Wasserhärte und Tropfsteine

Transkript

1 Wasserhärte und Tropfsteine Zwischen Lochfraß und Touristenattraktion Vortrag: Andre Bleise

2 Inhalt Wasserhärte, was ist das? Probleme in Haushalt und Industrie Enthärtung des Wassers Von der Wasserhärte zum Tropfstein Entstehung der Tropfsteine Fakten Quellen Handout

3 Wasserhärte, was ist das? Als Härtebildner des Wassers bezeichnet man vorwiegend Ca 2+ und Mg 2+ -hydrogencarbonate aber auch deren Chloride und Sulfate.

4 Temporäre und permanente Härte Temporäre Härte (Carbonathärte): Ca 2+ und Mg 2+ -Hydrogencarbonatverbindungen lassen sich bei erhöhter Temperatur gemäß folgender Beispielgleichung aus dem Wasser entfernen: Ca HCO 3- CaCO 3 + CO 2 +H 2 O Permanente Härte: Ca 2+ und Mg 2+ Chloride und Sulfate, diese lassen sich nicht problemlos durch kochen entfernen. ( siehe Enthärtung des Wassers) Temporäre und permanente Härte ergeben zusammen die Gesamthärte des Wassers

5 Härte-Skala / Bestimmung der Wasserhärte 1 dh = 10mg CaO bzw. 7,19mg MgO pro Liter Wasser (entspricht ca. 1,8*10-4 mol/l). Einteilung der Skala:

6 Bestimmung der Gesamthärte: Komplexometrische Titration mit EDTA Indikation erfolgt über Eriochromschwarz T Da bei der Reaktion Protonen (siehe Reaktionsgleichung) frei werden und der ph-wert bei ca. 10 stabil gehalten werden soll, muss ein geeignetes Puffersystem verwendet werden (Bsp.: NH 3 /NH 4 Cl)

7 Indikation Reaktionsgleichungen

8 Probleme in Haushalt und Industrie Hauptproblempunkt sind Carbonatablagerungen in Leitungen, Armaturen und vor allem an Heizelementen ( siehe Reaktion Folie 4). Auswirkungen: Haushalt: Kaffeemaschine verkalkt, Kalkflecken in der Spüle, Waschwirkung kann durch extrem hartes Wasser herabgesetzt werden Und: Die Waschmaschine läuft aus...

9 Exkurs: Lochfraß einem Werbemythos auf der Spur... Was ist dran am Lochfraß? Zunächst: Ja, es gibt Lochfraß! Aber wie entseht er? Die Oberfläche eines Edelstahls ist mit winzigen, wenige µm kleinen metastabilen Löchern sog. Pits überzogen. Diese können sich durch Verunreinigungen katalysiert (Bsp.: Kalk) schlagartig Vermehren. Folge: ein rostfreier Edelstahl rostet.

10 In der Waschmaschine passiert: Und damit Kurzschluss... Aber: die Küche bleibt trocken! Wie läuft denn nun das Wasser aus? Durch Kalkablagerungen verhärten und verspröden die flexiblen Gummischläuche, die dann undicht werden und dann erst die Küche unter Wasser setzen. Fazit: Lochfraß ist nicht schuld an der schwimmenden Küche!

11 Probleme in Haushalt und Industrie Industrie: Verringerter Volumenstrom/Erhöhter Innenwiderstand in Rohrleitungen (siehe Vorlesung Apparate und Prozesse). Erhöhter Energieverbrauch an Heizelementen Kalkpanzer isoliert man benötigt mehr Energie um gleiche Heizleistung zu erreichen Lösung:

12 Enthärtung des Wassers Möglichkeiten: 1.Destillation 2.Fällung 3.Verwendung von Ionentauschern Zu 1: Vorteil: man erhält sehr reines Wasser, prinzipiell einfaches Verfahren Nachteil: Energetisch zu Aufwändig. Wasser zu verdampfen und wieder zu kondensieren wäre wirtschaftlich zu teuer.

13 Zu 2: Reaktionen : Man erreicht eine Reduktion der Härte auf ca. 0,18mmol/l. Reste können mit Fällung mit Monophosphat beseitigt werden. Vorteil: Man entfernt die Härte ohne wesentliche Mengen an anderen Ionen einzubringen. Nachteil: Bildung von filtrierfähigen Niederschlägen kann sehr Zeitaufwändig sein.

14 Zu 3: Ionenaustauscher sind dazu in der Lage, störende Ionen wie hier Ca 2+ und Mg 2+, gegen andere, im jeweiligen Prozess irrelevante Ionen auszutauschen. Sie bestehen aus einem Polymergerüst (Matrix) und geladenen Ankergruppen (positiv oder negativ je nach Kat oder Anionentauscher). Die Funktion beruht auf der verschiedenen Affinität der Einzelionen sich an den Austauscher anzulagern.

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16 Von der Wasserhärte zum Tropfstein Woher stammen die gelösten Mineralien, welche die Härte in unserem Trinkwasser ausmachen? Das Trinkwasser ist dem Wasserkreislauf unterzogen. Hierbei löst es einen Teil der Mineralien, die es durchfließt auf und Transportiert diese als Salzfracht weiter, bis diese wieder ausgefällt werden. Dies passiert nicht in Industrie und Haushalt, sondern auch in der Natur und es kommt zum Phänomen der Tropfsteine

17 Entstehung der Tropfsteine Durch CO 2 angesäuertes Regenwasser löst Teile des Kalksteins und transportiert diesen in Höhlen. Durch Verdunstung fallen die gelösten Hydrogencarbonate als Carbonate aus und bilden Tropfsteine.

18 Fakten Je nach herrschenden Bedingungen kann die Wachstumsgeschwindigkeit stark variieren. Die Ferrari unter den Tropfsteinen wachsen im Jahr bis zu 5 mm! Durchschnittlich sind es aber nur wenige 1/100 mm. Die meisten der großen Tropfsteine in Deutschland sind ca Jahre alt, kann aber auch einige Hunderttausend Jahre betragen. Die Größten unter ihnen wurden von ihren Entdeckern mit Namen versehen (Bsp.: Hund, sitzender Riese, Kachelofen)

19 Quellen: Roempp Chemielexikon Presseinformationen der Max-Planck Gesellschaft C. Punckt, M. Bölscher, H. H. Rotermund, A. S. Mikhailov, L. Organ, N. Budiansky, J. R. Scully, and J. L. Hudson Sudden Onset of Pitting Corrosion on Stainless Steel as a Critical Phenomenon Science, 20 August

20 Handout Wasserhärte: setzt sich zusammen aus temporärer Härte (Ca 2+ und Mg 2+ Hydrogencarbonatverbindungen) und permanenter Härte (Ca 2+ und Mg 2+ Chloride und Sulfate). Zentrale Reaktionsgleichung ist das Carbonat-Hydrogencarbonat-Gleichgewicht: Ca HCO 3- CaCO 3 + CO 2 +H 2 O Härteskala: 1 dh = 10mg CaO bzw. 7,19mg MgO pro Liter Wasser (entspricht ca. 1,8*10-4 mol/l). Bestimmung der Härte durch Komplexometrische Titration mit EDTA. Problematik: Verkalken von Rohren und Armaturen, erhöhter Energieverbrauch bei Heizanlagen. Wasserenthärtung: Möglichkeiten:1.Destillation 2.Fällung 3.Verwendung von Ionentauschern. Tropfsteine: Bildung der Tropfsteine durch Lösen und Abscheiden der Salzfrachten im Wasserkreislauf, nach obiger Gleichung.