Stefan Wilhelm. Wasseraufbereitung. Chemie und chemische Verfahrenstechnik. 7., aktualisierte und ergänzte Auflage. 4y Springer

Transkript

1 Stefan Wilhelm Wasseraufbereitung Chemie und chemische Verfahrenstechnik 7., aktualisierte und ergänzte Auflage 4y Springer

2 Inhaltsverzeichnis 1 Allgemeine chemische Grundlagen Stoffarten Reine Stoffe Homogene und heterogene Mischungen Trennung von Stoffgemischen Einteilung reiner Stoffe Elemente Verbindungen 5 2 Atomarer Aufbau der Materie Aufbau der Elemente Elementarteilchen Atome Elektronenhülle und Periodensystem Bohr'sches Atommodell Quantenzahlen Aufbau der Atome : Periodensystem der Elemente 21 3 Chemische Bindung Ionenbindung Elektronenpaarbindung (Kovalenzbindung, Atombindung) Metallbindung Zwischenmolekulare Kräfte Wechselwirkung zwischen Ionen und Dipolmolekülen Wechselwirkung zwischen Ionen und Molekülen mit induziertem Dipolmoment Wechselwirkung zwischen zwei Dipolmolekülen Wechselwirkung zwischen Dipolmolekülen und Molekülen mit induziertem Dipolmoment 37

3 viii Inhaltsverzeichnis Wechselwirkung zwischen Molekülen mit induziertem Dipolmoment Wasserstoffbrückenbindung 38 4 SI-Einheiten der Wasserchemie Definitionen Stoffmenge n Äquivalent (Äquivalentteilchen) Molare Masse M (früher Atomgewicht, Molekulargewicht) Zusammensetzung von Mischphasen Massenanteil w (früher Gewichtsprozent) Stoffmengenanteil x (früher Molprozent) Volumenanteil \j/ (früher Volumprozent) Massenkonzentration p* (früher Konzentration und Gewichts-Volumprozent) Stoffmengenkonzentration c (früher molare Konzentration) Äquivalentkonzentration c(\lzx) (früher Valkonzentration) Volumenkonzentration er (früher Volumprozent) Molalität b (früher Mol-Gewichtsprozent) Titer t Umrechnung von deutschen Härtegraden in andere Maßeinheiten Umrechnung amerikanischer, englischer und französischer Härtegrade 49 5 Grundgesetze der allgemeinen Chemie (Auswahl) Gesetze der Stöchiometrie Beispiele stöchiometrischer Berechnungen Massenwirkungsgesetz Grundlagen ' Prinzip des kleinsten Zwanges von Le Chatelier und Braun Reaktionsgeschwindigkeit und chemisches Gleichgewicht 58 6 Typen anorganischer Reaktionen Säure-/Base-Gleichgewicht Stärke von Säuren und Basen Redoxvorgänge Stärke von Oxidations- und Reduktionsmitteln Beispiele für Redoxreaktionen in der Wasserchemie 70 7 Definition wichtiger wasserchemischer Begriffe ph-wert Puffersysteme Osmotischer Druck Elektrolytische Dissoziation 75

4 Inhaltsverzeichnis ix 8 Wasserchemische Berechnungen System Kohlenstoffdioxid - Wasser - Calcium Berechnung des anorganisch gebundenen Kohlenstoffs Ermittlung des ph-wertes mittels Ks (4,3) r Berechnung der Stoffmengenkonzentration an c(co2) Berechnung der Stoffmengenkonzentration an c(hco^) Berechnung der Stoffmengenkonzentration an c(co ~) Wasserhärte Kalk-Kohlensäure-Gleichgewicht Allgemeine Theorie Rechenverfahren C 10-R 2 nach DIN Teil 10, Ausgabe Rechenverfahren C 10-R 3 nach DIN 38404, Teil 10, Ausgabe Prüfung der Ladungsbilanz einer Trinkwasseranalyse Verfahren der Wasseraufbereitung Mechanische Aufbereitungsverfahren Physikalische Aufbereitungsverfahren Filtrationsverfahren Filtration über chemisch inerte Materialien Praktische Hinweise zur Filtration über körnige Materialien Filtrationsarten Betriebs- und Dimensionierungsgruppen Wahl der Korngrößenverteilung Schmutzaufnahmevermögen..: Filterrückspülung Mehrschichtfiltration Freibordhöhe Aufbau einer Monoschicht-Kiesfilteranlage Membranfiltration bei der Trinkwasseraufbereitung Umkehrosmose Nanofiltration Mikrofiltration Ultrafiltration _ Chemische Aufbereitungsverfahren Enteisenungs- und Entmanganungsverfahren Entstehen von Eisen- und Manganverbindungen im Wasser Gründe für die Enteisenung und Entmanganung Chemische Enteisenung Chemische Entmanganung 141

5 x Inhaltsverzeichnis Biologische Vorgänge bei der Enteisenung und Entmanganung Empfehlungen zur Verfahrenswahl und zur Dimensionierung von Enteisenungsund Entmanganungsanlagen Entsäuerungsverfahren Entsäuerung durch physikalische Verfahren Entsäuerung durch Filtration über alkalische Filtermedien Entsäuerung durch Neutralisation mit Laugen Entcarbonisierungsverfahren Entcarbonisierung durch Säureimpfung Kalkentcarbonisierung Flockung Flockungsmittel (FLOMI) Flockungshilfsmittel (FLOHIMI) Verfahrenstechnik der Flockung Ionenaustausch Skelettstruktur von Ionenaustauschharzen Gleichgewicht Reaktionsgeschwindigkeit Regenerationsarten Kurztaktverfahren Kontinuierliche Ionenaustauschverfahren Mischbettfilter Behälterhydraulik Wasser- bzw. Chemikalienverteilung Toträume zwischen Düsen- und Abschlussboden Harztransport Entcarbonisierung mit schwach sauren Kationenaustauschharzen Enthärtungsverfahren Fällungsenthärtung Enthärtung durch Ionenaustausch Vollentsalzung durch Ionenaustausch Kondensatreinigungsanlagen Mechanische Filtration Chemische Aufbereitung Dekontaminierung radioaktiv verseuchter Wässer Meerwasserentsalzungsanlagen Elektrodialyse Umgekehrte Osmose Vorreinigungsanlage Umkehrosmoseanlage Mehrstufige EntspannungsVerdampfung 245

6 Inhaltsverzeichnis xi 13 Desinfektion Langsamfiltration Thermische Desinfektion Chlorung Hypochlorite Chlorgas (Cl 2 ) Chlordioxid (C1O 2 ) Chlorelektolyse Ozonisierung UV-Strahlen Silberungsverfahren (Oligodynamie) Wasserstoffperoxid Maßnahmen zur Verringerung der Nitrationenkonzentration im Trinkwasser Ursachen der erhöhten Nitrationenbelastung des Grundwassers Denitrifikation im Grundwasserleiter Technische Reduktion der Nitrationenkonzentration in Trinkwasser Wasserwirtschaftliche Maßnahmen Physikalische Verfahren Chemische Verfahren Technische biochemische Verfahren Diskussion einiger Fließbilder verschiedener Anlagenhersteller Schwimmbadwasseraufbereitung Desinfektion Filtration Wassererneuerung Korrosion in Trinkwassersystemen Einführung Korrosionstypen Wasserstoffkorrosionstyp Sauerstoffkorrosionstyp Sauerstoff-Konzentrationselement Schmutzteilchen-Korrosionstyp Korrosionsformen Instationäre Korrosion Erhöhte Korrosion in Warmwassersystemen 283

7 xii Inhaltsverzeichnis 17 Werkstoffe in der Trinkwasserversorgung Stahl Duktiles Gusseisen Kunststoffe Asbestzement Beton Verzinkter Stahl Kupfer Kupferhaltige Werkstoffe Kennwerte für Trinkwasser bei Einsatz verschiedener Werkstoffe Kontaktkorrosion Korrosionsschutz in Trinkwasserversorgungssystemen Natürliche Schutzschichten Künstliche Schutzüberzüge Korrosionsinhibitoren Härtestabilisierung Kathodischer Schutz 299 Literaturverzeichnis 303 Anhang: Verordnung zur Novellierung der Trinkwasserverordnung Sachverzeichnis 337