von für den Stoffwechsel in Organismen von Lebewesen wichtigen Spurenelementen; Desinfektion, insbesondere durch Zugabe von Chlor, Chlordioxid, Natriumhyperchlorit oder Ozon oder durch UV-Bestrahlung zur Verminderung von infektiösen Keimen. Zur Verhinderung einer Wiederverkeimung von Trinkwasser in Verteilnetzen wird diesem Trinkwasser z.B. mit geeigneten Chlorierungsverfahren Chlor zugesetzt werden. Die chemische Kontaminierung des Wassers durch Chlor darf nur innerhalb zugelassener Grenzwerte erfolgen. Chloriertes Wasser ist geruchlich und geschmacklich nicht neutral.

[0003] Je nach Art und Qualität des aufzubereitenden Rohwassers und den Anforderungen an das aufbereitete Wasser bei unterschiedlichen Verwendungsarten können Aufbereitungsanlagen ein oder mehrere solcher Verfahren miteinander kombinieren. Wasser kann z.B. aufbereitet werden zu Trinkwasser, Brauchwasser für Industrie und Gewerbe, Reinstwasser für technische oder medizinische Anwendungen oder Wasser für die landwirtschaftliche Bewässerung. Bei der Gewinnung von Trinkwasser muss z.B. sichergestellt werden, dass dieses keine krankheitserregenden Keime enthält, und dass der Salzgehalt kleiner ist als 0.1%.

[0004] Aus der EP0114364A1ist ein System zum Sterilisieren von Wasser bekannt, wobei gefiltertes und vorbehandeltes Wasser durch eine Kammer mit Silberelektroden fliesst. Eine elektronische Steuerung regelt den elektrolytischen Strom zwischen den Elektroden in Abhängigkeit des Wasserstroms so, dass direkt proportional zum Wasserstrom Silberionen an den Wasserstrom abgegeben werden. Solches sogenannt kolloidales Silber ist bekannt für seine antimikrobielle Wirkung. In einer weiteren Kammer mit Silber-aktiviertem Kohlenstoff werden anschliessend Mikroben in einem oligodynamischen Prozess zerstört und zusammen mit überschüssigen Silberpartikeln herausgefiltert. Die Aktivkohle bzw. das Filter der Filterkammer muss regelmässig ersetzt oder regeneriert werden. Wenn das gereinigte Wasser in ein Verteilnetz eingespeist wird, muss sichergestellt sein, dass dort keine erneute Verunreinigung stattfinden kann.

[0005] Aus der DE112012001784B4ist ein Gerät und ein Verfahren zur elektrolytischen Herstellung von kolloidalem Silber bekannt. In einem Behälter mit destilliertem Wasser sind zwei Elektroden angeordnet, wovon mindestens eine aus hochreinem Silber besteht. Die Elektroden werden mit einer gleichgerichteten amplitudenmodulierten Wechselspannung angesteuert. Dies bewirkt, dass ein gesundheitsförderndes Spektrum von kleinen bis mittelgrossen Silberpartikeln an das Wasser abgegeben wird. Die Grösse der aus den Silberelektroden gerissenen Partikel korreliert mit der Höhe des Elektrolysestroms. Die Leitfähigkeit des Wassers im Behälter wird mit der zunehmenden Anzahl Silberpartikel im Wasser grösser. Während des Elektrolysevorgangs nimmt deshalb die mittlere Grösse der aus der Elektrode gerissenen Silberpartikel zu.

[0006] Die Wirkung von kolloidalem Silber bzw. allgemein von Nanopartikeln in Wasser ist von verschiedenen Parametern abhängig. Dazu gehören insbesondere die Wasserqualität, die durch Art und Konzentration von Fremdstoffen beschrieben werden kann, die Grösse und/oder die mittlere Grösse der Silberpartikel bzw. der zusätzlich an das Wasser abgegebenen Nanopartikel sowie das Spektrum bzw. die Grössenverteilung bei diesen Partikeln. Weitere Parameter sind z.B. die Partikelkonzentration, die elektrische Ladung von Partikeln, die Anteile geladener und elektrisch neutraler Partikel, der Homogenitätsgrad der Partikelverteilung im Wasser und die Stabilität dieser Grössen. Je nach Art des kolloidalen Silbers bzw. der Zusammensetzung des Wassers mit dem kolloidalen Silber kann dessen Wirkung z.B. entzündungshemmend, wundheilend, toxisch oder den basalen Stoffwechsel fördernd sein. Die Wirkung und die Effizienz von kolloidalem Silber kann auch von anderen Parametern bzw. von den Rahmenbedingungen bei der jeweiligen Anwendung abhängig sein. So kann beispielsweise bei Anwendungen an oder in einem Organismus ein hoher Anteil kleiner Silberpartikel von vorzugsweise weniger als 20nm wesentlich dafür sein, dass die Partikel an den jeweiligen Bestimmungsort gelangen können. Für die Reduzierung von Keimen in Leitungswasser ist hingegen in der Regel die Konzentration bzw. der Gewichtsanteil der gelösten Partikel pro Liter Wasser wichtiger. Die Wirkung von kolloidalem Silber kann bei verschiedenen Anwendungen abhängig sein von weiteren Stoffen bzw. Partikeln, die im Wasser gelöst oder mit dem Wasser vermischt sind.

[0007] Bei der elektrochemischen Herstellung von Kolloiden, insbesondere von kolloidalem Silber, ist das Ergebnis von verschiedenen Faktoren abhängig. So können sich z.B. die Zusammensetzung des Rohwassers und/oder die Art des Herstellverfahrens auf das Ergebnis auswirken. Im Wasser gelöste Salze oder allgemein Ionen bzw. geladene Partikel erhöhen beispielsweise dessen elektrische Leitfähigkeit. Bei sonst gleichen Bedingungen würde dies einen höheren Elektrolysestrom bewirken. Dies hätte wiederum eine höhere Konzentration des abgegebenen Silbers und eine grössere mittlere Partikelgrösse zur Folge. Die Herstellung kann in einem offenen System im Durchflussverfahren oder in einem geschlossenen System z.B. in einem Behälter mit einer Umwälzvorrichtung erfolgen. Bei letzterem erhöht sich während des Verfahrens die Konzentration der an das Wasser abgegebenen Partikel.

[0008] Weitere Parameter, die das Ergebnis bei der Herstellung von kolloidalem Silber beeinflussen, sind z.B. die Stärke des elektrischen Feldes zwischen den Elektroden bzw. der gegenseitige Abstand der Elektroden und das an die Elektroden angelegte Spannungssignal, d.h. der zeitliche Verlauf der elektrische Spannung zwischen den Elektroden. Dabei bestimmt die Polarität der Spannung jeweils die Stromrichtung. Faktoren wie Polarität, Frequenz, maximale Spannungswerte, Änderungsgeschwindigkeit der Spannung bzw. allgemein deren zeitlicher Verlauf beeinflussen bei der Herstellung von kolloidalem Silber das Ergebnis.

[0009] Zusätzlich zu oder anstelle von Silber können Nanopartikel anderer Materialien wie z.B. Kupfer elektrochemisch an das Wasser abgegeben werden. Wie bei der Herstellung von reinem kolloidalem Silber ist auch bei diesen Prozessen das Ergebnis von vielen Einflussfaktoren abhängig.

[0010] Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Vorrichtung und ein Verfahren zum verbesserten Steuern des elektrochemischen Prozesses bei der elektrolytischen Herstellung von Nanopartikeln für die Wasserbehandlung anzugeben.

[0011] Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Steuervorrichtung und durch ein Verfahren zum Ansteuern von Elektroden mindestens einer Elektrolyseeinrichtung für die elektrochemische Herstellung von Nanopartikeln in Wasser gemäss den Merkmalen der Patentansprüche 1und 10.

[0012] Die Steuervorrichtung umfasst einen Spannungsgenerator, der als Arbiträrgenerator dazu ausgebildet ist, für ein oder mehrere Elektrodenpaare in aufeinanderfolgenden Zeitintervallen individuell vorgebbare Spannungen oder Spannungsverläufe bzw. allgemein zeitabhängige Spannungsfunktionen zu erzeugen. Vorzugsweise umfasst die Steuervorrichtung einen Mikrocontroller, der basierend auf mindestens einer Vorgabegrösse eine analoge oder digitale Ausgabegrösse ermittelt, welche die jeweilige zeitabhängige Spannungsfunktion repräsentiert und zum Ansteuern eines Treibers für das jeweilige Elektrodenpaar dient. Die Vorgabegrösse kann eine Funktion sein, die z.B. für eine endliche Anzahl aufeinanderfolgender Zeitintervalle direkt je mindestens einen Ausgabewert zum Ansteuern des Treibers definiert. In Kombination mit dem Treiber sind dadurch die zugehörigen Werte der Elektrodenspannung bzw. der Ausgangsspannung des Treibers definiert. Der bzw. die Ausgabewerte können z.B. Mittelwerte, Anfangswerte oder Endwerte für die Elektrodenspannung im jeweiligen Zeitintervall festlegen. Alternativ könnten z.B. innerhalb jedes der Zeitintervalle Ausgabewerte durch Interpolation aus einem Anfangswert und einem Endwert im jeweiligen Zeitintervall berechnet und ausgegeben werden. Die Dauer der Zeitintervalle kann z.B. für jedes Zeitintervall individuell oder alternativ für alle Zeitintervalle gleich gross vorgegeben sein. Sie kann z.B. durch einen Timer oder durch eine bestimmte Anzahl Systemtakte des Mikrocontrollers festgelegt sein. Die Funktion, welche die Ausgabewerte zum Ansteuern des Treibers definiert, kann zusätzlich zum Parameter Zeit von einem oder mehreren weiteren Parametern abhängig sein. Solche weiteren Parameter können beispielsweise mittels Bedienelementen wählbare oder einstellbare und/oder in einem Speicher der Steuervorrichtung gespeicherte Werte und/oder sensorisch erfassbare Werte umfassen.

[0013] Beispiele für wählbare, einstellbare oder gespeicherte Werte sind insbesondere der maximal zulässige Elektrodenstrom, die maximal zulässige Elektrodenspannung, eine Offsetspannung bzw. eine minimale Elektrodenspannung, die Polarität beim Ansteuern der Elektroden, Zeitangaben wie z.B. die Dauer von Zeitintervallen, die Periodendauer bei Spannungssignalen mit einem sich periodisch wiederholenden Muster, die Dauer zwischen Polaritätsänderungen, geometrische Angaben zur Anordnung der Elektroden bei einer oder mehreren Elektrolyseeinrichtungen wie z.B. Abstand und/oder wirksame Fläche der Elektroden, Strömungsquerschnittfläche zwischen den Elektroden, Material jeder der Elektroden, Reinheitsgrad des zu behandelnden Wassers bzw. Anteile an Fremdstoffen. Eine Elektrolyseeinrichtung kann z.B. zwei oder drei parallel zueinander angeordnete Platten als Elektroden umfassen, die aus dem gleichen oder aus unterschiedlichem Material gefertigt sind. Eine Anordnung mit drei Elektroden entspricht einer Kombination zweier Elektrolyseeinrichtungen mit zwei Elektroden, wobei die mittlere Platte eine gemeinsame Elektrode ist.

[0014] Bei Elektrolyseeinrichtungen mit Elektroden aus unterschiedlichen Materialien ist es vorteilhaft, eine von Null verschiedene Offsetspannung vorzugeben.

[0015] Beispiele für sensorisch erfassbare Werte sind insbesondere der für jedes Elektrodenpaar z.B. mittels eines Shunt-Widerstands der Steuervorrichtung erfassbare Elektrodenstrom, die mit einem Strömungssensor erfassbare Strömungsgeschwindigkeit des Wassers in einer vom Wasser durchströmbaren Kammer, die Wassertemperatur, die Leitfähigkeit des zu behandelnden Rohwassers, der z.B. mittels eines Durchlichtsensors erfassbare Trübungsgrad des Rohwassers.

[0016] Werte solcher weiterer Parameter sind ebenfalls Vorgabegrössen, die vom Mikrocontroller bei der Ermittlung der jeweiligen Ausgabegrösse in jedem der Zeitintervalle berücksichtigt werden können. So kann z.B. der Ausgabewert für die Elektrodenspannung in jedem der Zeitintervalle ermittelt werden, indem ein für das jeweilige Zeitintervall gespeicherter Sollwert für die Elektrodenspannung mit einem für das jeweils gewählte Elektrodenmaterial spezifischen Korrekturwert multipliziert wird. Bei alternativen Konfigurationen der Steuervorrichtung kann z.B. zu unterschiedlichen Elektrodenmaterialien für jedes der Zeitintervalle je ein Sollwert für den Elektrodenstrom gespeichert sein. In jedem Zeitintervall prüft der Mikrocontroller jeweils den sensorisch erfassten Elektrodenstrom und steuert bzw. regelt den zugehörigen Ausgabewert so, dass die Abweichung des gemessenen Elektrodenstroms vom zugehörigen Sollwert für das gewählte Elektrodenmaterial minimal ist. Bei Anordnungen, die im Durchflussverfahren betrieben werden, kann die Steuervorrichtung zum Berechnen der Ausgabewerte gegebenenfalls zusätzlich die Ausgangssignale eines Durchflusssensors berücksichtigen und den Wert der Ausgabegrösse z.B. durch Multiplikation mit einem zugeordneten Korrekturfaktor an den Volumenstrom des Wassers anpassen. Unterhalb eines minimalen Wertes für den Volumenstrom ist der Wert des Korrekturfaktors vorzugsweise gleich Null. Dadurch ist sichergestellt, dass die Elektrolyseeinrichtung erst ab einem minimalen Volumenstrom des Wassers aktiv ist, und dass der Anteil von an das Wasser abgegebenen Nanopartikeln mit zunehmendem Volumenstrom erhöht wird. Dies kann durch Veränderung der Ausgabefunktion für die Elektrodenspannung geschehen, wobei z.B. ein Puls-Pausen-Verhältnis und/oder die Ausgabewerte zum Ansteuern des Treibers in einem, mehreren oder allen Zeitintervallen entsprechend angepasst werden. Optional können zum Berechnen der Ausgabewerte für die Elektrodenspannung als weitere Vorgabegrössen zusätzlich z.B. Maximalwerte für die Elektrodenspannung und/oder für den Elektrodenstrom berücksichtigt werden. Durch entsprechende Begrenzung der Ausgabewerte können die Elektrodenspannung und/oder der Elektrodenstrom und damit die Grösse der abgegebenen Nanoteilchen begrenzt werden.

[0017] Der Mikrocontroller umfasst ein Steuerprogramm bzw. gespeicherte Verarbeitungsvorschriften, mit denen für jedes anzusteuernde Elektrodenpaar eine oder mehrere Vorgabegrössen zu einer Ausgabegrösse für das jeweilige Elektrodenpaar verarbeitet werden können. Bei Vorrichtungen mit mindestens zwei Elektrodenpaaren, beispielsweise mit einem Elektrodenpaar aus Silber und einem Elektrodenpaar aus Kupfer, kann jedes dieser Elektrodenpaare individuell mit einer geeigneten, auf die jeweilige Anwendung abgestimmten Spannungsfunktion angesteuert werden.

[0018] Bei der elektrochemischen Herstellung von Kolloiden ist die Grösse von Nanopartikeln, die von den Elektroden an das Wasser abgegeben werden, von der Stromdichte bzw. von der Höhe des pro wirksamer Flächeneinheit der Elektroden fliessenden Elektrodenstroms abhängig. Zur Herstellung von Nanopartikeln mit einem Grössenspektrum von etwa 5bis etwa 20nm wird die effektive Stromdichte vorzugsweise begrenzt auf einen Wert in der Grössenordnung von etwa 0.1bis etwa 0.5mA/cm<2>, z.B. etwa 0.2mA/cm<2>, oder von etwa 0.5bis etwa 1mA/cm<2>, z.B. etwa 0.9mA/cm<2>. Die wirksame Fläche jeder Elektrode kann entsprechend der jeweiligen Anwendung gewählt werden, beispielsweise im Bereich von etwa 10cm<2>bis etwa 200cm<2>, insbesondere etwa 15cm<2>oder etwa 70cm<2>, oder etwa 150cm<2>.

[0019] Der Elektrodenstrom und die Stromdichte sind bei einer bestimmten Elektrodenspannung abhängig von der Leitfähigkeit des Wassers zwischen den Elektroden. Die Steuervorrichtung umfasst deshalb vorzugsweise Mittel zum Erfassen einer von der Leitfähigkeit des Wassers abhängigen Messgrösse. Dafür eignet sich z.B. ein Stromsensor, mit dem der Elektrodenstrom erfasst werden kann, der bei einer bestimmten Spannung an einem Elektrodenpaar fliesst. Der Stromsensor kann insbesondere einen Shunt-Widerstand im Elektrodenstromkreis umfassen, mit dem ein zum Elektrodenstrom proportionaler Spannungsabfall gemessen wird. Da sich die Leitfähigkeit des Wassers durch das Einbringen von Nanopartikeln zumindest lokal verändern kann, ist es vorteilhaft, bei jedem Elektrodenstromkreis einen Stromsensor anzuordnen. Bei jedem Elektrodenpaar kann so die für dieses Elektrodenpaar relevante lokale Leitfähigkeit des Wassers ermittelt werden. Insbesondere bei Vorrichtungen, die für die Behandlung von fliessendem Wasser ausgebildet sind, wobei mehrere Elektrodenpaare in Strömungsrichtung des Wassers nacheinander angeordnet sind, kann so die Abgabe von Nanopartikeln an das Wasser bei jedem der Elektrodenpaare besser gesteuert werden.

[0020] Bei Steuervorrichtungen, die für mindestens ein Elektrodenpaar einen Stromsensor umfassen, kann das Steuerprogramm z.B. die Ausgangsspannung des zugehörigen Treibers so steuern bzw. regeln, dass der Elektrodenstrom in jedem der aufeinanderfolgenden Zeitintervalle einem zugehörigen Vorgabewert entspricht. Durch das Regeln des Elektrodenstroms gemäss den Vorgaben einer gespeicherten Stromfunktion können bei solchen Vorrichtungen die Grössen und die Grössenverteilung der von den Elektroden abgegebenen Nanoteilchen besonders gut gesteuert werden. Bei der Herstellung von Kolloiden in Behältern, wobei eine bestimmte Wassermenge ohne Zu- und Abführen von Wasser mit Nanoteilchen angereichert wird, können die Grösse und die Grössenverteilung der abgegebenen Nanopartikel trotz der zunehmenden Leitfähigkeit des Wassers gut gesteuert werden. Dies ist insbesondere deshalb wichtig, weil die Effektivität und die Effizienz von Nanoteilchen bei unterschiedlichen Anwendungen von der Grösse dieser Teilchen abhängen. So ist beispielsweise die antimikrobielle Wirkung von kolloidalem Silber mit Partikeln in der Grössenordnung von etwa 5bis etwa 20Nanometer besonders hoch, weil solch kleine Partikel Zellmembranen durchdringen können. Im Inneren von Bakterien, Viren oder Pilzen können solche Nanopartikel z.B. Enzyme und damit den Stoffwechsel blockieren. Die antimikrobielle Wirkung wird dadurch verstärkt, dass die gelösten Nanopartikel zumindest teilweise ionisiert sind. Nicht ionisierte Silberpartikeln haben eine regenerierende Wirkung auf Zellen. Vorzugsweise ist bei solchen Anordnungen eine Pumpe oder ein anderes Fördermittel zum Umwälzen und/oder Verwirbeln des Wassers im jeweiligen Behälter vorgesehen. Die Steuervorrichtung kann optional ein Steuerglied umfassen, mit dem die Stromversorgung solcher Fördermittel koordiniert mit der Ansteuerung der Elektroden gesteuert werden kann.

[0021] Im Steuerprogramm des Mikrocontrollers kann vorgesehen sein, eine definierte Spannungs- oder Stromfunktionen periodisch zu wiederholen. Die Periodendauer und damit die Wiederholfrequenz kann im Steuerprogramm fest vorgegeben oder z.B. mittels eines Bedienelements einstellbar oder auswählbar sein.

[0022] Dies gilt sinngemäss allgemein für einen oder mehrere der weiteren Parameter, die bei der Berechnung der Ausgabewerte zum Ansteuern eines oder mehrerer Elektrodenpaare verwendet werden. So kann z.B. auf diese Weise auch die Länge eines, mehrerer oder aller Zeitintervalle ausgewählt oder eingestellt werden.

[0023] Damit der Abtrag von Elektrodenmaterial bei beiden Elektroden jedes Elektrodenpaars gleichmässig erfolgt, kann z.B. die Polarität der Elektrodenspannung periodisch, vorzugsweise mit einer Frequenz im Bereich von etwa 0.5Hz bis etwa 2Hz gewechselt werden. Dadurch verringert sich auch das Risiko von unerwünschten Ablagerungen an den Elektroden. Höhere Frequenzen bis zu 100Hz oder höher und tiefere Frequenzen für den Wechsel der Polarität sind ebenfalls möglich. Insbesondere bei Anordnungen mit Silberelektroden nimmt der Anteil ionisierter Silberpartikel mit zunehmender Frequenz ab. Durch Vorgabe der Frequenz für den Polaritätswechsel kann demnach der Anteil an ionisierten Nanopartikeln beeinflusst werden. Der Polaritätswechsel kann z.B. mittels einer H-Brücke beim Treiber erfolgen. Dabei wird vom Mikrocontroller gesteuert periodisch, z.B. jeweils nach vorgegebenen oder einstellbaren oder wählbaren Dauer im Bereich von etwa 0.5s bis etwa 500s, die Polarität der vom Treiber bereitgestellten Spannung vertauscht. Alternativ könnte die Spannungsfunktion selbst positive und negative Spannungswerte umfassen, deren Mittelwert über eine Periode Null ist.

[0024] Die Steuervorrichtung kann einen Hochfrequenzgenerator umfassen, mit dem Schwingungen im Bereich einer der Resonanzfrequenzen von Wasser bei etwa 22.235GHz und/oder 183.31GHz und/oder 325.153GHz erzeugbar sind.

[0025] Solche Signale können z.B. kapazitiv in die Zuleitungen eines oder mehrerer Elektrodenpaare eingekoppelt werden. Das vom jeweiligen Treiber bereitgestellte Spannungssignal kann so bei Bedarf mit einem Hochfrequenzsignal moduliert werden. Vorzugsweise umfasst die Steuervorrichtung Bedienelemente zum Ein- und Ausschalten oder allgemein zum Steuern der Aktivität des Hochfrequenzgenerators. Die Steuervorrichtung umfasst vorzugsweise mindestens ein Anzeigemittel, beispielsweise eine oder mehrere Leuchtdioden und/oder einen Bildschirm, der z.B. zum Anzeigen von Statusinformationen und/oder Werten von auswählbaren Parametern verwendet werden kann.

[0026] Vorzugsweise umfasst die Steuervorrichtung im Weiteren für jede Elektrolyseeinrichtung einen Betriebsstundenzähler oder Stromzähler. Wenn der jeweilige Zählerstand einen vorgegebenen Grenzwert überschreitet, kann eine entsprechende Wartungsanzeige aktiviert werden, damit abgenutzte Elektroden rechtzeitig ersetzt werden können.

[0027] Anhand einiger Figuren wird die Erfindung im Folgenden näher beschrieben. Dabei zeigen Figur 1eine schematisch dargestellte Anordnung einer Steuervorrichtung mit angeschlossenen Elektrolyseeinrichtungen, Figur 2eine Funktion, welche Sollwerte der Elektrodenspannung für mindestens ein Elektrodenpaar in Abhängigkeit der Zeit angibt, Figur 3die Funktion aus Figur 1, skaliert mit drei unterschiedlichen Skalierungsfaktoren, Figur 4eine Funktion, welche Sollwerte des Elektrodenstroms für mindestens ein Elektrodenpaar in Abhängigkeit der Zeit angibt, Figur 5eine weitere Funktion mit Sollwerten für den Elektrodenstrom, Figur 6eine weitere Funktion mit Sollwerten für den Elektrodenstrom.

[0028] Figur 1zeigt schematisch eine Vorrichtung zur elektrochemischen Herstellung von Nanopartikeln in Wasser mit einer Steuervorrichtung 1, die über elektrische Verbindungsleitungen 9mit je zwei Elektroden 5a, 5b bzw. 7a, 7b von zwei in einer Kammer 3angeordneten Elektrolyseeinrichtungen verbunden ist. Die Kammer 3kann wie dargestellt als Durchflusskammer ausgebildet sein, wobei Wasser in Richtung des Pfeils P1durch eine Öffnung 3a in die Kammer 3einströmen und durch eine weitere Öffnung 3b wieder ausströmen kann. Bei alternativen Ausführungsformen kann die Kammer 3ein Reaktionsbehälter sein, der nicht im Durchflussverfahren betrieben wird (nicht dargestellt). Dabei wird eine bestimmte Wassermenge im Reaktionsbehälter elektrochemisch behandelt und anschliessend wieder aus dem Reaktionsbehälter abgezogen. Alternative Vorrichtungen zur elektrochemischen Herstellung von Nanopartikeln können auch nur ein Elektrodenpaar oder mehrere Elektrodenpaare umfassen. Bei jeder Elektrolyseeinrichtung sind die beiden Elektroden 5a, 5b bzw. 7a, 7b vorzugsweise aus dem gleichen Material gefertigt. Alternativ könnten sie auch aus unterschiedlichen Materialien gefertigt sein. Bei Ausführungsformen mit mehreren Elektrolyseeinrichtungen kann das Material jeder Elektrode oder jedes Elektrodenpaars individuell vorgegeben sein, vorzugsweise aus einer Kategorie von Metallen wie Silber, Kupfer, Gold, oder aus Legierungen mit diesen Metallen. Für spezielle Anwendungen können auch Zinn, Eisen, Bismut und Blei verwendet werden. Alternativ oder zusätzlich können Elektroden aus anderen Materialien dazu verwendet werden, Wasser mit anderen Stoffen anzureichern, z.B. mit Spurenelementen wie Calcium und/oder Magnesium zu mineralisieren. Für unterschiedliche Anwendungen wie z.B. Wasseraufbereitungsanlagen in Schwimm- oder Heilbädern, Entsalzungsanlagen, Anlagen zur Aufbereitung von Trinkwasser oder von Wasser für landwirtschaftliche Anwendungen kann so die jeweils gewünschte Wasserqualität bereitgestellt werden.

[0029] Die Steuervorrichtung 1ist vorzugsweise in einem Gehäuse 11angeordnet, das z.B. Anschlussbuchsen 13zum Anschliessen der Verbindungleitungen 9für jedes Elektrodenpaar umfasst. Das Gehäuse 11kann Verbindungselemente zum direkten Befestigen an einem Gehäuse der Kammer 3umfassen (nicht dargestellt). Die Steuervorrichtung 1umfasst eine Speisung 15, welche eine oder mehrere Betriebsspannungen bereitstellt, beispielsweise eine erste Betriebsspannung von 3.3VDC oder 5VDC für einen digitalen Logikteil, eine zweite Betriebsspannung von 8VDC oder 12VDC für einen analogen Teil der Elektronik und eine Betriebsspannung von 48VDC für die Bereitstellung der Elektrodenspannungen. Vorzugsweise erfolgt die Energiezufuhr über ein handelsübliches Netzteil mit einer Spannung von beispielsweise 12V. Alternativ könnte auch eine Batterie, ein Akku und/oder ein Solarmodul als Energiequelle genutzt werden. Die Steuervorrichtung 1umfasst einen Arbiträrgenerator 17mit einem Mikrocontroller 19und mit je einem Treiber 21für die anzusteuernden Elektroden jeder Elektrolyseeinrichtung. Jeder der Treiber 21ist dazu ausgebildet, Werte einer vom Mikrocontroller 19bereitgestellten, eine Ausgangsspannung repräsentierenden Ausgabegrösse in eine entsprechende Ausgangsspannung zum Ansteuern des jeweiligen Elektrodenpaars zu wandeln. Der Mikrocontroller 19kann die auszugebenden Werte z.B. als serielle oder parallele digitale Signale oder als durch einen Digital-Analog-Wandler in ein analoges Spannungssignal gewandelte Ausgangssignale bereitstellen. Der Mikrocontroller 19umfasst ein Programm bzw. gespeicherte Verarbeitungsvorschriften, mit denen für eine Mehrzahl aufeinanderfolgender Zeitintervalle je mindestens ein Sollwert der Ausgabegrösse berechnet und als Ausgangssignal bereitgestellt wird. Die Berechnung der Ausgabegrösse basiert auf mindestens einer Vorgabegrösse. Die Vorgabegrösse kann z.B. eine Funktion sein, welche direkt den jeweiligen Sollwert der Ausgabegrösse in Abhängigkeit des Parameters Zeit t angibt. Solche Funktionen können z.B. einfach als Abfolge von n Datensätzen (t1, U1) in einem Speicher der Steuervorrichtung gespeichert werden. Die Anzahl n der Datensätze kann grundsätzlich beliebig festgelegt werden. Je nach Komplexitätsgrad und erforderlicher Auflösung genügt in der Regel ein Wert zwischen 1und 256. Der Index i ist eine ganze Zahl, welche die Reihenfolge der Zeitintervalle definiert, wobei 1≤ i ≤ n. t1gibt die Dauer des Zeitintervalls i an. U1ist ein repräsentativer Sollwert für die Elektrodenspannung U in diesem Zeitintervall i. Für jedes der Elektrodenpaare kann die Ausgabegrösse individuell vorgebbare Sollwerte U1für die Elektrodenspannung U im jeweiligen Zeitintervall umfassen.

[0030] Während des aktiven Betriebs der Vorrichtung stellt der Mikrocontroller 19für jeden Treiber 21in jedem der n aufeinanderfolgenden Zeitintervalle t1den jeweils zugehörigen Sollwert U1für die jeweilige Elektrodenspannung als Ausgabegrösse bereit. Diese Sequenz wird wiederholt, bis die Steuervorrichtung 21in einen inaktiven Zustand versetzt wird. Dies kann z.B. durch Unterbrechung der Energiezufuhr mittels eines manuell betätigbaren Schalters oder durch einen elektronischen Schalter nach Ablauf einer voreingestellten Zeit geschehen.

[0031] Bei alternativen Ausführungsformen oder Konfigurationen der Steuervorrichtung 1können anstelle der Datensätze (t1, U1) in analoger Weise Datensätze (t1, I1) gespeichert sein, wobei I1ein repräsentativer Sollwert für den Elektrodenstrom I im jeweiligen Zeitintervall i ist. Im Stromkreis jedes der Elektrodenpaare ist ein Stromsensor 23angeordnet, beispielsweise ein Shunt-Widerstand, mit dem der tatsächlich fliessende Elektrodenstrom gemessen werden kann. Während des aktiven Betriebs der Vorrichtung erfasst der Mikrocontroller 19in jedem der n aufeinanderfolgenden Zeitintervalle t1die von den Stromsensoren 23gemessenen Elektrodenströme und regelt die Ausgabewerte U1für die Elektrodenspannung so, dass in jedem der Zeitintervalle t1der sensorisch erfasste Elektrodenstrom dem zugehörigen Sollwert I1entspricht.

[0032] Diese Sequenz wird wiederholt, bis die Steuervorrichtung 21in einen inaktiven Zustand versetzt wird. Dies kann z.B. durch Unterbrechung der Energiezufuhr mittels eines manuell betätigbaren Schalters oder durch einen elektronischen Schalter nach Ablauf einer voreingestellten Zeit geschehen.

[0033] Die Berechnung der Sollwerte U1für die Elektrodenspannung bei jedem der Elektrodenpaare kann zusätzlich zur Zeit t in Abhängigkeit eines oder mehrerer weiterer Parameter erfolgen, beispielsweise in Abhängigkeit des von einem Durchflusssensor 25erfassten Volumenstroms des Wassers und/oder in Abhängigkeit der von einem geeigneten Sensor erfassten Wasserqualität und/oder in Abhängigkeit des von einem Stromsensor erfassten Elektrodenstroms und/oder in Abhängigkeit eines oder mehrerer auswählbarer oder einstellbarer Werte für das jeweilige Elektrodenmaterial und/oder für die Frequenz bzw. die Periode der Zeitintervalle t1. Die vorstehende Aufzählung möglicher Parameter ist nicht abschliessend. Abhängig vom jeweiligen Anwendungszweck kann die Firmware der Steuervorrichtung 1dazu ausgebildet sein, bei der Berechnung der Ausgabegrösse einen oder mehrere solcher weiterer Parameter zu berücksichtigen. Die Steuervorrichtung 1kann so konfiguriert sein, dass alle zu berücksichtigenden Parameter fest vorgegeben sind. Alternativ kann die Steuervorrichtung 1dazu ausgebildet sein, mittels einer Bedienelementanordnung 27einen oder mehrere zu berücksichtigende Parameter auszuwählen und/oder bei einem oder mehreren der Parameter Werte auszuwählen oder einzustellen. Insbesondere können in einem Speicher der Steuervorrichtung 1Einstellungen für mehrere unterschiedliche Konfigurationen hinterlegt sein. Mittels der Bedienelementanordnung 27können so z.B. einfach unterschiedliche Betriebsmoden mit den entsprechenden Konfigurationen ausgewählt werden. Ein Beispiel für solche Konfigurationen sind unterschiedliche Kombinationen der Werte folgender Parameter: Elektrodenmaterial erstes Elektrodenpaar: 0/ Ag,Ag / Cu,Cu / Ag,Cu Elektrodenmaterial zweites Elektrodenpaar: 0/ Ag,Ag / Cu,Cu / Ag,Cu Betriebsmodus: U1/ I1 Intensität: normal / stark„0“ bedeutet „kein Elektrodenmaterial“ und demzufolge kein entsprechendes Elektrodenpaar. Bei alternativen Ausführungsformen kann eine Elektrolyseeinrichtung z.B. zwei Elektrodenpaare umfassen, die eine gemeinsame Elektrode aufweisen. Dabei kann die Materialkonfiguration z.B. aus folgenden Werten ausgewählt werden: Ag,Ag,Ag / Ag,Ag,Cu / Ag,Cu,Ag / Cu,Cu,Cu / Cu,Cu,Ag / Cu,Ag,Cu. Der mittlere Wert entspricht jeweils dem Material der gemeinsamen Elektrode.

[0034] Im Betriebsmodus U1wird jeweils die Elektrodenspannung U in jedem Zeitintervall t1auf den Wert U1eingestellt. Im Betriebsmodus I1wird jeweils die Elektrodenspannung U in jedem Zeitintervall t1so geregelt, dass der sensorisch erfasste Elektrodenstrom den Wert I1einnimmt. Bei gewählter starker Intensität werden die Werte der Elektrodenspannung bzw. des Elektrodenstroms in jedem Intervall mit einem Faktor von z.B. 1.1bis 1.5multipliziert. Die Steuervorrichtung 1umfasst vorzugsweise eine oder mehrere Leuchtdioden und/oder ein Display als Anzeigemittel 29. Dieses kann z.B. zum Anzeigen von Informationen und/oder als Unterstützung beim Auswählen und Einstellen von Parameterwerten genutzt werden. Vorzugsweise umfasst die Steuervorrichtung 1eine Kommunikationsschnittstelle 31, die z.B. zum Übertragen oder Ändern der Firmware und/oder zum Auslesen von in der Steuervorrichtung gespeicherten Informationen verwendet werden kann. Die Kommunikationsschnittstelle kann z.B. eine leitungsgebundene USB-Schnittstelle oder eine kabellos nutzbare Bluetooth-Schnittstelle sein, die direkt mit einem autorisierten Computer verbunden werden kann.

[0035] Figur 2zeigt beispielhaft eine sinusförmige Funktion mit einer Periode P. Die Zeit t ist in n = 40Zeitintervalle t1gleicher Länge aufgeteilt. Für jedes der Zeitintervalle ist in einem Speicher der Steuervorrichtung 1ein Datensatz mit dem zugehörigen Funktionswert U12zum Ansteuern des Treibers 21für die Elektroden 5a und 5b der ersten Elektrolyseeinrichtung gespeichert. Die Periode P entspricht dem 40-fachen der Dauer dt jedes der Zeitintervalle t1. Die gespeicherten Funktionswerte sind so festgelegt, dass der Scheitelwert der vom Treiber 21erzeugten Elektrodenspannung einem vorgebbaren maximalen Spannungswert Umax entspricht.

[0036] Figur 3zeigt drei sinusförmige Funktionen die sich nur durch unterschiedliche Amplituden A1, A2und A3unterscheiden. Diese Funktionen können durch Skalierung der in Figur 2dargestellten Funktion berechnet werden. Bei der Herstellung eines Kolloids in einem geschlossenen Behälter ist z.B. die Leitfähigkeit des Wassers ein Parameter, der als Skalierungsfaktor für die Berechnung der Elektrodenspannung U12genutzt werden kann. Mit zunehmender Leitfähigkeit muss die Amplitude der Elektrodenspannung U12reduziert werden, damit der Elektrodenstrom nicht über einen vorgegebenen Maximalwert steigen kann.

[0037] Figur 4zeigt analog zu Figur 2eine Sinusfunktion, die in Gestalt von Datensätzen für 40Zeitintervalle gespeichert ist. Im Unterschied zur Funktion aus Figur 2sind hier jedoch Sollwerte für den Elektrodenstrom in den einzelnen Zeitintervallen gespeichert.

[0038] Figur 5zeigt eine weitere Funktion, welche Sollwerte für den Elektrodenstrom I12zwischen zwei Elektroden 5a, 5b definiert. Da der Betrag des Elektrodenstroms nur zwei Werte einnehmen kann, nämlich Imaxund Imin, können diese beiden Werte als Vorgabegrössen gespeichert werden. Die Funktion hat eine Periode P mit sechs gleich langen Teilintervallen P1bis P6. Jedes Teilintervall umfasst einen ersten Abschnitt mit Imaxund einen zweiten Abschnitt mit Imin. Das Verhältnis der Zeiten mit Imaxund mit Iminist in jedem der Teilintervalle unterschiedlich. Die Funktionswerte in den letzten drei Teilintervallen entsprechen jenen der ersten drei Teilintervalle mit umgekehrtem Vorzeichen. Bei dieser Kurve können z.B. folgende weiteren Vorgabegrössen für deren Erzeugung gespeichert sein: Zeitpunkte t1bis t6für den Wechsel zwischen Imaxund Imin, Zeitpunkt t6für den Polaritätswechsel. Mit diesen Vorgabegrössen kann das Steuerprogramm die Sollfunktion zum Regeln der Elektrodenspannung erzeugen.

[0039] Figur 6zeigt eine Funktion mit je drei parabelartig zwischen einem Minimalwert Iminund einem Maximalwert Imaxfür den Elektrodenstrom ansteigenden Rampen. Nach jeweils drei Teilperioden wird analog zum in Figur 5dargestellten Beispiel die Polarität gewechselt. Auch diese Funktion kann mittels weniger gespeicherter Vorgabegrössen durch das Steuerprogramm generiert werden.

Claims (10)

1. Steuervorrichtung (1) zum Ansteuern von Elektroden (5a, 5b, 7a, 7b) mindestens einer Elektrolyseeinrichtung für die elektrochemische Herstellung von Nanopartikeln in Wasser, wobei ein Elektrodenpaar jeder Elektrolyseeinrichtung mit dem Wasser in Kontakt ist, umfassend einen Spannungsgenerator, der dazu ausgebildet ist eine Elektrodenspannung (U12) für das jeweilige Elektrodenpaar bereitzustellen, dadurch gekennzeichnet, dass der Spannungsgenerator ein Arbiträrgenerator ist, der dazu ausgebildet ist, in aufeinanderfolgenden Zeitintervallen für mindestens ein Elektrodenpaar individuell vorgebbare Spannungen oder Spannungsverläufe zu erzeugen.

2. Steuervorrichtung (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Arbiträrgenerator einen Mikrocontroller (19) und mindestens einen Treiber (21) zum Bereitstellen einer Elektrodenspannung entsprechend einer Ausgangsgrösse des Mikrocontrollers (19) umfasst.

3. Steuervorrichtung (1) nach Anspruch 1oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Funktion zum Vorgeben einer Spannung oder eines Spannungsverlaufs in aufeinanderfolgenden Zeitintervallen in einem Speicher der Steuervorrichtung (1) gespeichert ist.

4. Steuervorrichtung (1) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die gespeicherte Funktion Spannungswerte zum Ansteuern mindestens eines Elektrodenpaars in Abhängigkeit der Zeit und eines oder mehrerer weiteren Parameter repräsentiert.

5. Steuervorrichtung (1) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die weiteren Parameter mittels Bedienelementen wählbare oder einstellbare und/oder in einem Speicher der Steuervorrichtung gespeicherte Werte und/oder sensorisch erfassbare Werte umfassen.

6. Steuervorrichtung (1) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Elektrodenstrom mindestens einer Elektrolyseeinrichtung und/oder die Strömungsgeschwindigkeit des Wassers in einer vom Wasser durchströmbaren Kammer sensorisch erfassbare weitere Parameter sind, die bei der Ermittlung der Elektrodenspannung berücksichtigt werden.

7. Steuervorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 5oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Material oder die Materialkombination jedes Elektrodenpaars und/oder ein Betriebsmodus und/oder eine Intensitätsstufe mittels einer Bedienelementanordnung (27) wählbare weitere Parameter sind.

8. Steuervorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1bis 7, dadurch gekennzeichnet dass zum Übertragen oder Ändern einer Firmware und/oder zum Auslesen von gespeicherten Informationen eine Kommunikationsschnittstelle (31) vorgesehen ist.

9. Steuervorrichtung nach einem der Ansprüche 1bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Anzeigemittel (29) zum Anzeigen von Statusinformationen und/oder Werten von auswählbaren Parametern vorgesehen ist.

10. Verfahren zum Ansteuern von Elektroden mindestens einer Elektrolyseeinrichtung für die elektrochemische Herstellung von Nanoteilchen in Wasser, dadurch gekennzeichnet, dass ein Arbiträrgenerator in aufeinanderfolgenden Zeitintervallen für mindestens ein Elektrodenpaar jeder Elektrolyseeinrichtung individuell vorgebbare Spannungen oder Spannungsverläufe erzeugt.