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Einige chemische und physikalische Eigenschaften zur Wasserenthärtung

Wasserenthärtung

Die unter Härte des Wassers beschriebenen Härtebildner können zwar auch im Haushalt zu Problemen bei der Heißwasserbereitung (Heizung usw.) führen, sie werden jedoch nur im Falle außergewöhnlich hoher Konzentration im Zuge der Trinkwasseraufbereitung entfernt. Bei der Verwendung von Wasser als Kesselwasser oder Kesselspeisewasser, also bei hohen Temperaturen, hohen Drücken, spielt neben dem Calciumcarbonat in Form des Aragonits auch Gips eine große Rolle als Kesselstein-Bestandteil. Um unerwünschte Kesselsteinbildung zu vermeiden, sind eine Reihe von Verfahren zur Wasserenthärtung entwickelt worden:

Enthärtung im Na-Austauscher

– Ionenaustauscher:
Anfang des 20. Jh. wurden die synthetische Schmelz-Permutite entwickelt, die es ermöglichen, die Härtebildner des Wassers in Natriumsalze überzuführen. Da bei dem Prozeß Ca- u. Mg- gegen Na-Ionen ausgetauscht werden, nennt man den ganzen Vorgang Kationenaustausch.

Entcarbonisierung im H-Austauscher

Durch Verwendung von Neutral- oder Natrium-Austauschern wie oben ist es möglich, das Wasser bis auf eine Resthärte von weniger als 0,05°d (s. Härte des Wassers) aufzubereiten. Ein Nachteil des Verfahren liegt darin,dass die Carbonat-Härte in NaHCO3 umgewandelt wird. Im Kessel zersetzt sich dieses entsprechend der Gleichung: 2NaHCO3 ==> Na2CO3 + CO2 + H2O. Diese Umsetzung ist je nach dem im Kessel herrschenden Druck mehr oder weniger vollständig, z.B. bei 20 bar zu 80%. Hierdurch entsteht ein saurer CO2-haltiger Dampf, während das Kesselwasser alkalisch wird. Diese Nachteile lassen sich vermeiden, wenn man Säure- oder H-Austauscher nimmt, die aus den Erdalkalisalzen Säure bilden. Es ist möglich, unter Verwendung schwach saurer H-Austauscher nur die Carbonat-Härte auszutauschen, wodurch eine Entcarbonisierung des Wassers stattfindet. Die verbleibende Resthärte wird in einem nachgeschalteten Na-Austauscher entfernt. Das freie CO2 kann durch Entgasung ausgetrieben werden. Man kann aber auch so verfahren,dass ein Teilstrom über einen stark sauren H-Austauscher geleitet u. dieser mit einem anderen Teilstrom vereinigt wird, der über einen Na-Austauscher geführt wurde, sodass sich gerade ein neutrales Wasser ergibt. Aus diesem wird anschließend das CO2 durch einen Entgaser (Rieseler) entfernt.

Vollentsalzung (Deionisation, Demineralisation)

Es ist möglich, mittels geeigneter stark saurer H.-Austauscher, die mit Säure regeneriert werden, alle im Wasser gelösten Kationen gegen H.-Ionen auszutauschen (Entbasung). Wird das saure Wasser dann über eine Austauschermasse geleitet, die austauschbare OH-Gruppen besitzt, so finden folgende Reaktionen statt (A = akt. Gruppe des Austauschers): A(OH)n + H2SO4/HCl ==> A(SO4)(Cl) + nH2O. Die Anionen werden an die akt. Gruppe des Austauschers gebunden (Entsäuerung). Die Wiederbelebung geschieht durch Natronlauge. In der obigen Gleichung ist Carbonat nicht berücksichtigt worden. Man kann den Anionen-Austauscher so wählen,dass er auch die Anionen-Gruppen der schwachen Säuren (wie Carbonat- u. Silicat-Anionen) bindet. Es ist aber auch möglich, mit schwach bas. Austauschern zu arbeiten, die nur die Anionen der starken Säuren (Cl–,SO42–) binden. Die Kohlensäure kann dann durch Ausrieseln entfernt werden. Die Entfernung der Kieselsäure (Entkieselung) geschieht in einem nachgeschalteten stark bas. Filter. Der Vorteil dieser Arbeitsweise liegt darin,dass man die sonst zur Bindung des CO2 notwendige Lauge einspart. Für die Entfernung der letzten Spuren von Kationen u. Anionen aus dem Wasser bzWasserenthärtung für Kleinanlagen u. für salzarme Wässer haben sich die sog. Mischbettfilter bes. gut bewährt. Bei diesen sind in einem Filterbehälter Kationen- u. Anionen-Austauscher nebeneinander vorhanden. Zur Regeneration werden sie durch Aufschlämmen voneinander getrennt, was möglich ist, da sie ein verschiedenes spezif. GeWasserenthärtung besitzen. Nach der Regeneration werden sie wieder unter Einblasen von Luft gemischt. Außer zur Enthärtung von Brauchwasser sind Ionenaustauscher auch zur Trinkwasseraufbereitung zugelassen. Allerdings wird eine Enthärtung von Trinkwasser großtechnisch kaum durchgeführt, zumal eine gewisse Härte (auch aus geschmacklichen Gründen) hier durchaus erwünscht ist; außerdem soll die Na-Konzentration nicht zu hoch sein. – Enthärtung des Wassers durch Fällungsverfahren:

Ein altes, heute weitgehend verdrängtes Verfahren zur Enthärtung von Wasser ist die Fällung mit Calciumhydroxid und Soda, die im wesentlichen wie folgt abläuft: Ca(HCO3)2+Ca(OH)2==>2CaCO3+2H2O Mg(HCO3)2+2Ca(OH)2==>Mg(OH)2+2CaCO3+2H2O CaSO4+Na2CO3==>CaCO3+Na2SO4. Diese Fällungen, die meist bei Temperaturen über 80° durchgeführt werden, führen zu einer Reduktion der Härte bis etwa 0,18 mmol/l. Diese Resthärte kann durch Fällung mit Monophosphat beseitigt werden. Gewisse Probleme bietet die nur langsame Ausbildung filtrierbarer Niederschläge. Der Vorteil der Fällungsverfahren liegt darin,dass die Carbonat-Härte entfernt wird, ohnedass wesentliche Mengen anderer Salze in das weiche Wasser gelangen. Man erzielt also eine Teilentsalzung. Sofern man noch mit Fällungsverfahren arbeitet, beschränkt man sich meistens auf die Entfernung der Carbonat-Härte durch Ca(OH)2. – Enthärtung und Entsalzung durch Destillation:

Wässer, die hohe Härte und hohen Salz-Gehalt aufweisen, bereitet man zweckmäßigerweise durch Destillation auf. Großtechnisch geschieht das in Verdampfern. Am ausgereiftesten ist die Technik in der Meerwasserentsalzung. – Wasserbehandlung mit Substanzen, die einen Threshold-Effekt ausüben: Rosenstein beschrieb 1936,dass kondensierte Phosphate in unterstöchiometr. Mengen (unter Umständen in Mengen von wenigen mg/l) die Ausfällung der Härtebildner erheblich verzögern. Außerdem bewirken diese Zusätze,dass die Härtebildner nicht in krist. Form ausgeschieden werden, sondern in flockig amorpher Form. Solche flockigen Ausscheidungen führen nicht zur Kesselsteinbildung. Später fand man,dass alle Polyphosphate mit Kettenstruktur (Di-, Triphosphat usWasserenthärtung), dagegen nicht Monophosphat od. die ringförmig gebauten Metaphosphate diesen sog. Threshold-Effekt besitzen. In der Folgezeit entdeckte man,dass auch komplexbildende Phosphonsäuren sowie niedermol. Polycarbonsäuren einen Threshold-Effekt ausüben, der in vielen Fällen die Wirksamkeit der Polyphosphate noch übertrifft. Während Polyphosphate bei höheren Temp. oberhalb 60° relativ schnell hydrolysieren (letztlich unter Bldg. von Monophosphat, das unwirksam ist), sind die komplexbildenden Phosphonsäuren u. niedermol. Polycarbonsäuren auch bei Temp. oberhalb 100° noch hydrolysestabil. Techn. Prod. enthalten ggf. noch korrosionsverhütende Zusätze von Monophosphaten u. Silicaten; teilWasserenthärtung werden auch Polyphosphatgläser mit geringen Zusätzen mehrwertiger Kationen in grobstückiger od. kugeliger Form in sog. Schleusen eingebracht, in denen das durchströmende Wasser langsam kleine Mengen der Polyphosphate auflöst. In Prozeß- u. Kühlwässern werden neben – ggf. Zinksalz-haltigen – Polyphosphaten wegen ihrer hydrolyt. Stabilität Prod. auf Basis komplexbildender Phosphonsäuren [1-Hydroxyethan-1,1-diphosphonsäure, Aminotris(methylenphosphonsäure), 2-Phosphonobutan-1,2,4-tricarbonsäure] u. niedermol. Polycarbonsäuren bevorzugt. Kondensierte Phosphate werden auch, ggf. zus. mit Sauerstoff-Bindemitteln, zum Abfangen gelegentlicher „Härtedurchbrüche“ bei Kesselspeisewasser eingesetzt (Korrektivaufbereitung). – Weitere Verf.: Verhütung der Kesselsteinbldg. durch Zugabe von Marmorstückchen u.ä. zum Wasser wird heute kaum noch praktiziert. Ebenfalls keine techn. Bedeutung mehr haben Zusätze von Kolloidgraphit od. org. Schutzkolloiden, die die Ausfällung des Kalks in flockig amorpher Form bewirken sollen. Dagegen sind Beiträge zur Enthärtung des Wassers von den Verf. der Elektrodialyse u. der umgekehrte Osmose zu erwarten, die teilWasserenthärtung zu anderen Zielsetzungen (z.B. zur Meerwasserentsalzung) entwickelt worden sind.

Trinkwasseraufbereitung:

Trinkwasseraufbereitung

Bez. für Verf. zur Reinigung von Oberflächen- u. Grundwässern zur Gewinnung von Trinkwasser. Dies soll weder Krankheitserreger noch irgendwelche störenden chem. Verunreinigungen enthalten. Die wesentlichen Aufarbeitungsschritte sind wie folgt skizzenhaft zu beschreiben (s. dazu auch Tab. 1):

1. Die zur Entkeimung v.a. von Oberflächenwässern früher häufig u. in vielen Ländern noch bis heute angewendete Hochchlorung kann durch andere Verf. ersetzt werden. Dadurch vermeidet man nicht nur die Bldg. unerwünschter u. z.T. schwer entfernbarer org. Chlor-Verb., sondern erreicht auch eine bessere Trinkwasserqualität. Die wichigsten Alternativen zur Hochchlorung beinhalten den Einsatz von Ozon. Die Hochchlorung war viele Jahrzehnte das Standardverf. zur Aufbereitung von Ammonium-haltigen u. auch sonst stärker belasteten Oberflächen- u. auch Grundwässern, da damit unabhängig von der Wassertemp. jederzeit eine vollständige NH4+-Oxid. u. eine sichere Abtötung aller Krankheitserreger zu erreichen war.

2. Trotz aller Fortschritte bei der Anw. von physik.- chem. Reinigungsmeth. hat es sich bewährt, bei der Aufbereitung von stärker verunreinigten Oberflächenwässern auf eine biol. Reinigungsstufe nicht zu verzichten. Die Bodenpassage wird für eine derartige Aufgabe zur Zeit am häufigsten angewandt. Biol. Reinigungsvorgänge lassen sich aber auch in Filtern, u. zwar v.a. in Aktivkohlefiltern (Adsorptionswirkung) mit guter Wirksamkeit durchführen.

3. Bei der Flockung hat sich die energiekontrollierte Durchführung der Flockungsvorgänge in mehreren Stufen gegenüber der kombinierten Flockung u. Sedimentation in den unterschiedlich konstruierten „-atoren“ durchgesetzt. Eine zusätzliche Bedeutung hat ferner die Flockungsfiltration gewonnen. Die Wirksamkeit von Filteranlagen konnte durch die heute allg. übliche Verw. von Mehrschichtfiltern mit unterschiedlichen Materialien u. mit möglichst strukturierter Oberfläche ebenfalls erheblich verbessert werden. Man kann durch Flockung u. Filtration aber keine echt gelösten Störstoffe entfernen, wie sie heute auch in vielen Grundwässern häufig gefunden werden, sondern muss dazu auf Adsorptionsverf. zurückgreifen.

4. Die adsorptive Reinigung in Aktivkohlefiltern wird in zunehmendem Umfang zur sicheren Entfernung aller störenden chem. Verunreinigungen, sowohl bei Oberflächenwässern als auch bei Grundwässern, angewendet. Die in solchen Fällen ablaufenden Vorgänge u. die dabei zu beachtenden Verfahrenstechn. Grundlagen sind heute so weitgehend erforscht,dass eine optimale Dimensionierung u. ein sicherer Betrieb unter Einschluß der Reaktivierung möglich sind. Während die Mehrzahl der Wasserwerke in der Welt zur Entfernung von störenden org. Spurenstoffen die Pulverkohledosierung bevorzugt, hat sich in der BRD die Verw. von Aktivkohlefiltern mit speziellen, der jeweiligen Aufgabenstellung angepaßten Aktivkohlesorten weitgehend durchgesetzt u. auch schon seit vielen Jahren in zahlreichen Anlagen bewährt. Das gilt sowohl für Oberflächen- als auch für Grundwässer, wobei im letzteren Fall meist Halogenkohlenwasserstoffe wie Tri- u. Tetrachlorethen entfernt werden müssen. Die Entfernung solcher Stoffe im Zuge der T. hat den klass. Aufgabenkatalog – Entsäuerung, Enteisenung u. Entmanganung, Trübstoffentfernung, Ammonium-Oxid. u. Entkeimung – wesentlich erweitert. Nicht mehr allein der Schutz des Verbrauchers vor Krankheitserregern sowie der Schutz von Trinkwasserleitungen vor Korrosion u. Verstopfung stehen im Mittelpunkt der T., sondern auch die Beseitigung org. wie anorg. Spurenstoffe. In Tab. 2 werden Aufbereitungsziele mit den zugehörigen Verf. genannt.

Literatur zur Trinkwasseraufbereitung:

Amavis et al., Hardness of Drinking Water and Public Health, Oxford: Pergamon 1976 ï Aurand et al., Atlas zur Trinkwasserqualität der BRD, Berlin: Schmidt 1980 ï Brunnenbau, Bau Wasserwerken, Rohrleit.-Bau 40, Nr. 3, 144ff. (1989); 41, Nr. 2, 49ff., (1989); 42, Nr. 2, 55ff. (1990) ï Chem. Ing. Tech. 49, 19ff. (1977); 56, 99ff. (1984) ï Chem. Unserer Zeit 23, Nr. 4, 130ff. (1989) ï Desalination 78, 157ff. (1990) ï Environ. Sci. Technol. 24, 768ff. (1990) ï Gas Wasserfach Wasser Abwasser 120, 103ff. (1979); 125, 186ff. (1984); 126, 227ff. (1985); 130, 251ff., 569ff., 638ff. (1989); 132, 8ff. (1991) ï J. Am. Water Works Assoc. 80, Nr. 9, 82ff. (1988); 81, Nr. 8, 54ff., 74ff.; Nr. 9, 87ff. (1989); 83, Nr. 1, 38ff. (1991) ï J. Water Pollut. Contr. Fed. 60, 1670ff. (1988) ï Neue Deliwa Z. 89, 347ff. (1989) ï Tech. Mitt. 77, 501ff. (1984) ï Umschau 79, Nr. 3, 80ff. (1979) ï Vom Wasser 72, 151ff. (1989); 74, 51ff. (1990); 75, 287ff. (1990) ï Wasserwirtschaft 80, 489ff. (1990). E drinking-water conditioning F traitement de l'eau potable I preparazione dell'acqua potabile S tratamiento del agua potable Quelle: CD Römpp Chemie Lexikon – Version 1.0, Stuttgart/New York: Georg Thieme Verlag 1995

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