Wasser und Wasserinhaltsstoffe

6.4.1 Harte des Wassers – Enthartung

Naturlich vorkommende Wasser sind niemals „rein64 im chemischen Sinne. Zum Beispiel enthalt Regenwasser durch den Kontakt mit der Luft neben gelosten Gasen wie N2, 02 und C02 auch mehr oder weniger groBe Mengen an Staubpartikeln. In Industriegebieten und GroBstadten kommen haufig betrachtliche Mengen an S02 und N02 dazu. Sie sind fur die mitunter stark sauren pH-Werte des Regenwassers verantwortlich (Кар. 5.5.3.1). Sobald das Regenwasser die Erdkruste erreicht, setzen sich die Loseprozesse fort und zwar umso starker, je saurer das Wasser ist.

Von zentraler Bedeutung ist in diesem Zusammenhang der Kohlendioxidgehalt des Was­sers. C02-haltige Wasser sind in der Lage, carbonathaltige Minerale wie Kalkstein CaC03 und Dolomit CaMg(C03)2, die wesentlich am Aufbau von Gebirgszugen und Erdschichten beteiligt sind, als Hydrogencarbonate zu losen (Gl. 5-29). Zum Beispiel kann C02-freies Wasser bei Raumtemperatur nur 13 mg CaC03, C02-gesattigtes Wasser jedoch 1086 mg CaC03 pro Liter losen. Analoge Loslichkeitsverhaltnisse gelten fur MgC03, so dass auf diese Weise Calcium – und Magnesiumionen in Grund – und Oberflachenwasser gelangen.

Je nach ihrer Herkunft enthalten die aus unterschiedlichen Ressourcen gewonnenen Trink – und Brauchwasser unterschiedliche Mengen an Hydrogencarbonaten, Sulfaten und Chlori – den der Erdalkalimetalle Calcium und Magnesium. Ca2+- und Mg2+-Ionen sind fur die Harte des Wassers verantwortlich.

Da in der BRD, in Frankreich und in England unterschiedliche Deflnitionen fur die Was – serharte gebrauchlich waren, wurde im Zuge einer EU-weiten Vereinheitlichung dieser Begriff neu gefasst und nur noch auf den Gehalt der Calcium – und Magnesiumionen bezogen.

Unter der Wasserharte versteht man die Stoffmengenkonzentration der Calcium – und Magnesiumionen c(Ca2++ Mg2+) in mmol pro Liter (DIN 38 409).

In der Regel besteht die Gesamtharte zu 70…85% aus der Calcium- und entsprechend zu 30… 15% aus der Magnesiumharte.

Eine sehr verbreitete und haufig angewendete Unterteilung der Wasserharte orientiert sich an den vorhandenen Anionen. Man unterscheidet hier zwischen der Carbonatharte und der Nichtcarbonatharte (auch Restharte).

Carbonatharte (temporare Harte). Die Carbonatharte (Abk.: KH) ist jener Anted an Calcium – und Magnesiumionen, fur den in der Volumeneinheit eine aquivalente Konzen – tration an Hydrogencarbonationen vorliegt. Die KH lasst sich durch Kochen entfemen (Gl. 6-18).

Ca2+ + Mg2+ + 4 HC03_ СаСОз і + MgC03 і + 2 H20 + 2 C02 (6-18)

Kesselstein

Nichtcarbonatharte (permanente Harte). Die Nichtcarbonatharte (Abk.: NKH) ist der nach Abzug der Carbonatharte von der Gesamtharte (GH) gegebenenfalls verbleibende Rest an Calcium – und Magnesiumionen, der vor allem aus der Auflosung von Sulfaten und Chloriden stammt. Zur NKH konnen auch Nitrate und Phosphate des Calciums bzw. Mag­nesiums beitragen, wenngleich in deutlich geringerem MaBe. Die Nichtcarbonatharte lasst sich nicht durch Kochen entfemen. Carbonat – und Nichtcarbonatharte addieren sich zur Gesamtharte: KH + NKH = GH.

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Mit dem Inkrafttreten der Neufassung des Wasch – und Reinigungsmittelgesetzes (WRMG) vom 05. Mai 2007 wurden die Hartebereiche an europaische Standards angepasst und die obige Angabe Millimol Gesamtharte pro Liter durch die (chemisch nicht nachvollzieh – bare/) Angabe Millimol Calciumcarbonat pro Liter ersetzt. Laut der Deutschen Vereini – gung des Gas – und Wasserfaches e. V. soli die Angabe Millimol CaC03 je Liter unveran – dert als Millimol Gesamtharte (Calcium – und Magnesiumharte!) je Liter aufgefasst und verwendet werden. Im Gesetz wurden die bisherigen vier Hartebereiche zu drei Bereichen zusammengelegt: weich, mittel und hart (Tab. 6.6).

In Deutschland wird die Wasserharte haufig noch in Grad deutscher Harte °dH (auch: °d) angegeben. Es gilt: 1 °dH = 18 mg CaC03 =0,18 mmol CaC03 pro Liter Wasser. 1 mmol CaC03 = 5,6 °dH.

Wasser mittlerer Harte mit einem hohen Gehalt an Hydrogencarbonat schmeckt frisch und ist als Trinkwasser hervorragend geeignet. Ist Wasser zu hart, kann z. B. der Geschmack von Tee und Kaffee beeintrachtigt werden. Waschaktive Substanzen werden in hartem

Wasser teilweise unwirksam. Beim Waschen mit Seife entstehen Calcium – und Magnesi – umseifen (schwer losliche Ca- und Mg-Salze der Fettsauren), die sich auf den Textilien niederschlagen und sie vergrauen lassen. Durch die Hartebildner kommt es im Rohrlei – tungssystem zur Ausbildung von Schutzschichten aus Calcium – und Magnesiumcarbonat. Obwohl diese Schichten die Korrosion wenigstens teilweise unterbinden, ffihren sie in Abhangigkeit von der Zusammensetzung und der Struktur zu einem Mehrverbrauch an Energie. Er ist bei einer kristallinen, weitgehend homogenen, harten Kalkschicht deutlich hoher als bei einer porosen, heterogenen, mit Rostablagerungen durchzogenen Kalkkruste

Подпись:Tabelle 6.6

Hartebereiche

Fur eine Vielzahl technischer Anwendungen ist hartes Wasser ungiinstig bzw. unbrauch – bar. Deshalb wird in weiten Bereichen der Industrie wie Kraftwerken, Druckereien, Papier – fabriken und Brauereien das Wasser enthartet oder zumindest teilenthartet, um Ablage – rungen von Kesselstein bzw. andere storende Reaktionen zu vermindem bzw. ganz auszu- schlieBen.

Historisch bedeutsame Verfahren zur Wasserenthartung sind die Destination des Wassers bzw. die chemische Ausfallung storender Ionen als schwer losliche Verbindungen. Als Beispiel fur letztere Moglichkeit soli das Kalk-Soda-Verfahren genannt werden. Durch Zugabe von Ca(OH)2 wird die temporare Harte (Gl. 6-20) und durch Zugabe von Na2C03 (Soda) die permanente Sulfatharte (Gl. 6-21) beseitigt.

Ca(HC03)2 + Ca(OH)2 -» 2 CaC034 + 2 H20 (6-20)

CaS04 + Na2C03 CaC034 + Na2S04 (6-21)

Da die bei diesem Verfahren erreichte Enthartung des Wassers bis auf etwa 0,3°dH fur die Dampferzeugung in Hochstdruckkesseln nicht ausreicht, erfolgt haufig eine Nachenthar – tung mit Trinatriumphosphat Na3P04. Die noch im Wasser enthaltenen Spuren an Ca – und Mg-Ionen werden als schwer losliche Phosphate gefallt, wobei gleichzeitig leicht losliche Natriumsalze entstehen (Gl. 6-22).

2 Na3P04 + 3 Ca(HC03)2 -> Ca3(P04)24 + 6 NaHC03. (6-22)

Heute wird zur vollstandigen Enthartung des Wassers die Methode des Ionenaustauschs genutzt. Das Prinzip eines Ionenaustauschers besteht darin, storende Kationen wie Ca2+, Mg2+, aber auch Sr2+? Ba2+, Na+ gegen H30+-Ionen (Kationenaustauscher) bzw. storende Anionen wie СГ, SO42", C032~/HC03~ gegen ОН – Ionen (Anionenaustauscher) auszutau – schen. Kationenaustauscher sind Polystyrolharze mit sauren Gruppen wie z. B. der Sulfon – sauregruppe R-S03~ H+ oder der Carboxylatgruppe R-COO" H+. Anionenaustauscher sind Polystyrolharze mit positiven Ladungen an tertiaren oder quartaren Ammoniumgruppen.

Wasser und Wasserinhaltsstoffe Wasser und Wasserinhaltsstoffe Подпись: / / / Wasser und Wasserinhaltsstoffe Подпись: + 2H+

Als Anionen enthalten sie meist Hydroxidionen, z. B. R-NMe3+ OH", Me = Methylgruppe. Leitet man Wasser durch Saulen mit Kationen – bzw. Anionenaustauscher, so laufen die in Abb. 6.16 dargestellten Reaktionen ab. Es werden Salzgehalte von 0,02 mg pro Liter er – reicht. Durch Versetzen der Filter mit Sauren (HC1) oder Laugen (NaOH) und nachfolgen – dem Waschen erfolgt eine Regenerierung. In der Technik verwendet man zunehmend Mischbett-Ionenaustauscher, in denen die Polystyrolharze nebeneinander in der sauren und der basischen Form vorliegen. Die vom Kationenaustauscher abgegebenen H+-Ionen rea – gieren mit den vom Anionenaustauscher abgegebenen OH"-Ionen zu Wasser. Auf diese Weise wird auch demineralisiertes Wasser im chemischen Labor gewonnen.

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Подпись: NR3+ OH" NR3+ OH" /
Подпись: Enthartung
Подпись: Regenerierung mit NaOH

Anionenaustausch

Abbildung 6.16 Schema des Kationen – und Anionenaustauschs

In Vollwaschmitteln sorgen die Geriiststoffe (builder) fur die Enthartung des Wassers und garantieren damit die Funktionsfahigkeit der waschaktiven Substanzen (Кар. 6.2.2.3). Ihr Anteil betragt ca. 20 bis 55%. Ende der 80iger Jahre spielten Polyphosphate, wie z. B. das Pentanatriumtriphosphat Na5P3Oio, die dominierende Rolle. Ihre Funktion bestand darin, die Hartebildner komplex zu binden. Der okologische PferdefuB des Einsatzes von Phos – phaten in Waschmitteln ist bekannt: Phosphor (als Phosphat) ist ein wichtiger Pflanzen – nahrstoff. Wird er iiber das biologische Gleichgewicht hinaus angeboten, mutiert er zum Storfaktor im Selbstreinigungsmechanismus der Gewasser. Durch die unbegrenzte Forde – rung des Algenwachstums in Flussen und Seen (Eutrophierung) gerat als Folge des sich einstellenden Sauerstoffdefizits das Leben in den Gewassem in Gefahr.

Die in der Zwischenzeit eingefuhrten phosphatfreien Waschmittel enthalten Zeolithe (Кар.

9.2.3.1) als Wasserentharter. Zeolithe sind kristalline wasserhaltige Alumosilicate mit einer hohlraumreichen Geriiststruktur, in der Alkalimetallionen enthalten sind. Die wasserunlos – lichen Makromolekule wirken als Ionenaustauscher. Die Na+-Ionen im synthetisch herge – stellten Zeolith A (Sasil, Nai2[(A102)i2(Si02)i2] * 27 H20) sind in dem Si-Al-O-Gertist frei beweglich und lassen sich leicht gegen die Hartebildner Ca2+ und Mg2+ austauschen. Zeo­lithe sind wegen ihrer Wasserunloslichkeit okologisch unbedenklich, vermehren allerdings die Klarschlammenge.

Wasser sehr hoher Reinheit kann durch die Technologie der Umkehrosmose erhalten wer – den. Dabei driickt man Leitungswasser mit 2…20 bar gegen eine semipermeable Polymer – membran, wobei ein molekularer Trennprozess stattfindet. Die WassermolekUle konnen – in umgekehrter Richtung zur ,,normalen“ Osmose (s. Кар. 9.3.3.4.2) – die ultrafeinen Poren der Membran passieren. Unerwiinschte Stoffe und Kontaminationen wie Salze (z. B. Car­bonate, Nitrate und Sulfate), Schwermetalle, organische Verbindungen (Dioxine, Pesti – zide), ja selbst hohermolekulare Species wie Viren und Bakterien werden dagegen, je nach Molekuldurchmesser und Ausgangskonzentration, zu 90…99% zurilckgehalten.