Elektrolytische Wasseraufbereitung -Ohne Wasserwechsel-

 

Nach vier Jahren Entwicklungsarbeit möchte ich ein Verfahren zur elektrolytischen Aufbereitung von Aquarienwasser vorstellen. Es handelt sich nicht um eine Theorie, sondern die Anlage arbeitet in der Praxis und erfüllt ihren Zweck.

Für den eiligen Leser hier eine

Zusammenfassung

E D W A R D

Elektrolytisch betriebenes Wasseraufbereitungsgerät

Dieser Blog befasst sich mit einem Gerät und einer Methode zur Wasseraufbereitung in Süßwasseraquarien durch Elektrolyse; Wasserwechsel werden dadurch überflüssig. Das Gerät entfernt kontinuierlich nahezu alle geladenen Verbindungen aus dem Wasser, einschließlich Phosphat, Ammonium, Nitrit und Nitrat.

Der Verlust an Mineralien und Spurenelementen wird durch den Zusatz von handelsüblichen Mineralsalzmischungen und Dünger ausgeglichen (Standardverfahren, s.u.). Andere Modi sind möglich. Davon abgesehen, ist als einzige regelmäßige Wartungsmaßnahme die Entleerung der Anoden- und Kathodenkammer erforderlich, typischerweise in Ein- oder Zweiwochenintervallen, sowie die Ergänzung der Wasserverluste.

Auf diese Art und Weise können die Wasserwerte in einem breiten Bereich genau kontrolliert werden; die Anlage arbeitet allerdings optimal im Weichwasserbereich, also bei niedriger elektrischer Leitfähigkeit.

Zusätzlich zu der Entmineralisierung und der damit bewirkten Denitrifizierung durch Elektrolyse kann das Wasser zeitweise oder dauernd durch einen Aktivkohlefilter gereinigt werden, der organische Verbindungen entzieht, wie Amine sowie phenolische und hochmolekulare Verbindungen, vor allem solche, die nicht geladen sind. Es ist allerdings eine Frage der persönlichen Einstellung, ob man diese Stoffe für eine konkrete Gefahr hält oder nicht.

Im Prinzip entfernt die Anlage Schadstoffe, die durch ungefährliche Stoffe ersetzt werden und wirkt wie ein ständiger Ersatz von Aquarienwasser durch frisches, sauberes Wasser. Schlagwortartig verkürzt könnte man sagen: Mineralwechsel statt Wasserwechsel.

Verglichen mit anderen Methoden fällt weder Abwasser an (Umkehrosmose) noch besteht die Notwendigkeit zur Regeneration (Ionentauscher).

Last but not least: Man ist von der Qualität des zur Verfügung stehenden (Trink-) Wassers völlig unabhängig.

 

Abstract

E D W A R D

E lectrolytically D riven WA ter R econditioning D evice

 

This blog deals with an apparatus and a method to recondition the water of freshwater aquariums by means of electrolysis, thus rendering the frequent water changes unnecessary. The apparatus removes permanently almost all kinds of charged compounds from the water, including phosphate, ammonium, nitrite and nitrate.

The loss of minerals and trace elements is compensated by periodically adding the usual off-the-shelf mineral salts and fertilizers (standard mode, see below). Other modes are possible. Besides this, the only regular maintenance needed is emptying the chambers of the anode and the cathode, typically at one or two week intervals, and the adding of lost water.

In this way the properties of the water can be exactly controlled over a wide range, however, the method works best if the water is kept soft (i.e. at a low electric conductivity).

In addition to the demineralization and therefore denitrification by electrolysis, the water can be, permanently or temporarily, purified by an activated carbon filter, extracting organic compounds such as amines as well as phenolic and high molecular compounds, mainly those which are not charged. This, however, is a matter of personal judgement, whether these compounds in your tank are considered hazardous or not.

In principle the method extracts harmful compounds and replaces them by nonhazardous compounds, thus it acts like a permanent change of aquarium water into purified water. To put it in a nutshell: Mineral change instead of water change.

Compared to other methods there is neither waste water (reverse osmosis) nor the need for regeneration (ion exchange systems).

Last but not least, you are completely independent of the quality of the local water supply.

 

Aufbau

Der Prototyp des Gerätes ist in einem 12-Literbecken eingebaut. Andere Größen und Konfigurationen sind in beliebiger Weise möglich, das Prinzip ist also skalierbar.

Hier die Draufsicht:

 

Draufsicht auf EDWARD
Draufsicht auf EDWARD

Man sieht, oben querliegend, eine große Kammer. Dies ist praktisch ein kleines Technikbecken und kann ggf. Filter und Heizung aufnehmen. Hier ist nur eine kleine 2,5 Watt-Pumpe (rechts) von Bedeutung, die EDWARD mit Aquarienwasser (Hahn Mitte) versorgt und das Wasser zirkuliert (Schlauch links).

Darunter sind zwei weitere Kammern zu sehen, nämlich links der Anodenraum mit klarem Wasser und rechts der Kathodenraum, der von ausgefallenem Kalk weiß gefärbt ist. Das Volumen dieser Kammern beträgt je etwa 2 Liter. Dazwischen befindet sich das Kernstück des Gerätes, nennen wir es „Trennkammer“.

Bild 2a Diaphragmen in der Trennkammer
Bild 2a
Diaphragmen in der Trennkammer
Bild 2b Trennkammer, platinierte Anode
Bild 2b
Trennkammer, platinierte Anode

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Die Trennkammer hat auf jeder Seite einen Ausschnitt in Größe der Elektroden. In ihr befinden sich die beiden Diaphragmen (rot), sowie eine dünne Schicht grober Filterschaum (blau) für den Wasserdurchfluss (Bild 2a). Die Dicke ist so gewählt, dass sich die drei Teile zusammengedrückt gut in die Trennkammer einschieben lassen und satt an den Wänden anliegen.

Dicht an den Öffnungen an jeder Seite befinden sich die Elektroden (Bild 2b)

Das Aquarienwasser wird von der Pumpe oben in der Trennkammer aufgegeben und tritt unten durch eine Bohrung auf der Schmalseite zur Technikkammer hin wieder aus.

Insgesamt wird deutlich, dass der Bau des Gerätes keine besonderen Anforderungen an die handwerklichen Fähigkeiten stellt.

 

Funktionsweise

Die meisten hier interessierenden Stoffe liegen im Aquarienwasser als Ionen vor. Ionen sind Verbindungen oder Elemente, die nicht elektrisch neutral sind, sondern positive oder negative Ladung(en) tragen. Setzt man sie einem elektrischen Feld aus, so fangen sie an zu wandern, allerdings ziemlich gemächlich, etwa im Bereich mm/min. Entsprechend ihrer Ladung wandern sie zum Pluspol, der Anode (Anionen) oder zum Minuspol, der Kathode (Kationen).

Diesen physikalischen Effekt macht sich EDWARD zu Nutze.

Bei EDWARD besteht durch den geringen Abstand der Elektroden ein starkes elektrisches Feld, das die Ionen aus dem Wasserstrom herauswandern lässt, in die Diaphragmen hinein und von dort zu den Elektroden.

Schema der Funktionsweise
Schema der Funktionsweise

Die Grafik verdeutlicht das: Das ionenreiche Wasser (violett) tritt oben ein. Im elektrischen Feld zwischen den Elektroden werden die Ionen zur Seite abgelenkt (rosa Anionen und blau Kationen) und letztendlich – nach Durchwandern der Diaphragmen – in den feldfreien Elektrodenkammern deponiert. Unten tritt ionenarmes Wasser (blass-violett) aus. Damit dies funktioniert, muss die Zeit die das Wasser von oben nach unten braucht, länger sein, als die Zeit, die ein Ion braucht, um von einer Seite in das Diaphragma auf der anderen Seite zu gelangen. Die Trennkammer muss also möglichst „dünn“ und möglichst „lang“ sein und der Wasserstrom gering.

Eine weitere Voraussetzung ist, dass die Elektroden die Öffnungen der Trennkammer flächig abdecken (vergl. Bild 2b). Auf diese Art und Weise „bewacht“ das elektrische Feld die Öffnungen und verhindert so, dass vorzeitig eine Rückdiffusion einsetzt. Das geht natürlich nicht endlos; nach einiger Zeit ist die Konzentration in den Kammern so hoch, dass sich das Einfangen der Ionen und die Rückdiffusion die Waage hält. Dann ist es Zeit, die Kammern zu entleeren. Mit einem Leitwertmessgerät (Konduktometer) ist das sehr einfach festzustellen. Näheres unter „Pflege“ und „Messen“.

Soviel zur grundsätzlichen Funktionsweise. Nun einige Spezialthemen:

 

Elektroden

Für die Kathode genügt ein einfaches, entsprechend zugeschnittenes Stück Edelstahlblech. Problematischer ist die Anode. Ich benutze ein platiniertes Titangitter, wie es in der Galvanik verwendet wird. Das dürfte für Becken bis etwa 200 Liter ausreichend sein. Alternativ könnte auch noch Graphit in Betracht kommen, aber ich konnte das nicht prüfen, da mir ein entsprechendes Formstück nicht zur Verfügung stand.

Platinierte Elektroden werden von chinesischen Firmen angeboten; ggf. müsste man versuchen, dort fündig zu werden, vor allem, wenn es um größere Zuschnitte für größere Becken geht.

Diaphragmen

Die Diaphragmen in der Trennkammer müssen zwei gegenläufigen Anforderungen genügen: Sie müssen hinreichend wasserdicht sein, dürfen sich aber andererseits nicht zu schnell mit ausfallendem Kalk zusetzen. Versuche mit sehr dichten Diaphragmen waren nur kurzfristig erfolgreich. Zurzeit läuft die Anlage mit 6 mm dicken Filzplatten. Das geht gut – Standzeiten und Diffusionsverhalten sind befriedigend – aber hier besteht möglicherweise noch Entwicklungspotential.

Spannung / Strom / Netzteil

Bei der Wahl der Spannung war eine Reihe von Gesichtspunkten zu berücksichtigen. Aus Sicherheitsgründen muss die Spannung unter 60 Volt DC liegen. Auch die (teure) Anode wird bei niedriger Spannung weniger belastet. Andererseits, bewirkt eine höhere Spannung einen besseren Trenneffekt und macht vom Innenwiderstand der Trennkammer unabhängig. Nach unbefriedigenden Versuchen mit 12 und 24 Volt, fiel die Wahl auf ein preiswertes Schaltnetzteil mit 48 Volt und 380 mA max. Strom.

Die Stromstärke wird über ein Potentiometer entsprechender Belastbarkeit gesteuert und mit einem mA-Meter gemessen. Eine einmal eingestellte Stromstärke wird sehr gut gehalten; Maßnahmen um einen eingeprägten Strom zu erzeugen, sind nicht erforderlich.

Als Stromstärke für den Dauerbetrieb im Standardverfahren (s. u.) genügen 0,5 mA/Liter. Dabei sinkt die Leitfähigkeit des Aquarienwasser stetig leicht ab. Will man allerdings den Salzgehalt, zum Beispiel in der Einfahrphase, verringern, sind auch 2 mA/Liter möglich. Eine Erhöhung der Stromstärke kann auch dazu benutzt werden, die Wartungsintervalle zu verlängern; man betreibt die Anlage bis zum Einsetzen der Rückdiffusion mit der normalen Stromstärke und erhöht dann die Stromstärke bis auf etwa das Doppelte.

Wassermengen

Die Trennkammer benötigt nur einen sehr geringen Wasserdurchfluss. Etwa 80 ml/min habe ich gemessen; das ist zwischen schnell tropfend und gerade etwas fließend, um es anschaulich zu machen. Wird der Durchfluss erhöht, geht die Leistung der Anlage deutlich zurück!! Dies liegt vermutlich daran, dass die Ionen zu wenig Zeit haben, um in die Diaphragmen einzuwandern. Man muss sich also dem Optimum von „unten“ annähern.

Durch die geringe zirkulierte Wassermenge wird auch der Chemismus des Aquariums im Übrigen nur wenig beeinflusst. Dort laufen alle Vorgänge im Wesentlichen ungestört ab.

Pflege

Wie bereits erwähnt, müssen die Anoden- und Kathodenkammer periodisch entleert werden, da ab einer bestimmten, stromabhängigen Konzentration sich Abscheidung und Rückdiffusion ausgleichen. Nach kurzer Zeit weiß man, bei welchen Leitwerten in den Kammern dieser Punkt erreicht ist. Es empfiehlt sich, die Kammer gleichzeitig zu entleeren, so dass nur Aquarienwasser durch die Diaphragmen in die Kammern strömt und sich der Kammerinhalt nicht mit dem Aquarienwasser wieder vermischt. Danach ist der Wasserverlust auszugleichen. Dazu kann selbst sehr schlechtes Leitungswasser verwendet werden, da es nur geringe Mengen sind und beim Standardverfahren (s. u.) ohnehin aufgesalzen werden muss. Zeitlicher Aufwand max. 10 Minuten alle ein bis zwei Wochen.

Nach einigen Monaten empfiehlt es sich, die Diaphragmen zu entkalken. Hat man zwei Sets, kann ein Set in der Trennkammer verwendet werden, während das andere in Essig oder Zitronensäure entkalkt wird. Zeitaufwand für diese Pflegemaßname auch etwa 10 Minuten alle drei bis vier Monate.

 

Standardverfahren

Da EDWARD dem Aquarienwasser ständig Minerale entzieht, muss für Nachschub gesorgt werden. In geringem Umfang geschieht dies – abgesehen von den Stoffen, die über das Futter eingebracht werden – durch die Ergänzung der Wasserverluste mit Leitungswasser und durch Düngung, im Wesentlichen aber durch gezieltes Aufsalzen.

Anode (rot) und Kathode (blau) X 20
Bild 4
Leitwertverlauf über die Zeit

Ich handhabe es so, dass ich, sobald mit den oben angeführten 0,5 mA/Liter ein unteres Limit, sagen wir 100 µS/cm erreicht wird, auf 140 µS/cm aufsalze (Bild 4, schwarze Linie). Das kann unabhängig von der Entleerung der Elektrodenkammern geschehen. Man kann es aber auch so abstimmen, dass beide Maßnahmen gleichzeitig durchgeführt werden können (Bild 4, graue Linie).

Zur leichteren Handhabung des Aufsalzens, löse ich 15 g handelsübliches Mineralsalz in 1,5 Liter kochsalzarmen Sprudelwasser vom Discounter. Mit dieser Stammlösung kann man den Leitwert sehr genau und auch bequem einstellen.

Ich betone ausdrücklich, dass dies ein mögliches „Rezept“ ist, also eine standardisierte Möglichkeit unter anderen. Dieses Verfahren wurde gewählt, weil es dem üblichen Wasserwechsel-Schema am nächsten kommt.

Messen

Um EDWARD sinnvoll zu nutzen, benötigt man ein Leitwertmessgerät, ein Konduktometer, wie es heute für unter 30 € im Handel angeboten wird. Damit kontrolliert man sowohl die Leitfähigkeit des Aquarienwassers, als auch die der beiden Elektrodenkammern. Nach kurzer Zeit weiß man, wann es Zeit für Pflegemaßnahmen ist.

Alles andere handhabt man in der gewohnten Weise.

Ausblick

Wir stehen erst am Anfang. Jede Änderung eines einzigen Parameters muss mindestens einige Tage, oft auch zwei Wochen, beobachtet werden. Es sind deshalb längst nicht alle Optionen von EDWARD ausgelotet.

Ich habe erfolgreich ein ziemlich heruntergekommenes Becken mit EDWARD saniert, d. h. extreme Wasserwerte ohne Wasserwechsel auf ein optimales Niveau gebracht. Das würde man zwar wahrscheinlich in der Praxis so nicht machen; mir ging es dabei darum, das Prinzip unter extremen Bedingungen zu testen. Praktisch kann man dieses „Herunterfahren“ aber nutzen, um anfangs zu hohe Wasserwerte erst einmal auf das gewünschte Niveau zu bringen.

Für die Praxis bedeutsam ist hingegen das entwickelte Standardverfahren zur Steuerung der Wasserwerte im Dauerbetrieb. Das sind aber nur zwei von mehreren denkbaren Möglichkeiten.

Man kann z. Bsp. die Stromstärke so wählen – Bereich 0,1 bis 0,2 mA/Liter – dass sich die Leitfähigkeit im Becken nicht ändert. Dann stellt sich mit der Zeit die Ionenzusammensetzung ein, die durch das Futter und die Abbauvorgänge im Becken vorgegeben ist. Es entsteht also so etwas Ähnliches wie ein Altwasseraquarium, allerdings mit dem entscheidenden Unterschied, dass man die Konzentration der Stoffe dauerhaft genau kontrollieren und regeln kann. Bei diesem Verfahren liegen die Pflegeintervalle übrigens dann im Bereich mehrerer Wochen, so dass es auch eine zeitweilige Lösung für längere Abwesenheit wäre.

Weiter kann man die zum Aufsalzen verwendete Salzmischung variieren und so eine fast beliebige Ionenzusammensetzung erreichen.

Auch die Remineralisierung durch einen Kalkbettfilter habe ich probiert. Das schien mir vorerst zu schwer zu steuern zu sein, aber auch da könnte es praktische Lösungen geben, so dass das Aufsalzen gewissermaßen automatisiert wäre.

Was ich als nächstes versuchen werde, ist das Filtervolumen nach und nach zu verkleinern. Die Überlegung dabei ist, den Abbau von Ammonium zu verzögern, was bei pH 6,8 bis 7,0, die EDWARD in meinem Becken genau aufrechterhält, kein Problem wäre. Wäre gleichzeitig Ammonium und Nitrat im Aquarienwasser, würde EDWARD im Hinblick auf die Stickstoffeliminierung doppelt wirken, da Ammonium ein Kation ist und gleichzeitig mit dem Anion Nitrat abgeschieden würde. Außerdem brauchte man keine großvolumigen Filter mehr.

Insgesamt eröffnet EDWARD die Möglichkeit die Wasserwerte entsprechend den persönlichen Wünschen und natürlich den Ansprüchen der Tiere und Pflanzen, weitgehend frei zu gestalten.

Rechtliches und Warnung

Es wird keinerlei Haftung, aus keinem denkbaren Grund, weder für Mensch, Tier oder Sachen übernommen.
Elektrischer Strom und Wasser können gefährlich sein. Deshalb vor jeder Arbeit die Anlage stromlos machen. Nur galvanisch getrennte Stromquellen verwenden. Betriebsspannung maximal 60 Volt Gleichstrom.
© Dieser Beitrag steht unter GNU –GPL (analog).
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3 Kommentare bisher. Was sagst du dazu?

  1. Hallo, habe gerade diesen Artikel gefunden und würde gerne mehr darüber erfahren. Gibt es ganauere Spezifikationen über die benötigten Komponenten? (Diaphragmen/Elektroden etc.) Ich würde das gerne auch ausprobieren, wofür etwas detailliertere Infos hilfreich wären.
    Danke im Voraus
    Andreas

    9. Juli 2014
    Antworten
    • Wolfgang sagt:

      Hallo Andreas,

      natürlich gebe ich Dir gerne nähere Informationen. Auch bei einem Nachbau würde ich Dich nach Kräften unterstützen. Bitte sage mir, welche Details Dich interessieren, die nicht schon im Artikel enthalten sind.

      Mit freundlichen Grüßen

      Wolfgang

      10. August 2014
      Antworten

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