Du lernst für: Studiengang Technischer Umweltschutz: Wasserreinhaltung II
Thema: Wasserreinhaltung
→Vorlesung Wasserreinhaltung II
- ! [Skript]: Skript zur Vorlesung Wasserreinhaltung II, TU Berlin, FG Wasserreinhaltung, Prof. Dr.-Ing. Martin Jekel, WS 2002/2003
- ! [Mitschrift]: Vorlesungsmitschrift Wasserreinhaltung II
- ! [Buch]: DVGW, Lehr- und Handbuch Wasserversorgung Bd. 6, Wasseraufbereitung - Grundlagen und Verfahren, Oldenbourg Verlag, 2004
- ! [P!]: Prüfungsprotokolle (mit Vorsicht zu genießen!)
- ! [4]: Riedel, Anorganische Chemie, 4. Auflage, de Gruyter, 1999
- ! [8]: Skript zum Umwelttechnischen Praktikum, Fakultät III - Institut für Technischen Umweltschutz - TU-Berlin, 2002
- ? Wodurch kann die Flockenbildung verbessert werden?
- Durch Schlammschwebeschichten mit ggf. pulsierendem Rohwasserstrom
- Durch Rückführung eines Teils des sedimentierten Flockenschlamms in die (meins Mikro-)Flockungsstufen (Schlammkontaktverfahren)
- ? Welche Oberflächeneigenschaften der abzutrennenden Wasserinhaltsstoffe sind für das Flotationsergebnis entscheidend?
- Die Benetzbarkeit der Oberflächen. Hydrophobe Feststoffoberflächen sind schlecht benetzbar, was die Anlagerung von Luftblasen begünstigt. Hydrophile Oberflächen sind gut benetzbar, wodurch anhaftende Luftblasen leicht wieder abgetrennt werden können. [Skript, S. 44]
- ? Wie muss die Blasengröße bei der Flotation verändert werden, um niedrigere Restgehalte an Partikeln im Wasser und einen höheren Feststoffgehalt im Schlamm zu erzielen?
- Die Größe der Blasen muss verringert werden, damit sich an kleineren Partikeln mehr Blasen anlagern können. [Skript, S. 45]
- ? Wie wird der bei der Flotation entstehende Schaum bezeichnet?
- Als Flotat.
- ? Was besagt das Gesetz von Henry-Dalton?
- Es besagt, dass bei konstanter Temperatur die in einer Flüssigkeit gelöste Gasmenge dem Partialdruck des Gases in der Luft proportional ist. [Skript, S. 46]
- ? Bei der Druckentspannungsflotation bestimmt der Sättigungsdruck nicht nur die Menge der bei der Entspannung freiwerdenden Gasmenge sondern auch ...
- die Größe der entstehenden Blasen.
- ? Wie verhält sich die Blasengröße der bei der Druckentspannungsflotation entstehenden Blasen zum Druck, unter dem das Wasser gesättigt wurde?
- Die Blasengröße nimmt mit zunehmendem Druck ab. Ab 5 bar ändert sich die Blasengrößenverteilung jedoch nicht mehr wesentlich.
- ? Welche Beschaffenheit haben die Rohwässer in Florida oft?
- Hohe Huminstoffgehalte und hohe Härtegrade, deshalb Einsatz von Nanofiltration [Buch, S. 193]
- ? Nenne einen wesentlichen Unterschied zwischen Umkehrosmose (UO) und Elektrodialyse (ED) in bezug auf die zurückgehaltenen Komponenten!
- Beide Verfahren entfernen Salze, also Ionen und haben dabei in etwa die gleiche Entsalzungsleistung. Während bei der UO die Membran jedoch eine physikalische Barriere darstellt, die nur das Lösungsmittel (Wasser) durchlässt, wirkt die ED nur auf Ionen, so dass andere Wasserinhaltsstoffe im Wasser verbleiben. [Buch, S. 194]
- ? Warum wird Phenol bei der Umkehrosmose durch eine Celluloseacetatmembran vergleichsweise schlecht zurückgehalten?
- Weil sich Phenol sehr gut in Celluloseacetat löst und der Transport durch die Membran gemäß dem Lösungs-Diffusions-Modell neben der Diffusionsfähigkeit durch die Membran auch von der Löslichkeit des Stoffes in der Membran abhängt. [Buch, S. 194]
- ? Wodurch ist eine Nanofiltrationsmembran gekennzeichnet?
- Eine Nanofiltrationsmembran ist eine feinporöse Membran mit Oberflächenladungen (Porendurchmesser um 1 nm) [Buch, S. 195].
- ? Wodurch werden die (i.d.R. negativen) Oberflächenladungen auf der Nanofiltrationsmembran hervorgerufen?
- Meist durch organische Carbon- oder Sulfonsäuregruppen (-COO- oder -SO3-) [Buch, S. 195].
- ? Welche Wasserinhaltsstoffe werden aufgrund der negativen Oberflächenladung bei der Nanofiltration sehr gut zurückgehalten?
- Insbesondere mehrwertige Anionen. Auch mehrwertige Kationen werden zurückgehalten, was vermutlich auf deren relativ große Hydrathülle zurückzuführen ist. [Buch, S. 195]
- ? Werden Umkehrosmose- oder Nanofiltrations-Anlagen mit Rezirkulation betrieben?
- Nein, Umkehrosmose- und Nanofiltrations-Anlagen werden ohne Rezirkulation, dafür aber in konzentrationsseitiger Hintereinanderschaltung betrieben [Buch, S. 196].
- ? Welche Verfahrensmöglichkeiten unterscheidet man bei den Membranverfahren in bezug auf die Fließrichtung?
- Man unterscheidet Cross-Flow-Verfahren (Membran wird parallel überströmt) und Dead-End-Verfahren (Membran wird senkrecht durchströmt).
- ? Unter welcher Voraussetzung kann die Ultrafiltration neben der Rezirkulation im Cross-Flow auch im Dead-End-Modus (ohne Rezirkulation) betrieben werden?
- Bei geeigneter Zulaufqualität [Buch, S. 196].
- ? Welches sind wichtige Kenngrößen zur Charakterisierung eines Membranprozesses?
- Rückhaltung und Ausbeute [Buch, S. 196]
- ? Wie ist die Rückhaltung (R) definiert?
- R = 1 - cPermeat/cZulauf
- ? Wie ist die Ausbeute (Phi) bzw. der Water Conversion Factor (WCF) definiert?
- Phi = WCF = VolumenstromPermeat/VolumenstromZulauf
[Skript, S. 53] bzw. [Buch, S. 196]
- ? Je höher die Ausbeute, desto ... die Konzentrationspolarisation mit der Gefahr einer ....
- ... größer ... Deckschichtbildung [Buch, S. 196].
- ? Wie erreicht man eine Verringerung der Konzentrationspolarisation?
- Durch 1. Erhöhung der Überströmgeschwindigkeit oder
2. Verringerung des Wasserflusses durch die Membran [Buch, S. 197].
- ? Warum liegen die Ausbeuten bei Umkehrosmose und Nanofiltration nur zwischen 75 und 85%?
- Bei höheren Ausbeuten steigt die Gefahr des Scalings durch Überschreitung der Löslichkeitsgleichgewichte der Salze auf der Konzentratseite der Membran [Buch, S. 197].
- ? Wie hoch ist der osmotische Druck von Meerwasser?
- Zirka 30 bar [Buch, S. 198].
- ? Welche Forderungen (7) sollten Membranen erfüllen?
- Selektive Eigenschaft (z.B. Salzrückhaltung)
- hohe Durchlässigkeit für Wasser
- hohe Druckfestigkeit
- Temperaturbeständigkeit
- chemische und bakterielle Resistenz (Hydrolyse von Celluloseacetat bei hohen pH, Cl2 zersetzt Polyamide)
- Widerstandsfähigkeit gegenüber Reinigungsverfahren
- geringe Kosten
[Buch, S. 200]
- ? In welchem Bereich der Wasseraufbereitung werden eher Platten- und Rohrmodule, in welchem eher Wickelmodule verwendet?
- Bei hochbelasteten Abwässern: Platten- und Rohrmodule wegen guter Reinigungsmöglichkeit
Trinkwasseraufbereitung: Wickelmodule, weil Wässer oft geringe Neigung zur Belagbildung haben und so auf gute Reinigungsmöglichkeit zugunsten hoher Packungsdichte verzichtet werden kann [Buch, S. 201].
- ? Wie groß ist die Membranfläche pro m³ beim Wickelmodul?
- Etwa 1000 m² pro m³ Modul [Buch, S. 201]
- ? Wie groß ist der Permeatfluss pro Modulvolumen beim Wickelmodul?
- Der Durchfluss beträgt etwa 25 bis 50 m³ Permeat pro m³ Modul und Stunde [Buch, S. 201]
- ? Wie groß ist die durchschnittliche Ausbeute pro Wickelelement bei der Umkehrosmose (UO) bzw. Nanofiltration (NF) bei den meisten Anlagen der Trinkwasseraufbereitung?
- Ca. 10% Ausbeute pro Wickelelement [Buch, S. 202] (Widerspruch zu [Buch, S. 197]: Ausbeuten von 75 bis 85% bei UO/NF?)
- ? Durch welche Effekte machen sich Membranverblockungen durch Fouling bzw. Scaling bemerkbar?
- Verringerung des Permeatstroms
- Verringerung der Rückhaltung
- Erhöhung des Druckverlustes in einem Modul
- ? Skizziere die zeitliche Änderung des Permeatvolumenstroms durch eine Umkehrosmose-Anlage bei guter Zulaufqualität und im Vergleich dazu bei schlechter bzw. mangelhafter Zulaufqualität mit periodischen Spülungen! Welche Tendenzen lassen sich feststellen?
- Siehe [Buch, S. 203]. Tendenzen:
- Die Zeiten zwischen zwei Spülungen verringern sich.
- Der direkt nach einer Spülung erreichbare Permeatstrom nimmt mit der Anzahl erfolgter Spülungen ab, da die Beläge nicht vollständig entfernt werden und evtl. Membranschädigungen auftreten.
- ? Welche Arten von Ablagerungen umfasst der Begriff Fouling?
- Die Ablagerungen von Kolloiden, Mikroorganismen und Metalloxiden [Buch, S. 203].
- ? Wie lassen sich Fouling verursachende Inhaltsstoffe vor der Umkehrosmose bzw. Nanofiltration entfernen?
- Durch eine Vorbehandlungsstufe mit Flockungsfiltration oder Ultrafiltration [Buch, S. 203].
- ? Welche durch einen Filterversuch ermittelte Größe wird häufig zur Charakterisierung der Foulingneigung eines Wassers verwendet und wie wird sie berechnet?
- Der Kolloidindex (KI), auch Silt Density Index (SDI) genannt. Der KI-Wert wird berechnet gemäß
KI = (1 - t1/t2) * 100 / (15 min),
wobei t1 und t2 die Zeiten sind, die benötigt werden, um 500 ml des zu charakterisierenden Rohwassers zu Beginn des Versuchs bzw. 15 min nach Versuchsbeginn durch einen Filter mit 0,45 µm Porendurchmesser zu filtrieren. [Buch, S. 204]
- ? Welchen Wert kann der Kolloidindex maximal erreichen?
- Gemäß der Formel für die Berechnung des Kolloidindex kann der KI-Wert maximal 6,67 betragen [Buch, S. 204].
- ? Wie groß soll der Kolloidindex für Wickelmodule sein, wie groß für Hohlfasermodule?
- Meist kleiner als 4 bis 5 für Wickelmodule, kleiner als 3 für Hohlfasermodule [Buch, S. 204].
- ? Ist der Kolloidindex proportional zur Konzentration der verblockenden Substanz?
- Nein [Buch, S. 206].
- ? Warum stellt das Einhalten des geforderten maximalen Kolloidindexes (KI) keine Gewähr für störungsfreien Betrieb der Umkehrosmose-Anlage dar?
- Weil sich die Testbedingungen zur Bestimmung des KI-Werts von den Betriebsbedingungen im Modul unterscheiden
(Test: Dead-End, Modul: Cross-Flow, Druck, Membran unterschiedlich) [Buch, S. 204f].
- ? Wessen Entfernung ist i.d.R. aufwändiger, die der Fouling verursachenden Substanzen oder die der Scaling verursachenden Substanzen?
- Die Entfernung der Scaling verursachenden Substanzen ist i.d.R. aufwändiger [Buch, S. 205].
- ? Wovon hängt die Löslichkeit von CaCO3 als Scaling verursachender Substanz ab?
- Von der Temperatur, der Ionenstärke und vom pH-Wert [Buch, S. 205].
- ? Welches ist die einfachste Vorbehandlungsmaßnahme zur Vermeidung von Scaling durch CaCO3?
- Säuredosierung, dabei entsteht durch Verschiebung des Kohlensäuregleichgewichts CO2, das durch die Membran hindurchdringen kann [Buch, S. 205].
- ? Nenne zwei Scaling-Inhibitoren, worauf beruht deren Wirkung und worauf ist zu achten?
- Natriumhexametaphosphat (NaHMP) und Polyacrylsäure sind Scaling-Inhibitoren. Ihre Wirkung beruht auf der (Bildung von Komplexen und der dadurch?) starken Verzögerung der Kristallisation. Beim Einsatz der Scaling-Inhibitoren ist die Konzentratentsorgung besonders zu beachten. [Buch, S. 205]
- ? Wovon hängt die Löslichkeit der Scaling verursachenden Sulfate hauptsächlich ab?
- Von Temperatur und Ionenstärke [Buch, S. 205].
- ? Was ist zu tun, wenn die Dosierung von Scaling-Inhibitoren nicht ausreicht, um Scaling durch Sulfate zu vermeiden?
- Enthärtung vorschalten oder
- Ausbeute verringern
[Buch, S. 205]
- ? Wie muss das Permeat aus Umkehrosmose bzw. Nanofiltration bei der Trinkwasseraufbereitung ggf. nachbehandelt werden?
- Ausgasen von überschüssigem CO2
- Verschnitt mit gereinigtem Rohwasser
- Kalkmilch-Dosierung zur pH-Weinstellung (Meerwasserentsalzung)
[Buch, S. 206]
- ? Die Verringerung des Permeatstroms mit der Betriebsdauer des Umkehrosmose-/Nanofiltrations-Moduls ist eine Funktion von ...?
- ... Druck und Temperatur [Buch, S. 206]
- ? Wie ist die Salzpassage S definert und wie hängt sie mit der Rückhaltung R zusammen?
- Die Salzpassage ist definiert als Verhältnis der Konzentrationen eines Salzes im Permeat und im Zulauf:
S = cPermeat / cZulauf
Mit der Rückhaltung R besteht die Beziehung R = 1 - S. [Buch, S. 208]
- ? Wie lässt sich die Salzpassage im praktischen Betrieb abschätzen?
- Aus Messungen an einer Testanlage über die Beziehung
S = S0 * Druckdifferenz0 / Druckdifferenz,
wobei sich S0 und Druckdifferenz0 auf die Messungen an der Testanlage beziehen. [Buch, S. 208]
- ? Wie verändert sich bei der Umkehrosmose bzw. Nanofiltration die Salzpassage bei Veränderung der transmembralen Druckdifferenz?
- Salzpassage und Druckdifferenz verhalten sich antiproportional: Mit Erhöhung der Druckdifferenz verringert sich die Salzpassage, mit Verringerung der Druckdifferenz erhöht sie sich. [Buch, S. 208]
- ? Wovon hängt die Rückhaltung bei der Umkehrosmose ab?
- Von der transmembralen Druckdifferenz sowie in geringem Maße von der Temperatur, dem pH-Wert und der Salzkonzentration. [Buch, S. 209]
- ? Welche Rückhalte-Eigenschaften zeigen Umkehrosmose-Membranen in bezug auf Ionen, organische Stoffe, Isomere, dissoziierbare Stoffe und gelöste Gase?
- Die Rückhaltung ist umso besser, je
- höher die Ionenwertigkeit
- größer die Molmasse bei organischen Stoffen
- mehr Verzweigungen Isomere haben
Die Rückhaltung eines dissoziierbaren Stoffes ist pH-abhängig, wenn auch seine Dissoziation pH-abhängig ist. Gelöste Gase permeieren gut. [Buch, S. 209]
- ? Was ist bei der Umkehrosmose (UO) größer, Nitratrückhaltung oder Gesamtsalzrückhaltung?
- Die Gesamtsalzrückhaltung ist größer, deshalb ist der Einsatz der UO zur Nitratentfernung nur sinnvoll, wenn gleichzeitig eine Entsalzung bzw. Enthärtung durchgeführt werden muss. [Buch, S. 209]
- ? Wofür werden Umkehrosmose-Anlagen u.a. in den Niederlanden eingesetzt?
- Für die Enthärtung, gleichzeitig werden Pflanzenbehandlungs- und Schutzmittel (PBSM) effektiv entfernt sowie der Chloridgehalt verringert. [Buch, S. 209]
- ? Welche Besonderheit weist die Nanofiltration gegenüber der Umkehrosmose und der Ultrafiltration in Bezug auf die Rückhaltung von (An-)Ionen auf?
- Bei der Nanofiltration hängt die Rückhaltung einwertiger Ionen stark von der Salzkonzentration ab, die Rückhaltung nimmt mit steigender Salzkonzentration ab. Darüber hinaus werden mehrwertige Ionen viel stärker zurückgehalten als einwertige. Dafür werden elektrostatische Abstoßungskräfte zwischen der meist negativ geladenen Membranoberfläche und den (An-)Ionen verantwortlich gemacht. Eine erhöhte Salzkonzentration führt zu einer besseren Abschirmung der Oberflächenladungen. [Buch, S. 210]
- ? Welche Wasserinhaltsstoffe lassen sich mit der Nanofiltration gut zurückhalten?
- Härtebildner
- Sulfat
- organische Störstoffe (DOC-Eliminierung i.d.R. > 90%)
- Pflanzenbehandlungs- und -schutzmittel (PBSM), abhängig von Membrantyp, Größe, Struktur und Ladung (ggf. pH-abhängige Dissoziation) der PBSM-Moleküle
[Buch, S. 211]
- ? Wo befindet sich die erste deutsche Meerwasserentsalzungsanlage?
- Auf Helgoland.
- ? Welche Maßnahmen zur Vorbehandlung wurden in der Meerwasserentsalzungsanlage auf Helgoland ergriffen und welche Probelme haben sich daraus ergeben?
- Flockungsfiltration und Desinfektion mit Hypochlorit zur Inaktivierung von Mikroorganismen und Plankton. Es kam zu Problemen mit halogenierten Kohlenwasserstoffen im Konzentrat, das in die Nordsee zurückgeführt wird, und im Permeat. [Buch, S. 213]
- ? Welche Art der Vorbehandlung geschieht bei der Meerwasserentsalzung auf Malta?
- Nach einer Uferfiltration, nach der die biologische Aktivität bereits stark herabgesetzt ist, folgen Kerzenfilter (wozu genau?) und Säurezugabe (um Scaling durch CaCO3 zu vermeiden), bevor die Umkehrosmose stattfindet. [Buch, S. 213]
- ? Welches Verfahren wird in Duderstadt zur Sulfatentfernung angewendet?
- Die Umkehrosmose.
Vorbehandlung: Flockungsfiltration, Konditionierung mit Säure und NaHMP (zur Verhinderung von CaCO3- und CaSO4-Scaling)
Nachbehandlung: CO2-Entfernung aus Permeat, Verschnitt mit Rohwasser, Natronlauge zur pH-Einstellung [Buch, S. 215]
- ! Im Bereich der Ultrafiltration und Mikrofiltration ist zurzeit weltweit ein exponentielles Wachstum der installierten Kapazität und Anlagenanzahl zu beobachten.
- ? In welchen Ländern befinden sich die zurzeit größten Ultrafiltrations-/Mikrofiltrations-Anlagen und wie ist die Größenordnung der Produktionskapazitäten?
- Frankreich, England, USA (Kapazitäten zwischen 6.500 und 10.000 m³/h) [Buch, S. 216]
- ? Mit Hilfe welchen Verfahrens lassen sich Filterrückspülwässer aus Enteisenungs-/Entmanganungsfiltern aufbereiten?
- Mit Hilfe der Mikrofiltration und Ultrafiltration, die partikuläre Wasserinhaltsstoffe wie die unlöslichen Eisenhydroxide und Mangan-Oxide gut zurückhalten. [Buch, S. 217]
- ? Welche Membranmaterialien neigen mehr zu Fouling, hydrophile oder hydrophobe?
- Hydrophobe Materialien neigen mehr zu Fouling.
- ? Welche Materialien wurden bzw. werden für die Membranen bei der Ultrafiltration bzw. Mikrofiltration eingesetzt?
- Celluloseacetat: hydrophil und deshalb weniger Fouling-anfällig als hydrophobe Materialien, jedoch biologisch zersetzbar
Poly(ether)sulfon, Polypropylen (Mikrofiltration)
Anorganische Materialien sind zu teuer. [Buch, S. 218]
- ? Welche Membranarten unterscheidet man bei der Ultra-/Mikrofiltration und welchen Durchmesser haben die entsprechenden Kapillaren?
- Rohrmembranen: > 10 mm
Kapillarmanen: 0,5 - 10 mm
Hohlfasermembranen: < 0,5 mm
[Buch, S. 219]
- ? Welches Verfahren dient wirksam der Entfernung gelöster organischer Störstoffe?
- Die Adsorption an Aktivkohle [Buch].
- ? Die adsorptive Störstoffentfernung ist umso wirkungsvoller, je ... die Störstoffe sind.
- ... unpolarer ... [Buch].
- ? Warum ist die adsorptive Störstoffentfernung umso wirkungsvoller, je unpolarer die Störstoffe sind?
- Weil 1. die Aktivkohle-Oberfläche auch unpolare Eigenschaften besitzt und
2. Wasser ein stark polares Lösungsmittel ist [Buch].
- ? Nenne Beispiele für unpolare organische Stoffe!
- Kohlenwasserstoffe, Chlorkohlenwasserstoffe, viele Wirkstoffe von Pflanzenschutzmitteln [Buch, S. 274].
- ? Welche zwei Verfahrensarten unterscheidet man bei der Adsorption?
- Dosierung eines pulverförmigen Sorbens
- Anwendung von körnigem Material in einem Festbettadsorber
- ? Wieviel kostet in etwa ein Kilogramm Aktivkohle (Stand: 2001)?
- Zwischen 1,00 und 2,50 EUR. [Skript, S. 71]
- ? Stelle beispielhaft eine Porenverteilung einer Aktivkohle in einem Diagramm dar. Welche Größen stehen auf den Achsen?
- Siehe [Skript, S. 73]. Es wird delta V/delta log R gegenüber log R aufgetragen. Was bedeutet delta V/delta log R?
- ? Durch welche Art der Poren kommt vor allem die innere Oberfläche zustande und welchen Anteil an dieser machen sie aus?
- Die innere Oberfläche kommt vor allem durch die Mikroporen zustande. Sie machen ca. 95% der gesamten inneren Oberfläche aus.
- ? Warum wird die Adsorption von Stoffen mit mittleren molaren Massen (102 bis 104 g/mol) an Aktivkohle begünstigt?
- Einerseits adsorbieren größere Moleküle besser aufgrund vieler Kontaktstellen, andererseits können zu große Moleküle nicht in die Mikroporen gelangen.
- ? In welcher Form werden Sorptionsgleichgewichte normalerweise dargestellt?
- In Form von Isothermen. Diese gelben für eine bestimmte Temperatur und stellen die Abhängigkeit der Gleichgewichtsbeladung von der Gleichgewichtskonzentration dar.
- ? Wie lautet die Gleichung, die die Langmuir-Isotherme beschreibt?
- Sie lautet: q = q * KL * c / (1 + KL * c).
Dabei sind q und c die Gleichgewichtsbeladung bzw. -konzentration, qm ist die maximale Beladung und KL ist der Quotient der Geschwindigkeitskontanten für Adsorption und Desorption.
- ? Wie lautet eine Linearisierung der Langmuir-Isotherme?
- Sie lautet: 1/q = 1/qm + 1/(qm * KL) * 1/c.
- ? Welche Bedeutung haben die Parameter qm und KL der Langmuir-Isotherme und wie wirken sie sich auf die Form der Isotherme aus?
- qm: maximale Kapazität des Sorbens für das Sorptiv, Höhe der Asymptote in der graphischen Abbildung.
KL: Verhältnis der Geschwindigkeitskontanten von Adsorpution und Desorption, spiegelt sich in der Anfangssteigung der Kurve wider. Je größer KL, desto steiler verläuft die Kurve am Anfang.
- ? Wie lautet die Gleichung der Freundlich-Isotherme und wie werden die Konstanten bezeichnet?
- q = KF * cn mit
KF: Freundlich-Konstante und
n: Freundlich-Exponent.
- ? In welchem Bereich liegen die Werte für den Freundlich-Exponenten für gewöhnlich?
- Meistens zwischen 0,1 und 0,6 (häufig 0,2).
- ? Wofür ist die Fruendlich-Konstante KF ein Maß und wofür der Freundlich-Exponent?
- KF ist ein Maß für die Adsorbierbarkeit des Sorptivs an das Sorbens, n kann als Maß für die Heterogenität, also Ungleichförmigkeit der Sorbensoberfläche betrachtet werden.
- ? Welche Vereinfachug trifft der Transportansatz bei der Filmdiffusion?
- Der Transportansatz geht von einem linearen Konzentrationsgefälle innerhalb der flüssigen Grenzschicht um das Korn aus und besagt, dass der spezifische Stoffstrom je Fläche zum Konzentrationsgefälle proportional ist: spez. Stoffstrom = betaL * (c(t) - c*(t)).
- ? Wie kann man den Stoffübergangskoeffizienten der Filmdiffusion experimentell ermitteln?
- In einen gut durchmischten Reaktor fügt man zu einem Wasservolumen V, das das Adsorptiv in der Konzentration c0 enthält, Aktivkohle der Masse m. Man misst für möglichst viele Zeitpunkte der Anfangsphase die sich einstellende Sorptivkonzentration. Trägt man log(c/c0) über die Zeit auf, so lässt sich betaL aus der Steigung der Ausgleichsgeraden ermitteln, die nämlich mit -m/V * aS * betaL gegeben ist.
- ? Wie sind Aktivkohlefilter in Bezug auf Korngröße, Betthöhe, Filtergeschindigkeit und Verweilzeit typischerweise ausgelegt?
- Korngröße: 0,5 bis 4 mm
Betthöhe: 1 bis 4 m
Filtergeschwindigkeit: 5 bis 15 m/h
Verweilzeit: 5 bis 30 min
- ? Was versteht man unter Bettvolumen?
- Darunter versteht man das auf das Filtervolumen bezogene durchgesetzte Volumen: Hat ein Filter ein Volumen von 10 m³ und sind 200 m³ hindurch geflossen, so entspricht dies einem Durchsatz von 20 Bettvolumina. In Durchbruchskurven werden oft die Ablaufkonzentrationen in Abhängigkeit von den durchgesetzten Bettvolumina aufgetragen.
- ? Welcher Stoff einer zu entfernenden Stoffgruppe bestimmt bei der Adsorption an Aktivkohle die Filterlaufzeit?
- Der am schlechtesten adsorbierbare Stoff der Gruppe.
- ? Um die Entfernung welcher Problemstoffe ging es ursprünglich bei der Entwicklung der Aktivkohlefilter?
- Es ging damals um die Entfernung von Pflanzenbehandlungs- und -schutzmitteln (PBSM). [Mitschrift]
- ? Mit welchem Absorbens kann man Arsenat aus dem Wasser entfernen?
- Mit Eisenhydroxid oder Aktivtonerde (Al2O3) [Skript, S. 93]
- ? Wie erkennt man die tatsächliche biologische Wirksamkeit eines Aktivkohlefilters? [P!]
- Bestimmung von Stoffwechselparametern im Zu- und Ablauf, z.B. Sauerstoff-Konzentration (erwartet: Abnahme), CO2-Konzentration (erwartet: Zunahme) [P!]
- ? Zeichne eine DOC-Durchbruchskurve bei einem Aktivkohlefilter, wobei einige Stoffe nicht adsorbieren! [P!]
- Siehe [Skript, S. 92].
- ? Bei welchen Wasseraufbereitungsverfahren wird das Ausgasen eines Stoffes aus Wasser angestrebt?
- Bei der Entsäuerung und bei der physikalischen Entcarbonisierung. [Skript, S. 94]
- ? Wie lautet das Henry-Dalton-Gesetz?
- Es lautet: ci = KH,i * pi, mit
ci: Konzentration von Gas i in der Flüssigkeit
KH,i: Henry-Konstante und
pi: Partialdruck von Gas i in der Gasphase
- ? Wie groß ist die Sättigungskonzentration von Sauerstoff in Wasser bei 15 °C?
- Ungefähr 10 mg/l.
0 °C: 14,6 mg/l, 10 °C: 11,3 mg/l, 20 °C: 9,1 mg/l, 25 °C: 8,3 mg/l
[8, Teil WRH, S. 20]
- ! Der gasseitige Stoffübergang ist i.d.R. schneller als der flüssigkeitsseitige und kann daher vernachlässigt werden.
- ? Wovon hängt die Filmdicke beim Gasaustausch ab?
- Die Filmdicke ist abhängig von der Turbulenz auf Gas- und Flüssigkeitsseite.
- ? Wie sieht der zeitliche Konzentrationsverlauf c(t) bei Absorption/Desorption eines Gases in einer Flüssigkeit aus?
- Siehe [Skript, S. 96]
- ? Warum ist die Zielkonzentration beim Gasaustausch nicht die Sättigungskonzentration?
- Weil diese nur mit unverhältnismäßigem Aufwand (z.B. lange Kontaktzeit) zu erreichen ist.
- ? Welches Ziel wird beim Gasaustausch verfolgt?
- Es wird eine Minimierung der Zeit bis zum Erreichen der Zielkonzentration im Wasser angestrebt.
- ? Welche Aus- bzw. Begasungsgrade werden erzielt?
- Selten über 90 bis 95%.
- ? Auf welche möglichen Probleme muss beim Ausgasen geachtet werden?
- Schadstoffe in der Abluft, Zuluft muss gefiltert werden, um z. B. Mikroorganismen abzutrennen.
- ? Stellen Sie die Konzentrationsverläufe beim Gleich- und Gegenstromverfahren der Belüftung/Entgasung dar [P!]!
- Siehe [Mitschrift], bei mir in [Skript, S. 100]
- ! Bei der Belüftung gehen kaum AOX aus dem Wasser raus [P!]
- ? Welchen pH-Bereich schreibt die Trinkwasserverordnung vor?
- 6,5 <= pH <= 9,5
- ? Wie hoch darf die Calcitlösekapazität am Wasserwerksausgang höchstens sein?
- Max. 5 mg/l. Diese Bedingung gilt als erfüllt, wenn pH > 7,7
- ? Wie hoch darf die Calcitlösekapazität bei Mischung verschiedener Wässer im Leitungsnetz höchstens werden?
- Max. 10 mg/l.
- ? Sind Grundwässer aus Buntsandsteingebieten hart oder weich?
- Die Wässer aus Buntsandsteingebieten sind sehr weich [Skript, S. 101]
- ? Worauf beruht die Aushärtung von Zement und worauf die Zementkorrosion?
- Die Aushärtung beruht auf der Umwandlung von Ca-Hydroxid (Ca(OH)2) zu dichtendem CaCO3 ("Carbonatisierung des Zements"). Zementkorrosion beruht auf dem Herauslösen des CaCO3 aus dem Zement durch calcitlösendes Wasser.
- ? Wie ist die Ionenstärke definiert?
- Als die Hälfte der Summe aus den Produkten der einzelnen Ionenkonzentrationen c(i) und den Quadraten der zugehörigen Ladungszahlen z(i):
Ionenstärke = 1/2 * Summe(c(i) * z(i)2)
- ? Zeichne das Verteilungsdiagramm für die drei Kohlensäureformen für T = 25 °C und eine Ionenstärke von 0 mol/l mit den charakteristischen Punkten (c(CO2) = c(HCO3-), c(CO2) = c(CO32-), c(HCO3-) = c(CO32-))!
- Siehe [Skript, S. 103].
- ? Wie lautet die Tillmanns-Gleichung und welche Abhängigkeit stellt sie dar?
- Die Tillmanns-Gleichung lautet: c(CO2) = KS,2 / (KS,1 * LCaCO3) * c(HCO3-)3
Die Gleichung stellt die Abhängigkeit der CO2-Konzentration von der HCO3--Konzentration in einem sich im Kalk-Kohlensäure-Gleichgewicht befindlichen Wasser, bei dem die Ca2+-Konzentration etwa der halben Hydrogencarbonat-Konzentration entspricht, dar.
- ? Zeichne das Tillmanns-Diagramm für das Kalk-Kohlensäure-Gleichgewicht bei Wässern mit der Eigenschaft c(Ca2+) ungefähr gleich 1/2 * c(HCO3-), T = 25 °C, Ionenstärke = 0 mol/l!
- Siehe [Skript, S. 105].
- ? Welche Art von Wässern (kalkabscheidend oder kalklösend) repräsentieren die Punkte oberhalb der Tillmannskurve, welche die Punkte unterhalb?
- Die Punkte oberhalb der Tillmannskurve repräsentieren kalklösende Wässer (deren pH-Wert kleiner ist als der Gleichgewichts-pH-Wert) und die Punkte unterhalb der Kurve repräsentieren kalkabscheidende Wässer (deren pH-Wert oberhalb des Gleichgewichts-pH-Wertes liegt).
- ? Je höher die Hydrogencarbonat-Konzentration im Wasser ist, desto ... ist der pH-Wert, der sich im Kalk-Kohlensäure-Gleichgewicht einstellt.
- ... niedriger ...
- ? Wie lautet die Gleichung für die chemische Lösung von Kalkstein?
- CaCO3 + CO2 + H2O <--> Ca2+ + 2 HCO3-
- ? Wie ist der Sättigungsindex definiert?
- SI = pHreal - pHGleichgewicht [Skript, S. 105]
- ? Was ist die Aufgabe der Entsäuerung?
- Anhebung des pH-Wertes, bis der Sättigungsindex nahe bei Null liegt. Dazu muss die überschüssige, sog. kalklösende Kohlensäure entfernt (physikalische Entsäuerung) oder neutralisiert (chemische Entsäuerung) werden. [Skript, S. 106]
- ? Was passiert, wenn bei der Entsäuerung zu viel CO2 ausgeblasen wird?
- Es kommt zur Ausfällung von CaCO3. [Skript, S. 106]
- ? Wann wird bevorzugt die physikalische Entsäuerung eingesetzt?
- Bei einem großen Unterschied zwischen tatsächlicher CO2-Konzentration und zu erzielender Gleichgewichts-Konzentration (mehr als 0,2 bis 0,5 mol/m³ Differenz).
- ? Wie lautet die Gleichung der bei der Marmorfiltration zur Entsäuerung ablaufenden Reaktion?
- CO2 + H2O + CaCO3 <--> Ca2+ + 2 HCO3-
- ? Welche gesundheitlichen Bedenken gibt es gegenüber niedrigen pH-Werten?
- Keine direkten, jedoch führen niedrige pH-Werte zu einer erhöhten Löslichkeit von Metallen wie Kupfer, Blei. Kupfer steht in Verdacht, frühkindliche Leberzirrhose hervorzurufen.
- ? Welche Verfahren der Entsäuerung unterscheidet man?
- Grundsätzlich unterscheidet man zwischen physikalischer und chemischer Entsäuerung. Physikalische Entsäuerung geschieht durch Gasaustausch (Ausblasen, Strippen), chemische Entsäuerung durch Dosierung alkalischer Stoffe (NaOH, Ca(OH)2) oder Filtration über alkalische Stoffe (Marmor, Dolomit).
- ? Wieviel mg/l CO2 können sich in offenen Systemen maximal im Wasser lösen?
- Maximal etwa 0,6 mg/l CO2.
- ? Welches Problem kann sich bei der Entsäuerung mit Natronlauge ergeben?
- Sehr hohe pH-Werte an der Dosierstelle können zum Ausfallen von CaCO3 und zur Belagbildung führen.
Abhilfe: vorherige Verdünnung der Natronlauge.
- ? Die Konzentrationen welcher Stoffe nehmen bei den chemischen Entsäuerungsverfahren zu?
- Die HCO3--Konzentration und teilweise auch die Ca2+-Konzentration nimmt zu. Bei Dosierung von NaOH steigt die Natrium-Konzentration im Wasser.
- ? Wie hoch ist der Grenzwert für Na+ laut Trinkwasserverordnung?
- 200 mg/l [7, Anlage 3: Indikatorparameter, S. 974].
- ? Was ist die Juraperle?
- Ein besonders poröses Filtermaterial bei der chemischen Entsäuerung mit alkalischen Materialien [Skript, S. 108].
- ? Was versteht man unter der Härte eines Wassers?
- Seinen Gehalt an Erdalkali-Ionen [Skript, S. 109]
- ? 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)
- ? Sind die Grundwässer in Gipssteingebieten hart oder weich?
- Hart.
- ? 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 CO32- (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.
- ? Welche Verfahrensvarianten unterscheidet man bei der Entcarbonisierung?
- Langsamentkarbonisierung und Schnellentkarbonisierung.
- ? 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%.
- ? Welcher Industriezweig benötigt u.a. hochreines CaCO3?
- Die Papierindustrie (u.a. für Zigarettenpapier)
- ? 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
- ? Welche Membranverfahren kommen prinzipiell für die Enthärtung in Frage?
- Nanofiltration und Elektrodialyse
- ? 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.
- ? Wie wirkt sich eine Vorozonung auf die DOC-Anteile aus?
- Der nicht adsorbierbare Anteil steigt, da kleinere und (durch den Einbau von Sauerstoffatomen) polarere Moleküle entstehen.
- ? Wie lautet §4, Absatz 1 der Trinkwasserverordnung (2001)?
- "Wasser für den menschlichen Gebrauch muss frei von Krankheitserregern, genusstauglich und rein sein."
- ? Wann ist eine Totaloxidation sinnvoll?
- Nur bei sehr hohen DOC-Gehalten, wie bei spezifischen industriellen Abwässern oder Deponiesickerwässern. Totaloxidation erfordert einen hohen spezifischen Oxidationsmittelverbrauch.
- ? Wie lautet die Nernst'sche Gleichung und welche Abhängigkeit beschreibt sie?
- Die Nernst'sche Gleichung beschreibt die Abhängigkeit des Redoxpotentials E eines Redox-Paares von den auftretenden Konzentrationen:
E = E0 + 0,059/n * log([Ox.]/[Red.])
E0 bezeichnet das Normalpotential, n die Anzahl der übertragenen Elektronen und [Ox.] bzw. [Red.] ist jeweils das Produkt der auf der betreffenden Seite der Redoxhalbreaktion auftretenden Konzentrationen.
- ? Welches Redoxpotential wird für eine gute Desinfektionswirkung benötigt?
- Mindestens 0,46 V, besser sind 0,6 V.
- ? Wofür ist das Redoxpotential ein Maß, worüber macht es aber keine Aussage?
- Das Redoxpotential ist ein Maß für die Oxidationswirkung, es gibt jedoch keine Auskunft über die Geschwindigkeit, mit der die Oxidationsreaktionen ablaufen (Oxidationskinetik).
- ? Welchen Ansatz kann man für die Reaktionskinetik bei Einzelstoffen machen?
- ds/dt = -k * [Ox.] * c(S)
Die Geschwindigkeit der Reaktion ist also sowohl der Konzentration des Stoffes S wie der Konzentration des Oxidationsmittels bzw. dem Produkt der Konzentrationen der auf der betreffenden Seite der Redoxhalbreaktion auftretenden Stoffe proportional.
- ? Von welchen Faktoren (5) hängt die Desinfektionswirkung ab?
- Art des Desinfektionsmittels/-verfahrens
- Konzentration des Desinfektionsmittels
- Einwirkzeit
- Art der Mikroorganismen und deren Widerstandsfähigkeit
- andere, wie Temperatur, pH-Wert, Trübung
- ? Welches Verfahren wirkt nicht ganz so gut gegen Viren wie die anderen Verfahren?
- Chlor wirkt nicht ganz so gut gegen Viren wie ClO2, Ozon oder UV-Strahlung
- ? Wie wirken die verschiedenen Desinfektionsverfahren gegen Parasiten?
- Chlor und ClO2 schlecht (-), Ozon gut (+) und UV-Strahlung sehr gut (++).
- ? Wie unterscheiden sich die Desinfektionsverfahren Chlor, ClO2, Ozon und UV-Strahlung im Aufwand der Anwendung?
- Chlor: sehr geringer Aufwand, ClO2: geringer Aufwand, UV: mittlerer Aufwand, Ozon: hoher Aufwand
- ? Welcher Wert wird als Maß für die Effektivität eines Desinfektionsmittels angegeben?
- Der c-t-Wert wird als Effektivitätsmaß angegeben, dabei handelt es sich um das Produkt aus Desinfektionsmittelkonzentration c und Kontaktzeit t, über die diese Konzentration einwirken muss.
- ? Welche Mikroorganismen erfordern u. a. besonders hohe c-t-Werte bei der Desinfektion?
- Cryptosporidien.
- ? Warum sind die c-t-Werte nur als Anhaltswerte zu betrachten?
- 1. Kontaktzeit und Konzentration lassen sich in realen Wasseraufbereitungsnalagen i.d.R. nicht exakt bestimmen.
2. In realen Rohwässern treten Mikroorganismen häufig als Aggregate auf und nicht als Einzelorganismen, wie sie im Labor anzutreffen sind. Aggregate können von schützenden Substanzen umgeben sein. Trübstoffe behindern ebenfalls die Desinfektion.
- ? Welche Stoffe werden dem Wasser in welcher Form bei der Chlorung zugesetzt?
- 1. Chlorgas (Chlorgasverfahren) oder
2. Cl2-haltige Lösung oder
3. Gelöste OCl--Salze wie NaOCl, Ca(OCl)2.
- ? Auf welchen Wert begrenzt die Trinkwasserverordnung bzw. die "Liste der Aufbereitungsstoffe und Desinfektionsverfahren" [6] die Dosiermenge bei der Chlorung?
- Auf 1,2 mg/l freies Cl2 [6, S. 23].
- ? Wie hoch muss die Restkonzentration an freiem Chlor laut Trinkwasserverordnung bzw. gemäß der "Liste der Aufbereitungsstoffe und Desinfektionsverfahren" [6] nach der Aufbereitung mindestens und wie hoch darf sie höchstens sein?
- Mindestens 0,1 mg/l, höchstens 0,3 mg/l freies Cl2 [6, S. 23].
- ? Welche Restkonzentration an freiem Chlor sollte nach zirka 30 Minuten Kontaktzeit im Wasser verbleiben, um die Desinfektionswirkung aufrecht zu erhalten?
- Mindestens 0,1 mg/l freies Cl2.
- ? Nenne Vorteile der Chlorung mit Chlorgas!
- Günstige Beschaffung: Cl2 fällt bei der Produktion von Natronlauge an.
- Geringer Aufwand bei der Dosierung: Über Ventile und Injektoren wird das Chlorgas im Hauptstrom oder in einem Teilstrom gelöst, der mit dem Hauptstrom gemischt wird.
- Schnelle Reaktion mit Mikroorganismen und Wasserinhaltsstoffen
- ? Ist Chlorgas schwerer oder leichter als Luft?
- Chlorgas ist schwerer als Luft, es sammelt sich bei Undichtigkeiten in Kellern und Schächten und kann so eine erhebliche Gefahr darstellen.
- ? Nenne einen verfahrenstechnischen Nachteil der Chlorung!
- Der Umgang mit Chlor erfordert erhebliche Sicherheitsvorkehrungen. Chlorgas ist giftig und bildet mit Luft explosive Gemische.
- ? Wie lautet die Disproportionierungsgleichung zwischen Chlorgas und Wasser?
- Cl2 + H2O <--> HCl + HOCl
Es entstehen Salzsäure und unterchlorige Säure.
- ? Was ist das stärkere Oxidationsmittel, HOCl oder OCl-?
- HOCl ist das stärkere Oxidationsmittel.
- ? Wie verändert sich die Desinfektionswirkung von Chlor bei steigendem pH-Wert?
- Die Desinfektionswirkung nimmt mit steigendem pH-Wert ab, da wirksames HOCl verstärkt in weniger wirksames OCl- umgewandelt wird.
- ? Warum sinkt mit steigendem pH-Wert die Desinfektionswirkung von Chlor im Wasser?
- Chlorgas disproportioniert in Wasser zu HCl und HOCl. HOCl wiederum dissoziiert in H+ und OCl-. Bei steigendem pH-Wert verschiebt sich das entsprechende Gleichgewicht zugunsten der OCl--Produktion. OCl- ist ein schlechteres Oxidationsmittel als HOCl, so dass die desinfizierende Wirkung insgesamt nachlässt.
- ? Warum ist die Desinfektionswirkung von OCl- gering?
- Es ist ebenso wie die Zellwände negativ geladen und kann so aufgrund elektrostatischer Abstoßung nicht ins Zellinnere vordringen.
- ? Was ist das eigentliche Desinfektionsmittel bei der Chlorung mit Cl2?
- Das eigentliche Desinfektionsmittel ist die sich im Wasser bildende unterchlorige Säure HOCl.
- ? Warum ist die Desinfektionswirkung von Chlor bei der Aufbereitung von Oberflächenwässern häufig eingeschränkt?
- Oberflächenwässer weisen oft eine geringe Härte auf. Sie sind erst bei relativ hohen pH-Werten im Kalk-Kohlensäure-Gleichgewicht. Bei hohen pH-Werten wiederum dissoziiert das desinfektionswirksame HOCl in OCl-, welches eine geringe Desinfektionswirkung hat, da es nicht in die Zellen eindringen kann.
- ? Erkläre die Knickpunktchlorung!
- Ist Ammonium (NH4+) im Wasser enthalten, so reagiert dieses sehr schnell mit HOCl zu Chloramin (NH2Cl). Das desinfektionswirksame HOCl wird also durch Ammonium aufgebraucht. Bei Überschuss von HOCl gegenüber NH4+ reagiert das gebildete Chloramin weiter mit HOCl:
2 NH2Cl + HOCl <--> N2 + 3 HCl + H2O
Erst wenn sämtliches Chloramin aufgebraucht ist, tritt der Knickpunkt ein und weiter zugegebenes Chlor führt wieder zu einem Anstieg der HOCl-Konzentration.
- ? Wofür wurde die Knickpunktchlorung bis 1975/80 eingesetzt?
- Für die Entfernung von Ammonium. Heute wird Ammonium biologisch zu Nitrat oxidiert.
- ? Wie bezeichnet man die an das Trägermaterial von Ionenaustauschern fest gebundenen Ionen?
- Man bezeichnet sie als Festionen oder Ankergruppen.
- ? Was versteht man unter Gegenionen, was unter Coionen?
- Unter Gegenionen versteht man die gegensinnig zu den Festionen geladenen beweglichen Ionen, die in der Porenflüssigkeit vorliegen und die Ladung der Festionen kompensieren. Mit Coionen bezeichnet man Ionen, die das gleiche Ladungsvorzeichen wie die Festionen haben, von diesen abgestoßen werden und nicht in die Porenstruktur eindringen.
- ? Nach welchen zwei Kriterien werden Ionentauscher grundsätzlich unterschieden?
- Nach der Art der austauschbaren Ionen (Gegenionen) in Kationen- und Anionenaustauscher
- Nach der Säure-/Basenstärke der Festionen in schwach/stark saure/basische Austauscher.
- ? Wie wird das feste Trägermaterial von Ionenaustauschern, das aus vernetzten Polymeren besteht, bezeichnet?
- Als Matrix.
- ? Welches Material wird heutzutage in der Wasseraufbereitung für die Matrix von Ionenaustauschern verwendet?
- Für die Matrix von Ionenaustauschern werden fast ausschließlich Kunstharze (z.B. auf Polystyrol-Basis) verwendet.
- ? Welche Chemikalie wird für die Vernetzung der Polymerketten bei der Herstellung von Austauscherharzen eingesetzt?
- Divinylbenzol (DVB) [Skript, S. 130]
- ? Wo beobachtet man Ionenaustauschprozesse in der Natur?
- In Boden- und Gesteinsmaterialien, insbesondere Tonen.
- ? Was dient in modernen Waschmitteln der Bindung der Erdalkalien, also der Wasserenthärtung?
- Künstliche Zeolithe (Aluminium-Silikate).
- ? Ordne die Eigenschaft sauer oder basisch den Austauscherarten Kationenaustauscher und Anionenaustauscher zu!
- Kationenaustauscher tauschen Kationen, also positive Teilchen aus. Bei den ausgetauschten Teilchen kann es sich um Protonen (H+) handeln, die von Säuren, deren Säurereste am Harz fixiert sind, abgegeben werden. Je nach Säurestärke sind Kationentauscher stark oder schwach sauer.
Anionenaustauscher tauschen Anionen, also negativ geladene Teilchen aus. Sie sind je nach Basenstärke der Ankergruppe schwach oder stark basisch.
- ? Welche vier Grundklassen von Ionenaustauschern unterscheidet man?
- Man unterscheidet schwach oder stark saure Kationenaustauscher und schwach oder stark basische Anionenaustauscher.
- ? Welcher Stoff wird als erstes am Auslauf eines Kationenaustauschers in der Natriumform erscheinen, wenn dieser von einer Lösung mit Kalzium- und Magnesium-Ionen durchflossen wird?
- Von den Ionen in der Lösung werden zuerst die Magnesium-Ionen erscheinen, da sie von den Kalzium-Ionen, denen gegenüber der Austauscher eine höhere Selektivität hat, aus dem Austauscher verdrängt werden.
- ? Zeichne reale, schematisierte Durchbruchskurven für die relevanten bezogenen Konzentrationen beim Austausch von Kalzium- und Magnesium-Ionen gegen Natrium-Ionen.
- Siehe [Skript, S. 131]
- ? Wovon hängt die nutzbare Kapazität eines Ionenaustauschers ab?
- Von Selektivität, Kinetik, Betriebsparametern (z.B. Regenerationsgrad), Zielkonzentration der zu entfernenden Ionen
- ? Warum wird bei Vollentsalzungsanlagen der Kationenaustauscher vor den Anionenaustauscher geschaltet?
- Wäre der Anionenaustauscher, der OH--Ionen ins Wasser abgibt, zuerst geschaltet, so würde der dadurch steigende pH-Wert Fällungsreaktionen hervorrufen.
- ? Warum werden bei mehrstufigen Vollentsalzungsanlagen schwache Austauscher vor die jeweiligen starken Austauscher geschaltet?
- Die schwachen Austauscher entfernen bereits einen Teil der unerwünschten Ionen, wodurch der nachgeschaltete Austauscher entlastet und seine Laufzeit verlängert wird. Darüber hinaus lässt sich der schwache Austauscher mit einem geringeren Regeneriermittelbedarf regenerieren.
- ? Warum wird bei mehrstufigen Vollentsalzungsanlagen der CO2-Riesler zwischen schwach und stark basischen Anionentauscher geschaltet?
- Mit dem Ausblasen von CO2 erhöht sich der pH-Wert, weil Kohlensäure verloren geht. Der schwach basische Austauscher benötigt jedoch einen möglichst niedrigen pH-Wert, weil bei hohem pH-Wert (Vorliegen von OH--Ionen) das Festion durch OH--Ionen neutralisiert wird und so für Ionentausch nicht mehr zur Verfügung steht:
R-NH2R+ + OH- --> R-NHR + H2O
- ? Unterscheide die Ernährungsweise von Mikroorganismen nach Energiequelle, Kohlenstoffquelle und Wasserstoffquelle und benenne sie!
- Energiequelle - elektromagnetische Strahlung: photo-, Redox-Reaktion: chemotroph
- C-Quelle - anorganisch: auto-, organisch: heterotroph
- Wasserstoffquelle (H-Donator) - anorganisch: litho-, organisch: organotroph
- ? Wie lautet die Gleichung für den Retardierungsfaktor R eines Stoffes im Untergrund?
- R = 1 + Untergrund-Dichte/Untergrund-Porosität * fOC * a * KOWb
mit a,b: Korrelationsfaktoren,
fOC: (mittlerer) Gehalt des Bodens an organischem Kohlenstoff
KOW: Verteilungskoeffizient des Stoffes zwischen Oktanol und Wasser (Maß für Hydrophobie)
- ? Der Rückhalt eines Schadstoffes im Boden ist umso besser, je ... (höher/niedriger)? ... der Gehalt an organischem Kohlenstoff im Boden ist und je ... (hydrophile/hydrophober)? der Schadstoff ist.
- ... höher ... hydrophober ...
- ? In welche Klassen lassen sich biologische Filter einteilen?
- Trocken- und Nassfilter [Skript]
- ? Wie groß kann der Anteil des biologischen Abbaus an der Entfernungsleistung eines Aktivkohlefilters sein?
- 75 - 80% [Skript]
- ? Welches sind die Grundforderungen (4) an die See- und Talsperrenwasseraufbereitung?
- Partikelentfernung
- Entfernung gelöster Stoffe
- Aufhärtung und Entsäuerung
- Desinfektion
[Buch, S. 847]
- ? Wie lassen sich bei der Aufbereitung eutropher Gewässer Algen gut abscheiden, so dass diese nicht die nachfolgenden Schnellfilter belasten?
- Vor der Schnellfiltration sollte das Wasser einer Flockung und Flotation unterzogen werden, da sich gerade Algen gut flotieren lassen. [Buch, S. 850]
- ? Wie lautet die Reaktionsgleichung für die Oxidation von Fe2+ zu Fe3+?
- 2 Fe2+ + 1/2 O2 + 2 H3O+ --> 2 Fe3+ + 3 H2O [4].
- ? In welcher Form werden Eisen und Mangan bei der Wasseraufbereitung abgeschieden?
- Fe: als Fe-III-Hydroxid (Fe(OH)3) in Form fester Flöckchen
Mn: als Mn-IV-Oxid (MnO2)
- ? Wie groß ist die Dichte von Luft auf Meeresspiegelhöhe bei 20 °C?
- Die Dichte von Luft beträgt zirka 1,2 kg/m³ [Wiki].
- ? Wie groß ist die Löslichkeit von Ca(OH)2?
- Ca. 1300 g/m³. [Skript, S. 107]
- ? Nenne drei klassische chlorierte Lösungsmittel!
- Chloroform, Tetrachlorkohlenstoff, Trichlorethen
- ? Haben Tri- und Tetrachlorethen hohe oder niedrige KOW-Werte?
- Sie haben (relativ) niedrige KOW-Werte, sind also wenig hydrophob. Damit werden sie im Boden sehr schlecht zurückgehalten, sofern dieser wenig organische Anteile besitzt. [Skript, S. 144]. Laut Wikipedia sind beide Stoffe aber sehr schlecht wasserlöslich, ist das nicht ein Widerspruch?
- ? Sind Polychlorierte Biphenyle (PCB) und Polyzyklische aromatische Kohlenwasserstoffe (PAK) hydrophil oder hydrophob?
- Beide Stoffe sind sehr hydrophob und werden daher u.a. in humusreichen Böden gut zurückgehalten.
- ? Oberflächenwässer haben oft eine ... Härte und sind daher bei relativ ... pH-Werten im (Kalk-Kohlensäure-)Gleichgewicht.
- ... geringe ... hohen ...
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