Wasserhärte und Tropfsteine. Hilke Sonntag Dieter Ritgen

Transkript

1 Wasserhärte und Tropfsteine Hilke Sonntag Dieter Ritgen

2 Gliederung 1. Wasserhärte Definition Temporäre und permanente Härter Härtebereich und Härtungsgrad Wasserhärten in Deutschland Wasserhärtenbestimmung Probleme durch Kalkablagerungen Entkalkung Großindustrielle Entkalkung Calgon was ist das? 2. Tropfsteine Bildung von Tropfsteinhöhlen Quellenangaben

3 Wasserhärte - Was ist das? Härte des Wassers = Konzentration der im Wasser gelösten Ionen der Erdalkalimetalle (Ca 2+, Mg 2+ ) Die Gesamthärte = Gehalt an temporären und permanenten Härtern Die Wasserhärte wird in millimol Erdalkali-Ionen pro Liter angegeben oder in Härtegraden Bildung von schwerlöslichen Verbindungen (Calciumhydrogencarbonat und Calciumsulfat)

4 Temporäre und permanente Härter Temporäre Härter / Carbonathärte: Verringerung der Konzentration durch Kochen Calciumcarbonat fällt aus Ca(HCO 3 ) 2 CaCO 3 + H 2 O + CO 2 vorübergehende Wasserhärte verschwindet Permanente Härter / Nichtcarbonathärte: dauerhafte Härte liegt an dem Gehalt von Calciumsulfat Die Konzentration wird durch Kochen nicht reduziert Entfernung durch Sodazusatz möglich

5 Carbonhärte und Nichtcarbonathärte

6 Härtebereich und Härtungsgrad Die Härte des Wassers ist abhängig von den geologischen Gegebenheiten (d.h. den Bodenschichten, die es durchfließt) Die Ionen werden gelöst und tragen zur Wasserhärte bei (Calcium = dritthäufigstes Element in Erdkruste) Urgebirge, Granit und kieseliger Buntsandstein bieten einen geringen Härtegrad von 0 4 dh Bodenformationen aus Kalk oder Dolomit verursachen hartes Wasser (12 18 dh) (1 dh = 10 mg CaO / L H 2 O = 7,14 mg Ca 2+ / L)

7 Wasserhärtebereiche Härtebereich dh Erdalkalimetallionen [mmol] Beurteilung ,25 weich ,25-2,5 mittel ,5-3,75 hart 4 > 21 >3,75 sehr hart

8 Wasserhärte im Vergleich Stadt Gotha Hamburg Bremen Münster Steinfurt Würzburg Härtegrad dh Härtebereich weich 1 mittel 2 mittel 2 mittelhart 3 mittelhart 3 hart 4

9 Wasserhärtenbestimmung Komplexometrische Titration mit EDTA Bildung von löslichen, stabilen Chelatkomplexen mit Ca 2+, Mg 2+ -Ionen Wasserprobe wird mit Ammoniak als Puffer versetzt Eriochromschwarz dient als Indikator Indikator-Ionenkomplex erscheint rot Chelatkomplex aus EDTA und den Ionen entsteht Indikator liegt frei vor grüne Lösung

10 Komplexometrische Titration Indikator- Ionenkomplex Chelatkomplex mit EDTA

11 Chelatkomplex EDTA mit Ca 2+ -Ionen

12 Probleme durch Kalkablagerungen Kalkablagerungen in Rohrleitungen und auf Heizspiralen Funktionsfähigkeit wird herabgesetzt Bildung von unlöslichen Ca- und Mg-Seifen beim Waschen Bildung von Kalkseifen auf Gewebefasern Waschwirkung wird verringert Bildung von Kesselstein beim Erhitzen von hartem Wasser in Dampfkesseln Mögliche Kesselexplosionen

13 Entkalkung 1. Enthärtung durch Ionenaustausch Versetzen des Wassers mit einer Kochsalzlösung Mg 2+, Ca 2+ -Ionen werden durch Na + -Ionen ersetzt Verwendung in Spülmaschinen 2. Vollentsalzung Härtebildner und alle anderen Ionen werden entfernt Austausch gegen OH - und H + -Ionen Regeneration mit NaOH und HCl Kombination aus Anionen- und Kationenaustauscher

14 Entkalkung 3. Komplexbildung mit Polyphosphaten Na 5 P 3 O 10 + Ca 2+ CaP 3 O Na + Verwendung in Waschmitteln Schonung der Heizelemente der Waschmaschine Kalkablagerungen im Gewebe werden verhindert Problem: Überdüngung von Oberflächenwasser Phosphatvorkommen sehr gering

15 Entkalkung 4. Fällung mit Soda Calciumcarbonat fällt aus und kann entfernt werden Ca(HCO 3 ) 2 + Na 2 CO 3 CaCO NaHCO 3 5. Entfernung der temporären Härte durch Aufkochen des Wassers Ca(HCO 3 ) 2 CaCO 3 + H 2 O + CO 2

16 Großindustrielle Verwendung Entkalkung zum Schutz der Kühltürme Kalkrückführung zur Rauchgasentschwefelung

17 Großindustrielle Verwendung

18 Großindustrielle Entkalkung Problem: Kalkablagerung

19 Großindustrielle Entkalkung

20 Großindustrielle Entkalkung Kalkhydratbehälter

21 Großindustrielle Entkalkung Unterseite Reaktor - Rohwasserzulauf

22 Großindustrielle Entkalkung Reaktortürme

23 Großindustrielle Entkalkung Schnellfilter

24 Großindustrielle Entkalkung Kalkhydratbehälter

25 Großindustrielle Entkalkung Messstelle

26 Großindustrielle Entkalkung Ausfluss

27 Großindustrielle Rauchgasentschwefelung

28 Großindustrielle Rauchgasentschwefelung Wasser wird gehärtet Sprühwäscher H 2 SO 4 + CaCO 3 CaSO 4 + H 2 O + CO 2 95%-ige Entschwefelung

29 Tropfsteine Regenwasser, das mit CO 2 angesäuert ist, löst Kalkstein Das gelöste Hydrogencarbonat kann dadurch in unterirdische Hohlräume gelangen CaCO 3 + H 2 O + CO 2 Ca HCO 3 - Bei den Verdunsten von CO 2 und H 2 O bildet sich der Kalkstein zurück Tropfsteinbildung Wachstum: 1 mm in 10 Jahren

30 Entstehung von Tropfsteinhöhlen

31 Calgon

32 Quellenangaben H. Latscha,, H. Klein: Anorganische Chemie, 9. Auflage, Heidelberg, 2007 E. Riedel: Allgemeine und Anorganische Chemie, 8. Auflage,Berlin,, 2004 A.F. Holleman,, N. Wiberg: : Lehrbuch der anorganischen Chemie, 102. Auflage H.-J. Arpe: : Industrielle Organische Chemie, Darmstadt,

33 Noch Fragen?