Vision zum Thema Winterdienst

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1 Akzo Nobel Industrial Chemicals B.V. Vision zum Thema Winterdienst AkzoNobel Industrial Chemicals sbu Salt 1

2 Allgemeine Anmerkung: In zahlreichen Dokumenten zum Thema Winterdienst werden häufig Erfahrungen und/oder Messergebnisse in Bezug auf konzentrierte Salzlösungen mit oder ohne Additive beschrieben, mit denen der Gefrierpunkt erheblich herabgesetzt wird. AkzoNobel befasst sich hauptsächlich mit den Tauprozessen, die tatsächlich auf dem gestreutem Straßenbelag ablaufen und bei denen eigentlich immer stark verdünnte Salzlösungen entstehen. Bei verdünnten Salzlösungen wird der Gefrierpunkt selbstverständlich in geringerem Maße herabgesetzt als bei konzentrierten Lösungen. Streumittel Die verwendeten Streumittel können in abstumpfende Streumittel und Auftaumittel eingeteilt werden. Vor 1960 wurden neben dem herkömmlichen Schneeräumen ausschließlich abstumpfende Streumittel wie Sand, Kies, Asche und Splitt verwendet, um die Straßen befahrbar zu halten. Diese Mittel haben keine Tauwirkung, sondern machen den Straßenbelag nur griffig. In Regionen mit strengen Wintern (Skandinavien, Alpenländer) werden noch heute abstumpfende Streumittel verwendet. Nach 1960 fanden in Westeuropa zunehmend Taumittel Anwendung, um tatsächlich die Glätte zu bekämpfen bzw. Eis und Schnee zum Schmelzen zu bringen. Das meistverwendete Taumittel war und ist auch heute noch Natriumchlorid (NaCl). Vorteile des Einsatzes von Natriumchlorid sind: nahezu unbegrenzt verfügbar/vorrätig preisgünstig gute Herabsetzung des Gefrierpunktes von (Schmelz)Wasser ungefährliche Handhabung weniger korrosiv als andere chloridhaltige Taumittel Natriumchlorid-Salze in fester Form Heute wird (ebenso wie früher) auf der ganzen Welt am häufigsten Natriumchlorid (NaCl) zur Bekämpfung der Glätte eingesetzt. Natriumchlorid-Salz, das normalerweise als Taumittel verwendet wird, lässt sich einteilen in: Siedesalz Steinsalz Meersalz Siedesalz Siedesalz wird gewonnen, indem Wasser in eine unterirdische Salzschicht gepumpt wird. So entsteht eine Sole, die nach oben gepumpt wird. Diese Sole wird anschließend in verschiedenen Schritten gereinigt und das Wasser in Kesseln teilweise unter Vakuum verdampft, so dass das gereinigte Salz auskristallisiert. Dieses Produktionsverfahren sorgt dafür, dass das Salz einen sehr hohen Reinheitsgrad und eine kleine Korngröße bei gleichmäßiger Korngrößenverteilung aufweist. Außerdem enthält ungetrocknetes Siedesalz bereits ca. 2,8% Feuchtigkeit und haftet daher gut auf dem Straßenbelag. Die relevanten Eigenschaften von Siedesalz als Taumittel sind in Tabelle 1 aufgeführt, und in Abbildung 1 ist die Korngrößenverteilung dargestellt. Steinsalz Steinsalz wird im traditionellen Bergbau gewonnen. Es wird unterirdisch abgebaut und gesiebt, aber nicht gereinigt. Steinsalz enthält daher Verunreinigungen wie Sand, Schwermetalle und andere lösliche Salze wie zum Beispiel Sulfate. Der Gehalt an Natriumchlorid ist daher geringer, und trotz des Siebens ist die Körnung im Durchschnitt gröber und unregelmäßiger als bei Siedesalz. Die relevanten Eigenschaften von Steinsalz als Taumittel sind in Tabelle 1 aufgeführt, und in Abbildung 1 ist die Korngrößenverteilung dargestellt. 2

3 Meersalz Meersalz wird in wärmeren südlichen Ländern gewonnen, indem das Meerwasser durch die Sonne verdampft wird. Schließlich bleibt ein Salz zurück, das in Bezug auf Verunreinigungen und Korngrößenverteilung am ehesten mit dem Steinsalz zu vergleichen ist. In Tabelle 1 sind die relevanten Eigenschaften von Meersalz als Taumittel aufgeführt. Tabelle 1: Eigenschaften von Siedesalz, Steinsalz und Meersalz als Taumittel Siedesalz Steinsalz Meersalz NaCl-Gehalt (%) als 99,9% 95-98% 95-99% Trockensubstanz Korngröße (80%) (mm) 0,20-0, Korngröße (X 50 ) (mm) 0,38 1,8 1,8 Korngröße (mm) (max.) <0,16 mm : 5% <0,16 mm: 2,5% <0,16 mm: 2,5% Korngröße (mm) (max.) > 1 mm : 1% > 5 mm: 1% > 5 mm: 1% Antibackmittel (mg/kg) Schwermetalle (mg/kg) <0, Unlöslich (%) < 0, Löslich, andere als NaCl (%) < 0, Sulfate (g/kg) 0,3 0,3-7 1,5-8 Feuchtigkeitsgehalt (%) < 3 < Anmerkung: Als Antibackmittel wird Ferrozyanid verwendet, das zugesetzt wird, um Verklumpung zu verhindern. Abbildung 1: Typische Korngrößenverteilung Siedesalz und Steinsalz Korngrößenverteilung Siedesalz im Vergleich zu Steinsalz Anteil (%) Steinsalz Siedesalz Korngröße (mm) 3

4 Siedesalz, Steinsalz und Meersalz als Taumittel Wie in Tabelle 1 aufgeführt, gibt es einige Qualitätsunterschiede zwischen den verschiedenen Salzarten. Diese Unterschiede haben deutlichen Einfluss auf den bewirkten Taueffekt. Eine wichtige Rolle spielen dabei die folgenden Eigenschaften: Reinheit: Der Wirkstoffgehalt. Trockenes Siedesalz enthält 99,9% Wirkstoff. Bei Steinsalz und Meersalz ist der Wirkstoffgehalt niedriger, weil diese Salzarten Verunreinigungen wie Schwermetalle, Sand und andere wasserlösliche Komponenten als Salz enthalten. Homogene Korngrößenverteilung: Bei Streuvorgängen wird ein perfektes Streumuster angestrebt. Es soll möglichst wenig Salz verloren gehen und gleichzeitig eine gleichmäßige Verteilung auf dem Weg erreicht werden. Hierfür ist es sehr wichtig, dass die Korngröße des Taumittels einheitlich ist oder eine sehr geringe Bandbreite hat, so dass beim Streuen die optimale Streueinstellung gewählt werden kann. Die Korngröße von Siedesalz ist nahezu einheitlich (80% zwischen 0,20 und 0,45 mm). Siedesalz enthält keine großen Körner, die beim Streuen wie Murmeln wirken. Aufgrund der kleinen Kornverteilung im Siedesalz ist die aktive Oberfläche ca. 6 x größer als bei Grobsalz (Steinsalz, Meersalz). Dadurch bewirkt es auf Eis und Schnee ein viel schnelleres Tauen. Bei Stein- und Meersalz ist die Korngröße ziemlich unterschiedlich (80% zwischen 1,0 und 3,0 mm), so dass immer ein Kompromiss gesucht werden muss, um eine optimale Streueinstellung zu erreichen. Außerdem enthalten Stein- und Meersalz einen signifikanten Anteil großer Körner (3 5 mm), die beim Streuen am Straßenrand wie Murmeln wirken. Die Streueinstellung wird so gewählt, dass diese Murmelwirkung" möglichst vermieden wird, wodurch der Anteil kleinerer Körner im Steinsalz nicht gut verteilt werden kann. Dies ist auf den Fotos (Foto 1 bis 4) gut zu sehen, die beim Streuen von Steinsalz und Siedesalz unter identischen Bedingungen aufgenommen wurden. 4

5 Foto 1: Nassstreuen von Steinsalz; 10 g/m², 30 km/stunde Foto 2: Nassstreuen von Siedesalz; 10 g/m², 30 km/stunde 5

6 Foto 3: Nassstreuen von Steinsalz; 10 g/m², 30 km/stunde Foto 4: Nassstreuen von Siedesalz; 10 g/m², 30 km/stunde 6

7 Alternative Taumittel Neben Natriumchlorid können auch die folgenden Taumittel verwendet werden: Calciumchlorid, Magnesiumchlorid, Ethylenglykol, Ureum, Natriumformiat, Kalium- oder Natriumacetat und Calcium- Magnesium-Azetat. Calcium- und Magnesiumchlorid sind am ehesten mit Natriumchlorid vergleichbar, aber als Feststoff sehr hygroskopisch. Ihre Verarbeitung ist schwierig und nicht ungefährlich. Hygroskopische Substanzen ziehen die Feuchtigkeit sehr stark an und verursachen dadurch Brandflecken auf der Haut. Außerdem sind diese Taumittel aufgrund des hohen Chloridgehalts korrosiver als Natriumchlorid. Alle anderen genannten Taumittel enthalten organische Komponenten, sind praktisch nicht korrosiv, aber viel teurer. Diese Taumittelarten werden häufig dort verwendet, wo keine Korrosion auftreten darf, zum Beispiel auf Flugplätzen und auf Brücken. Der organische Anteil in diesen Taumitteln verursacht einen erhöhten biochemischen Sauerstoffbedarf (engl. biochemical oxygen demand, BOD), so dass diese Taumittel die Umwelt entsprechend belasten. Der biochemische Sauerstoffbedarf gibt die Menge an Sauerstoff an, die zum biotischen Abbau im Wasser vorhandener organischer Stoffe unter bestimmten Bedingungen und innerhalb einer bestimmten Zeit benötigt wird. Umwelt Jede Streuaktion zur Bekämpfung von Glätte hat aufgrund der Salzmenge, die schließlich an den Straßenrand und/oder in die Kanalisation gelangt, negative Auswirkungen auf die Umwelt. Um die Umwelt so wenig wie möglich zu belasten und gleichzeitig auch Kosten einzusparen, ist man bestrebt, möglichst effizient mit möglichst wenig Salz auszukommen. Darüber hinaus ist es sehr wichtig, dass das gestreute Salz keine umweltschädlichen Bestandteile wie Schwermetalle und unlösliche Komponenten enthält. Schwermetalle belasten die Umwelt. Ein brauchbarer Ansatz zur Beurteilung der Auswirkung von unvermeidbaren Zusätzen aus umweltbelastenden Substanzen auf das Erdreich oder das Grundwasser ist das Konzept der maximal zulässigen Konzentration (engl. maximum permissible concentration, MPC) und der vernachlässigbaren Konzentration. Die vernachlässigbare Konzentration basiert auf einem hundertsten Teil der maximal zulässigen Konzentration, und man geht davon aus, dass sie lediglich ein vernachlässigbares Risiko birgt. Die Wahl des Faktors 100 ist zwar willkürlich, aber trotzdem gängig und ergibt sich aus Sicherheitsüberlegungen. Tabelle 2: Vernachlässigbare Konzentration und maximal zulässige Konzentration von Schwermetallen + Arsen in Bezug auf Umweltverschmutzung (Werte bezogen auf die niederländische Situation) Komponente Vernachlässigbare Konzentration Maximal zulässige Konzentration (mg/kg) (mg/kg) Arsen 0,43 43 Barium 0,86 86 Cadmium 0,073 7,3 Chrom 0,36 36 Kobalt 0,73 73 Kupfer 0,31 31 Quecksilber 0,065 6,5 Blei 3,1 310 Molybdän Nickel 0,25 25 Zink 1, Da Siedesalz sehr rein ist, liegen alle Konzentrationen der oben genannten Komponenten weit unter dem vernachlässigbaren Konzentrationswert. Dies ist bei Stein- und Meersalz nicht der Fall und hängt von der Herkunft ab. Normalerweise gilt für Stein- und Meersalz, dass die Konzentrationen zwar unter dem 7

8 maximal zulässigen Wert, aber bei einigen Komponenten über dem vernachlässigbaren Wert liegen. Winterdienst: Der Winterdienst mit Hilfe von Salz kann auf zwei Arten erfolgen, nämlich präventiv oder kurativ. Anfangs wurde nur kurativ mit Trockensalz gestreut: Es handelte sich um das so genannte Trockenstreuen. Ab 1970 begann man unter bestimmten Bedingungen präventiv mit angefeuchtetem Salz zu streuen und bezeichnete diese Vorgehensweise als Nassstreuen. 1. Präventiv: Hierbei wird bereits Taumittel auf den Straßenbelag gestreut, bevor es gefroren hat oder bevor Glätte verursachender Niederschlag (Reif, Schnee) gefallen ist. Die benötigte Taumittelmenge beträgt normalerweise 7 10 g/m². 2. Kurativ: Wenn bereits Straßenglätte entstanden ist, wird Salz gestreut, um diesen Zustand zu beheben. Die benötigte Taumittelmenge beträgt normalerweise g/m². Durch präventives Streuen wird schon im Vorhinein verhindert, dass der Straßenbelag vereist, und bei Schneefall wird hierdurch dafür gesorgt, dass die festgefahrene Schneedecke einfacher entfernt werden kann, weil sie weniger stark an der Straßenoberfläche haftet. Heute wird in Westeuropa möglichst präventiv gestreut. Das Salz kann sowohl trocken als auch feucht (angefeuchtet) auf die Straße aufgebracht werden, obwohl man kaum noch trockenstreut, weil das Salz dann an die Straßenränder geweht wird. Die Winterdienst in den Niederlanden erfolgt größtenteils durch präventives Streuen von angefeuchtetem Salz. Durch das Anfeuchten wird erreicht, dass das Salz weniger stark wegweht (vor allem bei trockenem Siedesalz und trockenem Steinsalz) und dass weniger Salz aufgrund des Murmeleffektes der großen Salzkristalle (Steinsalz und Meersalz) am Straßenrand landet. Beim Streuen mit angefeuchtetem Salz werden Festsalz und Sole auf der Verteilscheibe des Streugeräts im Verhältnis 70% Festsalz zu 30% Sole vermischt. Die übliche Dosierung bei präventivem Streuen beträgt 7 10 g/m² (nasses) Auftausalz. Letzten Endes befinden sich dann 5,3 7,7 Gramm NaCl/m² auf der Straße, wenn NaCl-Sole zum Anfeuchten verwendet wird. Tabelle 3: Häufig angewendete Dosierungen von Auftausalz bei verschiedenen Arten von Glätte; (Quelle: Publikation 270 CROW) (Werte bezogen auf die niederländische Situation) Art der Glätte Überfrorene nasse Straßenabschnitte Präventiv, nassstreuen Kurativ, nassstreuen Kurativ, trockenstreuen Kondensationsfeuchtigkeit und/oder gefrierender Nebel Präventiv, nassstreuen Kurativ, nassstreuen Kurativ, trockenstreuen Schnee Präventiv, nassstreuen (um ein Anhaften zu verhindern) Kurativ, trockenstreuen (nach Schneepflug-Einsatz) Glatteis Präventiv, nassstreuen Kurativ, nass- oder trockenstreuen Dichter Straßenbelag (g/m²) (nass) (trocken) Offenporiger Straßenbelag (g/m²) 2 x 7 oder 1 x 14 7 Nicht üblich 7 7 Nicht üblich (nass) (trocken) 8

9 Sole zum Nassstreuen Im Allgemeinen werden die folgenden Arten von Sole zum Anfeuchten von Auftausalz verwendet: 20-22% NaCl 16% CaCl 2 15% MgCl 2 o In den Niederlanden wird hauptsächlich NaCl-Sole und in geringerem Maße 16% CaCl 2 -Sole verwendet; bei den Prozentangaben handelt es sich um Gewichtsprozente. Natriumchlorid-Sole (NaCl) erhält man, indem man: 1. gebrauchsfertige Sole direkt vom Lieferanten bezieht, z. B. von AkzoNobel, so dass kein Auflöser angeschafft zu werden braucht. AkzoNobel-Sole enthält keine Antibackmittel (Ferrozyanid), während die durch das Auflösen von Festsalz gewonnene Sole Antibackmittel enthält. 2. NaCl selbst in einem Auflöser auflöst Calciumchlorid-Sole (CaCl 2.2H 2 O) erhält man, indem man: 1. gebrauchsfertige Sole direkt vom Lieferanten bezieht 2. 33%-ige Sole vom Lieferanten bezieht und diese 1 zu 1 mit Wasser zu 16%-iger Sole verdünnt 3. selbst CaCl 2 in einem Auflöser auflöst, wobei CaCl 2.2H 2 O-Sole entsteht Magnesiumchlorid-Sole (MgCl 2.2H 2 O) erhält man, indem man: 1. gebrauchsfertige Sole direkt vom Lieferanten bezieht 2. 30%-ige Sole vom Lieferanten bezieht und diese 1 zu 1 mit Wasser zu 15%-iger Sole verdünnt 3. selbst MgCl 2 in einem Auflöser auflöst, wobei MgCl 2.2H 2 O Sole entsteht Auflösen von Auftausalz für die Herstellung von Sole Beim Auflösen von Steinsalz und Meersalz werden ca. 2% nicht in der Sole aufgelöst und bleiben als unlöslicher Bestandteil im Auflöser zurück. Etwa 50% der im Steinsalz vorliegenden Schwermetalle lösen sich in Wasser auf, so dass also die anderen 50% bei den unlöslichen Bestandteilen zurückbleiben. In 1000 kg Steinsalz können bis zu ca. 2,5 Gramm Schwermetalle auf 1 kg unlösliche Bestandteile zurückbleiben (Sondermüll?). Dies ist beim Auflösen von Siedesalz nicht der Fall, da sich dieses Siedesalz vollständig auflöst und auch keine Schwermetalle enthält. Aufgrund der kleineren Korngröße löst sich das Siedesalz außerdem erheblich schneller auf. Wirksamkeit von Natriumchlorid und Calciumchlorid Die Wirksamkeit eines Taumittels wird bestimmt durch: 1. die Schmelzkapazität auf Eis und Schnee 2. die Gefrierpunktserniedrigung von Wasser Da im Allgemeinen hauptsächlich NaCl-Salz und -Sole und (in geringerem Maße) CaCl 2 -Sole als Taumittel verwendet wird, wird hier näher auf die Taueigenschaften dieser beiden Taumittel eingegangen. Schmelzkapazität auf Eis und Schnee Die Schmelzkapazität bezeichnet die Eismenge, die bei Verwendung von 1 kg Salz als Taumittel bei einer Temperatur von -5 C schmilzt. Die Schmelzkapazität von Natriumchlorid und Calciumchlorid ist in der nachstehenden Tabelle aufgeführt. 9

10 Schmelzkapazität bei -5 C Salz kg geschmolzenes Eis 1 kg NaCl 11,5 1 kg CaCl 2 8,0 Abbildung 2: Schmelzkapazität von NaCl und CaCl 2 Schmelzkapazität als Funktion der Temperatur 50 CaCl2.2H2O 40 NaCl Schmelzkapazität (kg Eis/kg Salz) ,0-1,0-2,0-3,0-4,0-5,0-6,0-7,0 Temperatur ( C) -8,0-9,0-10,0-11,0 Nur wenn CaCl 2 als Feststoff in Lösung geht, tritt eine exotherme Reaktion auf, bei der Wärme freigesetzt wird und das CaCl 2 in CaCl 2.2H 2 O (Calciumchlorid-Sole) übergeht. Wenn Calciumchlorid-Sole verdünnt/verarbeitet wird, hat dies keine exotherme Reaktion mehr zur Folge. Es kommt daher auch nicht mehr zu einer Wärmeentwicklung, wenn Calciumchlorid-Sole zum Winterdienst eingesetzt wird. Calciumchlorid in Festform lässt sich nicht gut verarbeiten, weil es sehr hygroskopisch ist und daher Haut, Augen und Lungen reizt. Auch Magnesiumchlorid hat diese Eigenschaften. Natriumchlorid weist diese negativen Eigenschaften nicht auf und ist daher einfacher und angenehmer zu verarbeiten. Natriumchlorid hat beim Auflösen keine exotherme Reaktion zur Folge. Gefrierpunktserniedrigung von (Schmelz)Wasser Durch die Gefrierpunktserniedrigung sinkt die Temperatur, bei der eine Flüssigkeit fest wird, wenn andere Stoffe darin aufgelöst sind. Bei dem Winterdienst sorgt das im Schmelzwasser aufgelöste Taumittel dafür, dass das Schmelzwasser bei einer niedrigeren Temperatur als 0 C friert. Wie stark der Gefrierpunkt 10

11 herabgesetzt wird, hängt von der Art des aufgelösten Stoffs (Taumittel) und der Art des Lösungsmittels (Wasser) ab. Ferner spielen bei dem Taumittel die Anzahl der in Lösung gehenden Teilchen und die Molekularmasse eine Rolle. Je mehr Teilchen aufgelöst sind, desto weiter sinkt der Gefrierpunkt des Schmelzwassers; dieser Effekt wird jedoch oft wieder durch die höhere Molekularmasse aufgehoben. Der Winterdienst mit jeder Art von Salz und/oder Sole beruht immer auf einer Gefrierpunktserniedrigung. Maximale Gefrierpunktserniedrigung mit konzentrierten Solelösungen Die maximale Gefrierpunktserniedrigung, die mit verschiedenen Solelösungen erreicht werden kann, beträgt: -21 C bei NaCl-Sole (23 Gew.-%) -54 C bei CaCl 2 Sole (30 Gew.-%) Bei höheren Konzentrationen geht NaCl in die Hydratform (NaCl.2H 2 O) über und CaCl 2.2H 2 O in CaCl 2.6H 2 O. Beide Komponenten schlagen sich als Feststoff nieder (so dass sich ausgerechnet wieder Glätte bilden kann). Bei -19 C gefriert 22% NaCl-Sole; derselbe Gefrierpunkt wird mit 20,6% CaCl 2 -Sole erreicht. In Abbildung 3 sind die Eislinien für NaCl-Sole, CaCl 2 -Sole und MgCl 2 -Sole dargestellt. Gefrierpunktserniedrigung mit verdünnten Solelösungen Die Gefrierpunktserniedrigungen, die mit verdünnter NaCl-, CaCl 2 - und MgCl 2 -Sole erreicht werden, sind bis zu einer Konzentration von 13,7% nahezu identisch. Dies entspricht einer Gefrierpunktserniedrigung auf -10 C. Abbildung 3 ist zu entnehmen, dass die Gefrierpunktserniedrigung durch NaCl-Sole auf eine Temperatur von -10 C etwas besser ist als die Gefrierpunktserniedrigung durch CaCl 2 - und MgCl 2 -Sole in derselben Konzentration. Abbildung 3 40 Eislinien und Löslichkeit von NaCl, NaCl.2H 2 O, MgCl 2, CaCl 2.2 H 2 O und CaCl 2.6H 2 O Arbeitsgebiet in der Praxis NaCl Temperatur ( o C) CaCl 2 Eis 13.7% NaCl MgCl 2 NaCl.2H 2 O CaCl 2.6H 2 O Eis Salzkonzentration (Gew.-% NaCl, Gew.-% MgCl 2, Gew.-% CaCl 2 ) Anmerkung: Temperaturen unter -10 C sind in den Niederlanden die Ausnahme; bei diesen niedrigen Temperaturen herrscht eine geringe Luftfeuchtigkeit und es fällt wenig oder gar kein Niederschlag. Es besteht also praktisch keine Notwendigkeit zum Winterdienst. 11

12 Konzentration der entstandenen Solelösung nach dem Streuen von Salz Bei präventivem Nassstreuen wird ca Gramm (Nass)salz pro m² auf den Straßenbelag aufgebracht. Die entstandene verdünnte Sole ergibt nur eine Gefrierpunktserniedrigung van ca. 0,5 bis 2 C. Der Taueffekt wird jedoch durch den Druck verbessert, der durch das Befahren der Straße auf den Straßenbelag ausgeübt wird. Theoretische Betrachtung der Gefrierpunktserniedrigung Beim Streuen von (nassem) Auftausalz wird eine bestimmte Salzmenge auf dem Straßenbelag verteilt. Wenn auf der Straße eine Eis- oder Schneeschicht liegt, löst sich das Salz auf und wird durch das entstehende Schmelzwasser verdünnt. Bei einer 0,5 mm dicken Eisschicht oder einer 5 mm dicken Schneeschicht auf 1 m² Straßenbelag entspricht dies 0,5 Liter Schmelzwasser, das beim Tauen entsteht. Ausgehend von 10 g/m² Taumittel gemäß der Nassstreuprozedur (= 7,7 g NaCl pro m²) entsteht dann eine verdünnte Sole mit einer Konzentration von 15,4 g NaCl pro Liter oder 1,54%. Wissenschaftlich lässt sich die Gefrierpunktserniedrigung (GPE) von verdünnten Solelösungen berechnen mit Hilfe der van t Hoff-Gleichung. GPE ( C) = K * n * Konzentration Taumittel in Wasser (g/kg) Molekulargewicht Taumittel (g/mol) K = Konstante = 1,86 für Wasser n = Anzahl Ionen, die beim Auflösen von 1 Molekül Taumittel (in Wasser) entstehen. Ausgehend von einer präventiven Streuaktion gemäß der Nassstreuprozedur mit einer Dosierung von 10 g/m² auf einer Eisschicht von 0,2 mm oder einer Schneeschicht von 2 mm, beide entsprechend 0,2 Liter Schmelzwasser pro m², kann die Gefrierpunktserniedrigung für die verschiedenen Solelösungen berechnet werden. Tabelle 4: Nassstreuprozedur: 10 g Taumittel/m² (7 g Festsalz + 3 g Sole) auf 0,2 mm Eis oder 2 mm Schnee NaCl + Sole für Nasssalzstreuen Gewichtskonz. Volumenkonz. Abdeckung des Straßenbelags Molekulargewicht Festsalz % g/l g/m² g/mol g/m² C NaCl (fest) 7 58,5 7 2,23 + NaCl-Sole ,1 0,66 58,5 7,66 2,44 + CaCl 2 -Sole ,2 0,48 111,1 7,48 2,35 + MgCl 2 -Sole ,8 0,45 95,2 7,48 2,36 GPE Wenn präventiv nur Solelösung gesprüht wird, erfolgt eine Gefrierpunktserniedrigung wie in Tabelle 5 angegeben. Allgemein wird für das präventive Sprühen eine Menge von 20 ml/m² verwendet; soll jedoch dieselbe Gefrierpunktserniedrigung mit CaCl 2 - und/oder MgCl 2 -Sole erreicht werden, muss bei beiden Salzarten eine größere Menge eingesetzt werden. 12

13 Tabelle 5: Sprühen von Sole: 20 ml/m² auf 0,2 mm Eis oder 2 mm Schnee Glättebekämpfungsmittel Gewichtskonzkonz. Straßenbelags gewicht Volumen- Abdeckung des Molekular- GPE % g/l g/m² g/mol C NaCl ,1 5,12 58,5 1,63 CaCl ,2 3,64 111,1 0,92 MgCl ,8 3,38 95,2 0,99 Erforderlich für 0,65 C Gefrierpunktserniedrigung ml/m² C NaCl ,63 CaCl ,63 MgCl ,63 Die Ergebnisse in Tabelle 5 zeigen deutlich, dass wesentlich mehr CaCl 2 - und/oder MgCl 2 -Sole benötigt wird, um dieselbe Gefrierpunktserniedrigung zu erreichen wie mit NaCl-Sole. Winterdienst durch Sprühen von NaCl-Sole Glätte, die durch leichten Schneefall oder eine dünne Eisschicht auf der Straße entstanden ist, kann ausgezeichnet durch das Sprühen von Sole bekämpft werden. Der Vorteil des Sole-Sprühens gegenüber dem Streuen von Nasssalz besteht darin, dass der Straßenbelag vollständig abgedeckt wird und die Tauwirkung sofort einsetzen kann. Vor allem auf wenig genutzten Wegen wie Gehwegen und Radwegen und an Tagen mit geringerem Verkehrsaufkommen, zum Beispiel an Wochenenden und Feiertagen, ist Sole schnell effizienter als Festsalz, weil das Salz bei wenig Verkehr weniger gut verteilt wird. Aufgrund der guten Abdeckung des Straßenbelags kann außerdem die Menge NaCl/m² viel geringer gewählt werden als beim Streuen von Festsalz. Beim (Nass)Salzstreuen wird ein Minimum von 7 g/m² eingesetzt. Tabelle 6 enthält einige Beispiele für die mit unterschiedlichen Solemengen erreichte Gefrierpunktserniedrigung bei einer 0,2 mm dicken Eisschicht oder 2 mm dicken Schneeschicht auf dem Straßenbelag. Tabelle 6: Gefrierpunktserniedrigung bei verschiedenen Mengen 22% NaCl-Sole als Taumittel Dosierung Abdeckung des Gefrierpunktserniedrigung Straßenbelags mit NaCl ml/m² g/m² C 10 2,56 0, ,12 1, ,68 2,44 Beim Sprühen von 30 ml/m² NaCl (22%) wird dieselbe Gefrierpunktserniedrigung erreicht wie beim präventiven Streuen von 10 g/m² angefeuchtetem Salz (siehe Tabelle 4). Wenn mit 30 ml (22%) NaCl-Sole gesprüht wird, kann mit 1000 Liter Sole auf einem 4,17 km langen und 8 m breiten Straßenabschnitt derselbe Effekt erreicht werden wie bei präventiven Nassstreuen mit 10 g/m². 13

14 Ein spezieller Vorteil der NaCl-Lösung von AkzoNobel besteht darin, dass sie keine Antibackmittel (Fe(CN) 6 ) enthält und sehr nachhaltig ist. Wenn hingegen Festsalz zur Herstellung von Sole aufgelöst wird, enthält die Sole sehr wohl Antibackmittel. Zusatz von Additiven zu Auftausalz zur Förderung der Gefrierpunktserniedrigung Ein effizientes Taumittel bewirkt eine erhebliche Herabsetzung des Gefrierpunkts von Schmelzwasser. Obwohl Natriumchlorid an sich bereits ein wirksames Taumittel ist, werden einige Additive zugesetzt, um den Gefrierpunkt von Schmelzwasser noch weiter abzusenken (zum Beispiel auf -19 C). Diese Additive werden jedoch u.a. häufig in Form von Melasse gewünscht. Melasse ist ein Abfallprodukt aus der Zuckerherstellung. Wenn man jedoch die Gefrierpunktserniedrigung für Melasse (Zucker) mit Hilfe der van t Hoff-Gleichung berechnet, zeigt sich, dass die zusätzliche Gefrierpunktserniedrigung, die beim Zusetzen der Melasse zum Auftausalz erreicht wird, praktisch gleich Null ist. Diese Aussage wird durch Versuche untermauert, bei denen die Gefrierpunkte in verschiedenen Schmelzwasserproben mit und ohne zugesetzter Melasse bestimmt wurden. Die Auswirkung des Melasse-Zusatzes war neben dem zugesetzten Auftausalz nicht messbar. Tabelle 7: Schmelzwasserproben mit verschiedenen Mengen Auftausalz mit und ohne Melasse Streuaktion mit Natriumchlorid, mit und ohne Melasse, wobei Zusammensetzung (Konzentration in 1 Liter Schmelzwasser) Theoretische Gefrierpunktserniedrigung Gemessene Gefrierpunktserniedrigung die Straße mit 1 mm Eis oder 10 mm Schnee bedeckt ist ( C) ( C) 10 g NaCl/m² 10 g NaCl/l 0,7 0,4 10 g NaCl + 3% 9,7 g NaCl + 0,3 g 0,7 0,4 Melasse/m² Melasse/l 100 g NaCl/m² 100 g NaCl/l 6,2 100 g NaCl + 3 % 97 g NaCl + 3 g 6,2 Melasse/m² Melasse/l Melasse vermischt mit NaCl-Sole Zusammensetzung Enteisungssole für Nassstreuen Enteisungssole für Nassstreuen + 10% Melasse 22% NaCl 22% NaCl + 10% NaCl 19,2 18,7 17,2 18,0 Anmerkungen: 1. Die gemessene Gefrierpunktserniedrigung wurde mit Hilfe einer thermischen Analyse bestimmt. 2. Die Analyseergebnisse für 10 g NaCl/m² mit und ohne Melasse liegen innerhalb der Genauigkeit des Messgeräts (+/- 1 C), aber es ist klar, dass kein Unterschied zu messen ist. 14

15 3. Die berechneten Werte für die Gefrierpunktserniedrigung bei 22% NaCl-Sole sind eine Annäherung an den tatsächlichen Wert, weil die van t Hoff -Gleichung nur für verdünnte Lösungen gilt; auch hier ist keine signifikante Auswirkung der Melasse zu erkennen. Aus den in Tabelle 7 aufgeführten Daten geht hervor, dass der Zusatz von Melasse zu Salz keine gefrierpunktsenkende Wirkung hat. Selbst wenn 100 g Salz + 3% Melasse pro Quadratmeter gestreut werden, tritt keine signifikante Gefrierpunktserniedrigung im Vergleich zum ausschließlichen Streuen von Salz auf. In Tabelle 8 ist die theoretisch berechnete Gefrierpunktserniedrigung von verschiedenen Taumitteln aufgeführt. Tabelle 8: Gefrierpunktserniedrigung von verschiedenen Taumitteln bei einer Konzentration von 100 g/kg in (Schmelz)wasser berechnet mit der van t Hoff-Gleichung Gefrierpunktserniedrigung bei 100 g/kg für verschiedene Taumittel K(Wasser) = 1,86 Molgewicht (g/mol) Anzahl Teilchen in Lösung (n) Gefrierpunktserniedrigung ( C) NaCl (Natriumchlorid) 58,5 2 6,4 CaCl 2 (Calciumchlorid) ,0 MgCl 2 (Magnesiumchlorid) 95,2 3 5,9 Saccharose (Zucker) ,5 Ethylenglykol 62,1 1 2,9 CMA (CalciumMagnesiumAcetat) 300,6 4 2,5 Natriumformiat 68,0 2 5,5 Ureum 60,1 1 3,1 Kaliumacetat 98,2 2 3,8 Natriumacetat 82,0 2 4,5 Anmerkung: Die größte Gefrierpunktserniedrigung bei Eis/Schnee wird mit NaCl erreicht. Streueigenschaften von Siedesalz und Steinsalz Streuversuch Um die Streueigenschaften von verschiedenen Salzen zu untersuchen, wurde ein vergleichender Streuversuch mit Siedesalz und Steinsalz durchgeführt. Hierfür wurde eine Flächenaufteilung von 1 m² groβen Flächen auf einer Asphaltdecke über die gesamte Breite der Straße und eine Strecke von 6 bis 8 Meter vorgenommen. Anschließend wurden die verschiedenen Auftausalze mit der gleichen Geschwindigkeit (30 km/stunde) mit Hilfe des Nassstreuverfahrens auf die einzelnen Flächen gestreut. Das Salz innerhalb jeder Fläche wurde dann mit einem Nasssaugverfahren aufgenommen, um danach mit Hilfe einer Analyse die Salzmenge in jeder Fläche zu berechnen. Nachdem diese Prozedur mit beiden Salzarten durchgeführt war, zeigte sich, dass vom Steinsalz im Vergleich zum Siedesalz 10 15% verloren gegangen waren, da die groben Körner des Steinsalzes auf den Seitenstreifen geraten waren. 15

16 Alternative Antibackmittel Um das Verklumpen von Salz zu verhindern, wird dem Auftausalz ein Antibackmittel zugesetzt, nämlich Kaliumferrozyanid K 4 Fe(CN) 6 oder Natriumferrozyanid Na 4 Fe(CN) 6. Der Wirkstoff im Antibackmittel ist das Ferrozyanid. Dem Auftausalz wird das Mittel in einer Konzentration von 70 bis 100 mg/kg zugesetzt. Zurzeit ist AkzoNobel mit der Entwicklung eines Antibackmittels befasst, das keine Zyanide enthält, umweltfreundlich ist und biologisch abgebaut werden kann. Die Entwicklungsarbeiten sind bereits weit fortgeschritten. 16