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Anolyt und Katholyt: die zwei Ausgänge einer Diaphragmazelle

Eine Diaphragma-Elektrolysezelle trennt Anoden- und Kathodenraum und erzeugt so aus Salz, Wasser und Strom zwei unterschiedliche Lösungen. Das an der Anode gebildete Anolyt ist eine von hypochloriger Säure dominierte Oxidationslösung für die Desinfektion. Das an der Kathode gebildete Katholyt ist eine Natronlaugelösung, die vor Ort für alkalische Reinigung, CIP oder pH-Korrektur genutzt werden kann. Beide entstehen dort, wo sie gebraucht werden – ohne Transport gefährlicher Chemikalien.

Bei der Elektrolyse einer verdünnten Salzlösung entsteht an beiden Elektroden etwas. In einer Einkammerzelle vermischen sich diese Produkte zu einer einzigen Lösung. Eine Diaphragmazelle hält sie getrennt – und macht so aus einem Prozess zwei nutzbare Ausgänge.

Eine Zelle, zwei Kammern

In einer Diaphragmazelle sitzen Anode und Kathode in getrennten Kammern, geteilt durch ein Diaphragma, das Ionen passieren lässt, die beiden Lösungen aber am Vermischen hindert. Der Zelle wird Sole zugeführt, Strom wird angelegt, und zwei Ströme verlassen sie: das Anolyt von der Anodenseite und das Katholyt von der Kathodenseite.

An der Anode: die Desinfektionslösung

Chlorid-Ionen werden an der Anode oxidiert und reagieren mit Wasser zu hypochloriger Säure (HOCl). Dieses Anolyt ist das Hauptprodukt: eine von hypochloriger Säure dominierte Oxidationslösung für die Desinfektion von Wasserleitungen, Flächen und Prozessen.

Warum die Trennung hier zählt, ist eine Frage des pH-Werts. Wie viel des Chlors in der wirksamen Form der hypochlorigen Säure vorliegt, bestimmt ein Gleichgewicht mit der Dissoziationskonstante pKa ≈ 7,5;1 je höher der pH-Wert, desto stärker verschiebt sich das Chlor zum schwächer wirksamen Hypochlorit-Ion. Weil das an der Kathode gebildete Hydroxid auf der anderen Seite des Diaphragmas bleibt, verbleibt das Anolyt in dem Bereich, in dem hypochlorige Säure dominiert.

An der Kathode: Natronlauge

An der Kathode wird Wasser zu Wasserstoffgas und Hydroxid-Ionen reduziert. Natrium-Ionen, die von der Anodenseite herüberwandern, verbinden sich mit diesem Hydroxid zu Natronlauge (NaOH). Das Wasserstoffgas wird als Teil der Systemauslegung sicher abgeführt.

Das Katholyt ist kein Nebenprodukt, das entsorgt werden muss. Natronlauge ist eine Chemikalie, die viele Betriebe ohnehin kaufen, transportieren und lagern.

Wo das Katholyt eingesetzt wird

  • Alkalische Reinigung und CIP: Natronlauge löst Fett, Eiweiß und organische Verschmutzungen. In einem typischen Reinigungszyklus kommt zuerst der alkalische Schritt, danach die Desinfektion – eine einzige Zelle versorgt also beide Schritte.
  • pH-Korrektur: Wo ein Prozesskreislauf eine Anhebung des pH-Werts erfordert, kann das Katholyt für die Einstellung genutzt werden.
  • Vorreinigung vor der Desinfektion: Auf Flächen und Geräten mit organischer Verschmutzung sorgt eine alkalische Wäsche dafür, dass die anschließende hypochlorige Säure auf einer sauberen Oberfläche wirkt, statt von der Verschmutzung verbraucht zu werden.

Ob und wo das Katholyt genutzt wird, wird für jeden Standort nach dem Reinigungs- und Prozessbedarf der Einrichtung entschieden.

Was das für den Betreiber bedeutet

Werden beide Lösungen vor Ort erzeugt, verschwinden nicht eine, sondern zwei gefährliche Chemikalien aus der Lieferkette. Die Literatur zum industriellen Einsatz elektrolysierten Wassers hält fest, dass Salz der einzige chemische Einsatzstoff des Verfahrens ist, die Erzeugung am Einsatzort erfolgen kann und es gegenüber konventionellen Systemen Kosten- und Umweltvorteile bietet.2

Das AquaSky-System beruht auf diesem Prinzip: eine Diaphragmazelle, die ein von hypochloriger Säure dominiertes Anolyt für die Desinfektion und ein Katholyt aus Natronlauge für die Nutzung vor Ort erzeugt. Skytech Water legt es auf die Einrichtung aus und plant, installiert, nimmt in Betrieb und betreut es vor Ort.

Quellen

Die in diesem Beitrag zitierten begutachteten Studien und amtlichen Leitfäden. Jede Angabe wurde anhand des Primärnachweises geprüft.

  1. Fair, G. M., Morris, J. C., Chang, S. L., Weil, I., Burden, R. P. (1948). The Behavior of Chlorine as a Water Disinfectant. Journal AWWA, 40(10), 1051–1061.

    Was diese Quelle belegt: Die grundlegende Arbeit zum HOCl-⇌-OCl⁻-Gleichgewicht im Wasser und zu dessen pH-Abhängigkeit. Die Dissoziationskonstante (pKa ≈ 7,5) erlaubt es zu berechnen, welcher Anteil des freien Chlors tatsächlich in der wirksamen Form vorliegt.

  2. Rahman, S. M. E., Khan, I., Oh, D.-H. (2016). Electrolyzed Water as a Novel Sanitizer in the Food Industry: Current Trends and Future Perspectives. Comprehensive Reviews in Food Science and Food Safety, 15(3), 471–490.

    Was diese Quelle belegt: Eine begutachtete Übersichtsarbeit zu elektrolysiertem Wasser in der Lebensmittelindustrie. Sie kommt zu dem Schluss, dass Salz der einzige chemische Einsatzstoff ist, die Erzeugung am Einsatzort erfolgen kann und das Verfahren gegenüber konventionellen Reinigungssystemen Kosten- und Umweltvorteile bietet.

SSS

Häufig gestellte Fragen

Ist das Katholyt ein Abfallstrom?

Nein. Das Katholyt ist eine Natronlaugelösung, und Natronlauge ist in vielen Betrieben eine alltägliche Chemikalie. Sie kann für alkalische Reinigung, CIP oder pH-Korrektur eingesetzt werden; wie sie genutzt wird, wird für jeden Standort geplant.

Lassen sich die beiden Lösungen mischen?

Sie werden bewusst getrennt gehalten. Würde das alkalische Katholyt in das Anolyt gelangen, stiege dessen pH-Wert, und das Chlor verschöbe sich in Richtung der schwächer wirksamen Hypochloritform – genau das soll das Diaphragma verhindern.

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