Du lernst für: Studiengang Technischer Umweltschutz: Wasserreinhaltung II

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Thema: Wasserreinhaltung →Vorlesung Wasserreinhaltung II →Enthärtung (Kap. 10)

? Wie ist die Einheit "Grad deutscher Härte" (°dH) definiert?
Ein Wasser, das 10 mg CaO pro Liter enthält, hat die Härte 1°dH. Das entspricht einer Stoffkonzentration von 1/5,6 = 0,18 mmol/l. Von der Summe der Ca²⁺- und Mg²⁺-Konzentration in mmol/l gelangt man über den Faktor 5,6 zur Härte in °dH. So entspricht eine Konzentration von 1 mmol/l an Härtebildnern der Härte 5,6 °dH.

? Welche Härtebereiche gibt es?
I: < 7 °dH, II: 7-14 °dH, III: 14-21 °dH, IV: > 21 °dH
Die Nummer des Härtebereichs entspricht ungefähr der entsprechenden mittleren molaren Konzentration an Härtebildnern
(I: < 1,3 mmol/l, II: 1,3-2,5 mmol/l, II: 2,5-3,8 mmol/l, IV: > 3,8 mmol/l)

? Welche minimale Konzentration an Erdalkalien (Ca²⁺, Mg²⁺) und HCO₃^- sollte bei der Enthärtung nicht unterschritten werden, um eine minimale Pufferkapazität des Wassers zur Korrosionsvermeidung zu erhalten?
Jeweils nicht unter 1,5 mmol/l (entspricht 8,4 °dH).

? Welche Größe sollte die Zielgröße bei der Enthärtung sein?
Die Ca²⁺-Konzentration sollte die Zielgröße sein, da Mg²⁺ keine harten Fällungsprodukte bildet und somit relativ unproblematisch ist [Skript, S. 109].

? Welche Verfahren kommen für eine Enthärtung in Betracht?
Ionentausch, Membranverfahren (z.B. Nanofiltration), Fällungsverfahren (physikalische und chemische Enthärtung).

? Wieviel Mehrkosten würde eine zentrale Enthärtung voraussichtlich verursachen?
Ca. 25 bis 50 Cent pro Kubikmeter Wasser.

? Zu welchem vorrangigen Problem führt die private, dezentrale Enthärtung durch Ionentauscher?
Zu Versalzung.

? Was ist das Grundprinzip der Fällungsverfahren bei der Enthärtung und auf welche verschiedenen Weisen (3) kann es angewendet werden?
Bei den Fällungsverfahren wird das Kalk-Kohlensäure-Gleichgewicht künstlich in den kalkabscheidenden Bereich verschoben. Dies kann durch Dosierung alkalischer Sustanzen (Kalkfällung/Natronlaugefällung), Zufuhr von Carbonat-Ionen CO₃^2- (Sodafällung) oder den Entzug von gelöstem CO₂ (Physikalische Entcarbonisierung durch Belüftung) geschehen.

? Warum ist die Verwendung Na-haltiger Fällmittel im Trinkwasserbereich problematisch?
Weil ein Natrium-Grenzwert von 200 mg/l einzuhalten ist [7, Anlage 3: Indikatorparameter, S. 974].

? Welche drei Fällungen unterscheidet man bei der chemischen Enthärtung und welche Chemikalien kommen dabei zum Einsatz?
1. Kalkfällung mit Ca(OH)₂
2. Sodafällung mit Na₂CO₃
3. Natronlaugefällung mit NaOH.

? Ab welchem pH-Wert fällt Mg²⁺ als Mg(OH)₂ aus?
Erst oberhalb eines pH-Werts von 10,5 fällt Mg(OH)₂ aus, dieser pH-Wert wird bei der Enthärtung in der Trinkwasseraufbereitung i.d.R. nicht erreicht.

? Warum wird die Sodafällung zur Enthärtung bei der Trinkwasseraufbereitung in Deutschland nicht eingesetzt?
Weil 1. keine Entkarbonisierung stattfindet (sondern lediglich eine Verringerung der Ca²⁺-Konzentration) und
2. die Na⁺-Konzentration erhöht wird.

? Wann kann die Natronlauge-Fällung gegenüber der Kalkfällung von Vorteil sein?
Wenn die Ca²⁺-Konzentration verringert werden soll, ohne gleichzeitig die HCO₃^--Konzentration zu stark abzusenken. Im Gegensatz zur Kalkfällung wird bei der Natronlauge-Fällung pro Ca²⁺-Ion nur ein anstatt zwei Hydrogencarbonat-Ionen entfernt.

? Welches sind Hauptargumente für eine zentrale Enthärtung?
1. Energieeinsparung mit resultierender Reduktion von CO₂-Emissionen (Verbesserung des Wärmeübergangs bei der Warmwasseraufbereitung durch Verringerung von Verkalkungen)
2. Verringerung von Schwermetallemissionen (weil harte Wässer auf einen niedrigeren Gleichgewichts-pH eingestellt werden müssen als weiche Wässer und ein niedriger pH-Wert verstärkt zu Korrosion führt).

? Wie groß sind die Aufenthaltszeiten bei der gewöhnlichen und bei der schnellen Langsamentcarbonisierung?
Gewöhnliche Langsamentcarbonisierung: mehrere Stunden,
schnelle Langsamentcarbonisierung: ca. 20 Minuten.

? Wodurch kann die Abscheideleistung bei der Langsamentcarbonisierung erhöht werden?
Durch eine Kreislaufführung des Schlammes, wodurch die Kristallisation gefördert wird.

? Wovon hängt die Abscheideleistung bei der Schnellentcarbonisierung ab?
U.a. von der Qualität der eingesetzten Kalkmilch, Unreinheiten, wie sie in Naturprodukten vorkommen, stören die Kristallisation.

? In welcher Form wird Mg²⁺ bei der Schnellentcarbonisierung abgeschieden und wie groß ist der entfernte Anteil?
Mg²⁺ wird zu zirka 10 bis 20% entfernt, indem MgCO₃ in die CaCO₃-Kristalle eingelagert wird.

? Nach welchem Prinzip funktioniert die Schnellentcarbonisierung?
In einem Wirbelschichtreaktor wachsen CaCO₃-Kristalle, ggf. an Feinsand als Kristalliationskeim zu millimetergroßen Kügelchen (Pellets oder Hartkorn) heran.

? Wie groß ist der Anteil der Kalkkristalle, der auch bei der Schnellentcarbonisierung als Schlamm ausfällt?
Etwa 5 bis 15%.

? Wodurch können die Betriebskosten bei der Schnellentkarbonisierung gedeckt werden?
Durch Verkauf der erzeugten hochreinen Ca-Carbonat-Pellets.

? Wie lautet die Gleichgewichtsreaktion, die bei der physikalischen Entcarbonisierung ausgenutzt wird?
Ca²⁺ + 2 HCO₃^- <--> CaCO₃ + CO₂ + H₂O

? Welche Abscheideraten werden bei der physikalischen Entcarbonisierung erreicht und wodurch lassen sie sich verbessern?
Abscheideraten von 50 bis 70% (entspricht einer Teilentcarbonisierung), Verbesserung durch Kreislaufführung des Feingutes.

? Nenne zwei Vorteile und einen Nachteil der physikalischen Entcarbonisierung!
Vorteil: Kein Chemikalieneinsatz, geringerer Feststoffanfall als bei der Kalkfällung (oder ist das ein Nachteil?),
Nachteil: Energiebedarf für die Belüftung

? Was macht das Verfahren der Nanofiltration zur Wasserenthärtung so teuer?
Der Einsatz von Chemikalien (Schwefelsäure, Na-Metahexaphosphat) zur Vermeidung von Scaling-Effekten an der Membran und die entsprechend schwierige Entsorgung des Konzentrats.

? Welche Stoffe verursachen Scaling-Effekte an der Membran bei der Nanofiltration?
CaCO₃, CaSO₄, BaSO₄

? Welches Ionentauschverfahren kommt im wesentlichen für eine zentrale Wasserenthärtung in Betracht?
Das CARIX-Verfahren.

? Welche Arten von Ionentauscher werden beim CARIX-Verfahren kombiniert?
Ein schwach saurer Austauscher in der Säureform und ein stark basischer Austauscher in der HCO₃^--Form.

? Was entsteht beim Ionentausch mit dem CARIX-Verfahren und warum ist das vorteilhaft?
Es entsteht Kohlensäure, die in CO₂ und Wasser zerfällt. Das CO₂ kann für die Regeneration des Austasuchers verwendet werden. Beim CARIX-Verfahren tritt keine zusätzliche Salzbelastung auf.