Praktikum: Grundlagen der Hydrochemie

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1 TU Dresden Institut für Wasserchemie Chemische Entsäuerung mittels Calciumcarbonat und halbgebranntem Dolomit Praktikum: Grundlagen der Hydrochemie V 1 Lernziel: Es sollen Verfahren mit unterschiedlichen Filtermaterialien zur Entsäuerung von Wasser unter Anleitung selbstständig durchgeführt werden. Dabei ablaufende chemische Vorgänge sind auf der Grundlage des Kalk-Kohlensäure-Gleichgewichtes zu diskutieren. Versuchsdurchführung und -auswertung: Als Modellwasser wird vollentsalztes Wasser, welches mit kohlensäurehaltigen Mineralwasser (Fa. MARGON) versetzt ist, verwendet Eine parallele Behandlung dieses calcitlösenden Wassers erfolgt in vier Rohrreaktoren. Reaktor 1: HYDROLIT-CA, ein kugelförmiges Material aus Calcium- und Magnesiumcarbonat (CaCO 3/MgCO 3) Reaktor 2: HYDRO-KARBONAT, ein mikrokristallines Filtermaterial aus Calciumcarbonat (CaCO 3) Reaktor 3: AKDOLIT-GRAN, ein poröses, dolomitisches Filtermaterial (CaCO 3,/ MgO) Reaktor 4: MAGNO-DOL, ein splittriges, dolomitisches Filtermaterial (CaCO 3,/ MgO) Jeweils ein Liter des Wassers wird zur Beschickung der vier Rohrreaktoren verwendet. Hierzu wird das Wasser aus der Flasche Probe unbehandelt in den Scheidetrichter über dem Rohrreaktor gefüllt (Leiter benutzen). Unter den Rohrreaktor wird ein Becherglas gestellt. Der Scheidetrichter wird geöffnet und das Wasser läuft auf den Rohrreaktor. Der Rohrreaktor wird geöffnet und ein schnelles Tropfen (ca. 3 Tropfen pro Sekunde) wird eingestellt. Die ersten 150 ml (Bettleervolumen) werden im Becherglas gesammelt, danach wird ohne Unterbrechung des Auslaufs die Flasche Probe behandelt unter den Auslauf gestellt. Die 150 ml Wasser im Becherglas werden verworfen. Der Versuch wir beendet, wenn der Scheidetrichter leer ist und die ursprüngliche Füllhöhe des Rohrreaktors mit Wasser erreicht ist (rote Markierung) Trockenfallen (Wasserspiegel unterhalb des Filterbetts) oder Überlaufen des Reaktors sind zu vermeiden Bestimmung folgender Parameter des unbehandelten sowie des behandelten Wassers gemäß Analysenvorschrift: Temperatur Ca-Härte ph-wert Mg-Härte Leitfähigkeit Säurekapazität K S 4,3 (+m-wert) Gesamthärte Basekapazität K B 8,2 (-p-wert) Leitfragen (Klausur!) Was versteht man unter folgenden Begriffen und wie stehen sie zueinander in Verbindung? Gesamthärte Carbonathärte Nichtcarbonathärte Säure- und Basekapazität m- und p-wert Mittels welcher Parameter kann die Aggressivität eines Wassers eingeschätzt werden? Wie wirken Calciumcarbonat und halbgebrannter Dolomit als Entsäuerungsmittel? (chemische Gleichungen) 1

2 Weiterführende Literatur [Signatur in der Universitätsbibliothek] Deutsche Einheitsverfahren DIN E 3 und DIN H 7 DVGW (1991) Entsäuerung von Wasser. DVGW-Schriftenreihe Nr. 69, 102 S. [AR ] DVGW-Regelwerk (1992) Technische Regeln, Arbeitsblatt W 214 Teil 2: Entsäuerung von Wasser, Grundsätze für Planung, Betrieb und Unterhaltung von Filteranlagen. Höll, K. (1979) Wasser. de Gruyter, Berlin New York, 6. Aufl., S [20/64 Hütter, L. A. (1990) Wasser und Wasseruntersuchung. 4. Aufl., Salle & Sauerländer, Frankfurt am Main, Aarau, S , [AR22620 H880(6)] Kittner, H.; Starke, W.; Wissel, D. (1985) Wasserversorgung. VEB Verlag für Bauwesen, Berlin, 5. Aufl., S , , [AR22340K62(6)] Mutschmann, J.; Stimmelmayer, F. (1995) Taschenbuch der Wasserversorgung. 11. Aufl., S , [AR22340M993(12)] Worch, E. (1997) Wasser und Wasserinhaltsstoffe. B.G.Teubner Verlagsgesellschaft, Stuttgart, Leipzig, 205 S. [WI4720W923, VN9360W923] Sölter, M. (1997) Entsäuerung und Aufhärtung mit chemisch reagierenden Filtermaterialien. bbr 48 (5), Stetter, D.; Overath, H. (1997) Das Rösrather Verfahren - ein neues Hochleistungsverfahren zur Entsäuerung von Wasser mit Kalkmilch. bbr 48 (9), Drews, M., Dülberg, A. (2000) Erfahrungen der Stadtwerke Wiesbaden AG mit einem neuartigen Hochleistungsverfahren zur Trinkwasserentsäuerung. Gas-Wasserfach, Wasser-Abwasser 141(6), Johannsen, K., Nissing, W. (2001) Eine vereinfachte Methode zur Berechnung der Calcitlösekapazität. Gas-Wasserfach, Wasser-Abwasser 142(9), Wiegleb, K. (2001) Planungskriterien zur Enteisenung und Entsäuerung durch Filtration über halbgebrannte Dolomite. Gas-Wasserfach, Wasser- Abwasser 142(6), K B4,3 K B8,2 ph 0 < 4,3 4,3 < ph 0 < 8,2 K S4,3 K B8,2 K S4,3 K S8,2 ph 0 > 8,2 4,3 8,2 ph Abbildung 1: Darstellung der Säure- und Basekapazitäten für Wässer mit unterschiedlichen ph-werten (ph0) Abbildung 2: Umschlagspunkt Methylorange (ca. ph 4,3) Abbildung 3: Umschlagspunkt Phenolphtalein (ca. ph 8,3) 2

3 ANALYSENVORSCHRIFT 1 Bestimmung der Säure- und Basekapazität (in Anlehnung an DIN ) Erlenmeyerkolben (200 ml, 250 ml, 300 ml) Vollpipette (100 ml) Tropfpipette 1 ml Bürette (50 ml) HCl-Lösung c = 0,1 mol/l = 0,1 M NaOH-Lösung c = 0,1 mol/l= 0,1 M Methylorange-Indikatorlösung Phenolphthalein-Indikatorlösung 1. Bestimmung der Säurekapazität KS 4,3 (+m-wert) 100 ml Probe mit einem ph-wert über 4,5 werden mit 3 Tropfen Methylorange-Lösung versetzt und mit einer 0,1 M HCl-Lösung bis zum Farbumschlag von gelb nach orange titriert. Bitte führen Sie die Messung als Doppelbestimmung durch. Berechnung: Die Säurekapazität der Wasserprobe wird nach folgender Gleichung berechnet: VHCl * chcl * f KS 4,3 = KS 4,3 VHCl chcl f Säurekapazität bis zu einem ph 4,3 in mmol/l Dieser Wert entspricht bei natürlichen Wässern im Wesentlichen der Hydrogencarbonathärte Volumen der verbrauchten Salzsäure in ml Volumen der unverdünnten Wasserprobe in ml Konzentration der Salzsäure in mol/l Umrechnungsfaktor (f = 1000 mmol/mol) 2. Bestimmung der Basekapazität KB 8,2 (-p-wert) 100 ml Probe mit einem ph-wert kleiner 8,2 werden mit 0,2 ml Phenolphthalein-Lösung versetzt und mit einer 0,1 M NaOH-Lösung titriert. Der Farbumschlag des Indikators erfolgt von farblos nach schwach rosa. Bitte führen Sie die Messung als Doppelbestimmung durch. Berechnung: Die Basekapazität der Wasserprobe wird nach folgender Gleichung berechnet: VNaOH * cnaoh * f KB 8,2 = KB 8,2 Basekapazität bis zu einem ph 8,2 in mmol/l VNaOH Volumen der verbrauchten Natronlauge in ml Volumen der unverdünnten Wasserprobe in ml cnaoh Konzentration der Natronlauge in mol/l f Umrechnungsfaktor (f = 1000 mmol/mol) 3

4 ANALYSENVORSCHRIFT 2 Calcium- und Magnesium-Bestimmung nach DIN Teil 3 1. Komplexometrische Bestimmung des Calcium-Ions - Erlenmeyerkolben (200 ml, 250 ml bzw. 300 ml) - Bürette (50 ml) - Kolbenhubpipette 5 ml - Vollpipetten (50 ml) - NaOH-Lösung c = 2 mol/l - EDTA-Lösung c = 0,01 mol/l - Calconcarbonsäure-Indikator Probenvorbehandlung: Die Wasserprobe sollte zwischen 2 und 100 mg/l, entsprechend 0,05 und 2,5 mmol/l Calcium enthalten. Hiervon wird ausgegangen. Wird eine Konzentration > 100 mg/l erwartet, so wird ein geeignetes Volumen der Probe mit Wasser auf 50 ml verdünnt, um den geforderten Konzentrationsbereich einzuhalten. Bei Konzentrationen < 2 mg/l kann von einem entsprechend größeren Volumen ausgegangen werden. 50 ml der Wasserprobe werden in einen Erlenmeyerkolben pipettiert, mit 2 ml 2 M NaOH-Lsg. und etwa 0,2 g Calconcarbonsäure-Indikator (gehäufte Spatelspitze) versetzt und mit der 0,01 M EDTA-Lösung titriert, wobei der Kolben ständig geschüttelt wird. Gegen Ende der Titration wird langsam titriert. Der Endpunkt ist erreicht, wenn die Farbe deutlich von rot nach blau umgeschlagen ist und sich die Farbe nicht mehr ändert. Bitte führen Sie die Messung als Doppelbestimmung durch. Auswertung: Der Calciumgehalt der Wasserprobe wird nach folgender Gleichung berechnet: VE * ce * f cca = cca Stoffmengenkonzentration der Wasserprobe an Calcium-Ionen in mmol/l VE Volumen der bei der Titration verbrauchten EDTA-Lsg. in ml Volumen der unverdünnten Wasserprobe in ml ce Stoffmengenkonzentration der EDTA-Lsg. in mol/l f Umrechnungsfaktor: 1000 mmol/mol (1 mmol/l Ca 2+ = 40,08 mg/l Ca 2+ ) 2. Bestimmung der Summe der Calcium- und Magnesium-Ionen durch komplexometrische Titration - Erlenmeyerkolben (200 ml, 250 ml bzw. 300 ml) - Bürette (50 ml) - Vollpipette (25 ml, 50 ml) - Messzylinder 100 ml - Kolbenhubpipette (5 ml) - EDTA-Lösung c = 0,01 mol/l - Eriochromschwarz-MischIndikator - Pufferlösung, Ammoniumchlorid/Ammoniak-Lösung ph = 10 4

5 - Reinstwasser zur Verdünnung Wegen Störungen durch ausfallendes Carbonat muss die Titration möglichst schnell durchgeführt werden. Aus diesem Grund wird der ungefähre Verbrauch an EDTA-Lösung durch eine Vortitration bestimmt. Bitte führen Sie die Haupttitration als Doppelbestimmung durch. Vortitration: 50 ml der Wasserprobe werden in einen Erlenmeyerkolben pipettiert. Nach Zugabe von 4 ml Pufferlösung und einer Spatelspitze Eriochromschwarz-Mischindikator soll die Lösung eine weinrote Farbe und einen ph-wert von 10,0 haben. Sie wird mit der EDTA-Lösung unter dauerndem Schütteln titriert. Wenn die Farbe der Lösung beginnt, von rot nach grün umzuschlagen, wird die EDTA-Lösung nur noch tropfenweise zugegeben. Der Titrationsendpunkt ist erreicht, wenn der letzte rote Schimmer verschwunden ist. Hinweis: bei zu geringer Zugabemenge des Indikators erfolgt der Farbumschlag von rot nach gelb. Werden bei der Titration mehr als 20 ml EDTA-Lösung verbraucht, wird die Untersuchung mit einem kleineren Volumen der Wasserprobe wiederholt, dabei wird die Probe mit Wasser auf 50 ml verdünnt. Haupttitration: Eine zweite Probe desselben Wassers wird auf folgende Weise titriert: 50 ml werden in einen Erlenmeyerkolben pipettiert. Dazu werden etwa 3,0 ml weniger EDTA-Lösung zugegeben, als bei der Vortitration verbraucht wurden. Nach Zufügen von 4 ml Pufferlösung und einer kleinen Spatelspitze Eriochromschwarz-Mischindikator wird die Wasserprobe tropfenweise mit EDTA-Lösung bis zum Endpunkt titriert. Wenn sich hierbei der Verbrauch an EDTA-Lösung um mehr als 0,2 ml von dem der Vortitration unterscheidet, muss eine dritte Probe in gleicher Weise untersucht werden. Auswertung: Der Gesamtgehalt der Wasserprobe an Calcium- und Magnesium-Ionen wird nach folgender Gleichung berechnet: VE * ce * f c = c Summe der Stoffmengenkonzentrationen der Wasserprobe an Ca- und Mg-Ionen in mmol/l VE Volumen der bei der Titration verbrauchten EDTA-Lsg. in ml Volumen der unverdünnten Wasserprobe in ml ce Stoffmengenkonzentration der EDTA-Lsg. in mol/l f Umrechnungsfaktor: 1000 mmol/mol (1 mmol/l Ca 2+ = 40,08 mg/l Ca 2+, 1 mmol/l Mg 2+ = 24,31 mg/l Mg Berechnung des Magnesiumkonzentration Der Magnesiumkonzentration ergibt sich aus der Differenz der Stoffmengenkonzentration der Wasserprobe an Calciumund Magnesium-Ionen. 5