Springer-Verlag Berlin Heidelberg GmbH

Transkript

1 Wasseraufbereitung

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3 Klaus Hancke Wasseraufbereitung Chemie und chemische Verfahrenstechnik Fünfte, überarbeitete Auflage mit 84 Abbildungen i Springer

4 Professor Dr. Klaus Hancke Fachhochschule Trier Dozent für Chemie und Wasserversorgung Alkuinstraße Trier Die dritte Auflage ist beim VDI- Verlag, Düsseldorf erschienen. Die Deutsche Bibliothek - cip-einheitsaufnahme Hancke, Klaus: Wasseraufbereitung: Chemie und chemische Verfahrenstechnik 1 Klaus Hancke. - 5., überarb. Aufl. - Berlin; Heidelberg; New York; Barcelona; Hongkong; London; Mailand; Paris; Singapur; Tokio: Springer, 2000 (vdi-buch) Dieses Werk ist urheberrechtlich geschützt. Die dadurch begründeten Rechte, insbesondere die der Übersetzung, des Nachdrucks, des Vortrags, der Entnahme von Abbildungen und Tabellen, der Funksendung, der Mikroverfilmung oder Vervielfältigung auf anderen Wegen und der Speicherung in Datenverarbeitungsanlagen, bleiben, auch bei nur auszugsweiser Verwertung, vorbehalten. Eine Vervielfältigung dieses Werkes oder von Teilen dieses Werkes ist auch im Einzelfall nur in den Grenzen der gesetzlichen Bestimmungen des Urheberrechtsgesetzes der Bundesrepublik Deutschland vom 9. September 1965 in der jeweils geltenden Fassung zulässig. Sie ist grundsätzlich vergütungspflichtig. Zuwiderhandlungen unterliegen den Strafbestimmungen des Urheberrechtsgesetzes. Additional material to this book ean be downloaded from ISBN ISBN (ebook) DOI / Springer-Verlag Berlin Heidelberg 2000 Ursprünglich erschienen bei Springer-Verlag Berlin Heidelberg New York Softcover reprint of the hardcover 5th edition 2000 Die Wiedergabe von Gebrauchsnamen, Handelsnamen, Warenbezeichnungen usw. in diesem Buch berechtigt auch ohne besondere Kennzeichnung nicht zu der Annahme, daß solche Namen im Sinne der Warenzeichen- und Markenschutz-Gesetzgebung als frei zu betrachten wären und daher von jedermann benutzt werden dürften. Sollte in diesem Werk direkt oder indirekt auf Gesetze, Vorschriften oder Richtlinien (z. B. DIN, VDI, VDE) Bezug genommen oder aus ihnen zitiert worden sein, so kann der Verlag keine Gewähr für die Richtigkeit, Vollständigkeit oder Aktualität übernehmen. Es empfiehlt sich, gegebenenfalls für die eigenen Arbeiten die vollständigen Vorschriften oder Richtlinien in der jeweils gültigen Fassung hinzuzuziehen. Einbandgestaltung: Struve & Partner, Heidelberg Satz: K. Triltsch, Würzburg SPIN: / Gedruckt auf säurefreiem Papier

5 Vorwort zur vierten Auflage Wenn ein Lehrbuch innerhalb von neun Jahren zum vierten Male aufgelegt wird, darf man annehmen, daß es eine Nische im Fachbuchprogramm der Verlage fest besetzt hält. Die gute Resonanz, die bereits die vorangegangenen Auflagen erfahren haben, mag sich aber ebenso mit der gesunden Mischung aus verständlicher Darstellung der Grundlagen und knapper, aber vollständiger Zusammenfassung des Spezialwissens zur chemischen Wasseraufbereitung erklären lassen. Während für die zweite und dritte Auflage im wesentlichen der Abschnitt "Kalk-Kohlensäure-Gleichgewicht" überarbeitet wurde, war es für die vorliegende vierte Auflage vor allem das Kapitel VII, in das Arbeit geflossen ist. Die in der DIN (Teil 1 bis 5, Ausgabe 1993) veröffentlichten neueren Ergebnisse zur Korrosion metallischer Werkstoffe wurden in vollem Umfang eingearbeitet. Wir hoffen, daß dieses Buch dem Ingenieur in Ausbildung und Praxis eine nützliche Hilfe ist. Gern nehmen wir Kritik und Verbesserungsvorschläge entgegen. Trier, Mai 1998 Klaus Hancke Vorwort zur fünften Auflage Auch die 1998 erschienene vierte Auflage hat in der Fachwelt wieder ein sehr positives Echo gefunden, so dass wir schon bald mit der Vorbereitung der fünften Auflage beginnen konnten. Dies hat uns die Möglichkeit gegeben, den Text noch einmal durchzusehen und einige wichtige Korrekturen vorzunehmen. V

6 Vorwort zur ersten Auflage Chemische Wasseraufbereitungsverfahren sind Bestandteil vieler Wasseraufbereitungsanlagen in der Industrie und in kommunalen Wasserversorgungsunternehmen. Betrieben werden diese Wasseraufbereitungsanlagen häufig von technisch ausgebildetem Personal, das nur über geringe chemische Kenntnisse verfügt. Dieses Buch wendet sich an Studenten der Ingenieurwissenschaften, insbesondere an Studenten der Fachrichtungen Bauingenieurwesen, Maschinenbau, Verfahrenstechnik und Versorgungstechnik. Außerdem soll es auch erfahrene Betriebspraktiker ansprechen, die für den Betrieb chemischer Wasseraufbereitungsanlagen verantwortlich sind. Es ist das Anliegen des Autors, bei Technikern das Interesse für das Verstehen chemischer Zusammenhänge bei der Wasseraufbereitung zu wecken. Deswegen umfaßt das Buch auch die chemischen und wasserchemischen Grundlagen, die zum Verständnis der chemischen Wasseraufbereitungsverfahren notwendig sind. Das Buch beschreibt in den Abschnitten I und 11 zunächst die theoretischen allgemein-chemischen und wasserchemischen Grundlagen. Die Darstellung zielt nicht auf wissenschaftliche Genauigkeit, sondern auf gutes Verständnis elementarer Aussagen. Deshalb sind viele grundlegende Fakten sehr vereinfacht dargestellt. In den Abschnitten 111 bis VI sind spezielle chemische Wasseraufbereitungsverfahren erläutert, zudem die theoretischen Zusammenhänge kurz dargestellt. Die Dimensionierung chemischer Wasseraufbereitungsverfahren ist anhand vieler Beispielrechnungen erklärt. Abschnitt VII schließlich beschreibt den korrosionsfreien und sedimentationsfreien Transport von Wasser zum Verbraucher. Neu ist das zusammengefaßte Wissen über wasserchemische Grundlagen, chemische Wasseraufbereitungsverfahren und durch Trinkwasser verursachte Korrosion und deren Verhütung. Neu ist auch die einfache, gut verständliche Darstellung. Neu ist schließlich die konsequente Anwendung des SI-Systems. Der Autor hofft, daß das Buch sowohl Studenten als auch Praktikern, die chemische Wasseraufbereitungsanlagen planen oder betreiben, das Verständnis chemischer Zusammenhänge bei der Wasseraufbereitung erleichtert. Schweich, Juni 1989 Klaus Hancke

7 Inhalt I Ausgewählte Kapitel der allgemeinen Chemie. 1 1 Stoffarten Reine Stoffe Homogene und heterogene Mischungen Trennung von Stoffgernischen Einteilung reiner Stoffe Elemente Verbindungen. 6 2 Atomarer Aufbau der Materie Aufbau der Elemente Elementarteilchen Atome Atomkern und Nukleonen Aufbau der Elemente - Kernreaktionen Radioaktive Nuklide Elektronenhülle und Periodensystem Bohrsches Atommodell Quantenzahlen Aufbau der Atome Hauptquantenzahl n = 1; erste Periode Hauptquantenzahl n = 2; zweite Periode Hauptquantenzahl n = 3; dritte Periode Hauptquantenzahl n = 4; vierte Periode Hauptquantenzahl n = 5; fünfte Periode Hauptquantenzahl n = 6; sechste Periode Hauptquantenzahl n = 7; siebte Periode Periodensystem der Elemente Atom- und Ionenradien Ionisierungsenergie Elektronenaffinität Wertigkeit 31 VII

8 VIII Chemische Bindung Ionenbindung Elektronenpaarbindung (Atombindung, Kovalenzbindung) 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.... Wechselwirkung zwischen Molekülen mit induziertem Dipolmoment Wasserstoflbrückenbindung SI-Einheiten der Wasserchemie Umrechnung von deutschen Härtegraden in andere Maßeinheiten.... Umrechnung amerikanischer, englischer und französischer Härtegrade in deutsche und internationale Einheiten 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 Typen anorganischer Reaktionen Säure-/Base-Gleichgewicht. Stärke von Säuren und Basen ph-wert.... Redoxvorgänge Stärke von Oxidations- und Reduktionsmitteln Beispiele für Redoxreaktionen in der Wasserchemie Wasserchemie Definition wichtiger Begriffe ph-wert... Puffersysteme Osmotischer Druck.... Elektrolytische Dissoziation

9 Wasserchemische Berechhungen 82 System Kohlensäure - Wasser - Calcium 82 Berechnung der Stoffmengenkonzentrationen an c(c0 2 ), c(hco;-) und c(co~-) 82 Wasserhärte 91 Kalk-Kohlensäure-Gleichgewicht. 92 Rechenverfahren C 10-R 2 nach DIN Teil 10, Ausgabe Berechnung des Gleichgewichts-Kohlenstoffdioxids 95 Berechnung des Sättigungs-pH-Wertes ph L 98 Rechenverfahren C 10-R 3 nach DIN 38404, Teil 10, Ausgabe Grundlagen 101 Calcitsättigung 103 Massenbilanz. 104 Elektroneutralitätsbedingung 106 Basisgleichung zur Bestimmung des Gleichgewichtssystems 107 Anwendung der Basisgleichung 108 Errechnen der Stoffmengen- bzw. der Massenkonzentration an Natriumionen 110 III Chemische Wasseraufbereitung Aufgabe der chemischen Wasseraufbereitung 113 Mechanische Aufbereitungsverfahren Physikalische Aufbereitungsverfahren 114 Filtration über chemisch inerte Materialien 114 Praktische Hinweise zur Filtration über körnige Materialien. 118 Filtrationsarten Betriebs- und Dimensionierungsgrößen 119 Wahl der Korngrößenverteilung 120 Schmutzaufnahmevermögen 120 Filterrückspülung Wasserspülung Luft-Wasser-Spülung Kombinierte Luft-Wasser-Spülung 124 Zeitdauer der Spülphasen. 125 Mehrschichtfiltration Freibordhöhe Aufbau einer Monoschicht-Kiesfilteranlage 128 IX

10 12 Chemische Aufbereitungsverfahren Enteisenungs- und Entmanganungsverfahren Entstehen von Eisen- und Manganverbindungen im Wasser Entstehen im Grundwasser Entstehen in oberirdischen Fließgewässern Entstehen in stehenden Oberflächengewässern Gründe für die Enteisenung und Entmanganung Chemische Enteisenung Chemische Entmanganung Biologische Vorgänge bei der Enteisenung und Entmanganung Biologische Entmanganung Empfehlungen zur Verfahrenwahl und zur Dimensionierung von Enteisenungs- und Entmanganungsanlagen Filterdimensionierung Sauerstoffanreicherung im Wasser Entsäuerungsverfahren Entsäuerung durch physikalische Verfahren Entsäuerung durch Filtration über alkalische Filtermedien Filtration über Marmorsplit Filtration über halbgebrannten Dolomit Entsäuerung durch Neutralisation mit Laugen Entcarbonisierungsverfahren Entcarbonisierung durch Säureimpfung Säureverbrauch Erhöhung der Anionenkonzentration im aufbereiteten Wasser Kalkentcarbonisierung Schnellen tcarbonisierung Reaktoren zur Schnellentcarbonisierung Erzielbare Wasserqualität Langzei tentcarbonisierung Erzielbare Wasserqualität Flockung Flockungsmittel (FLOMI) Flockungshilfsmittel (FLOHIMI) Ionogene Polymere Anionische Polymere Kationische Polymere Nichtionogene Polymere Verfahrenstechnik der Flockung Ionenaustausch 166 X

11 Skelettstruktur von Ionenaustauschharzen Gleichgewicht Stark saure Kationenaustauschharze in der Wasserstoffionenform Qualität des aufbereiteten Wassers Schwach saure Kationenaustauschharze in der Wasserstoffionenform Stark basische Anionenaustauschharze in der Nicht-Hydroxidionenform Stark basische Anionenaustauschharze in der Hydroxidionenform Regeneration stark basischer Harze Mineralsäureabsorption durch schwach basische Harze Qualität des aufbereiteten Wassers Reaktionsgeschwindigkeit Stark dissoziierte Ionenaustauschharze Schwach dissoziierte Ionenaustauschharze Regenerationsarten Gleichstromregeneration Gegenstromregeneration Gegenstromverfahren mit oben (in der Harzschicht) liegendem Chemikalienentnahmesystem Econex-Verfahren Schichtbettfilter Schwebebettverfahren 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 XI

12 IV Meerwasserentsalzung.... Meerwasserentsalzungsanlagen Elektrodialyse Umgekehrte Osmose. Vorreinigungsanlage. Umkehrosmoseanlage Mehrstufige Entspannungsverdampfung V Verfahren zur Desinfektion und zur Verringerung der Nitrationenkonzentration des Trinkwassers Desinfektion.. Langsamfiltration Abkochen. Chlorung.. 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 Wasserwirtschaftliehe Maßnahmen. 258 Physikalische Verfahren 258 Chemische Verfahren Anionenaustausch Kombinierter Kationen- und Anionenaustausch 260 Teilentsalzung nach dem CARIX-Verfahren 261 Technische biochemische Verfahren 262 Heterotrophe Denitrifikation Autotrophe Denitrifikation Grundsätzlicher Aufbau der Anlagen zur Denitrifikation 264 Diskussion einiger Fließbilder verschiedener Anlagenhersteller 266 VI Schwimmbadwasseraufbereitung 271 Wasserkreislauf 271 Desinfektion XII

13 16.2 Filtration Wassererneuerung 272 VII Korrosions- und sedimentationsfreier Transport von Trinkwasser Korrosion in Trinkwassersystemen Einführung Korrosionstypen Wasserstoffkorrosionstyp Sauerstoffkorrosionstyp Sa uerstoff-konzentra tionselemen t Schmutzteilchen-Korrosionstyp Korrosionsformen Instationäre Korrosion Erhöhte Korrosion in Warmwassersystemen 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 Schrifttum Sachwortverzeichnis Periodensystem der Elemente: Chemische Eigenschaften.309 XIII