Wasserenthärtung

Unter Wasserenthärtung versteht man die Beseitigung oder Maskierung der im Wasser gelösten Erdalkali-Kationen Ca²⁺ und Mg²⁺, die die Waschwirkung von Waschmitteln durch Bildung von Kalkseifen reduzieren und zu störenden Kesselsteinablagerungen in Rohrleitungen und Apparaten führen können. Aus umgangssprachlich hartem Wasser wird weiches Wasser erzeugt. Enthärtetes Wasser darf nicht verwechselt werden mit destilliertem oder demineralisiertem / vollentsalztem Wasser (VE-Wasser).

Neben der Vollenthärtung werden Wässer auch nur teilenthärtet. Häufig reicht es, wenn nur die Carbonathärte vermindert oder weitgehend entfernt wird. Diese Art der Aufbereitung wird Entkarbonisierung genannt.

Verfahren

Kationenaustausch

Enthärtung des Rohwassers durch Austausch der Erdalkaliionen gegen Natriumionen.

Ein häufig eingesetztes Verfahren ist die Enthärtung mit Kationenaustauscherharz. Das Wasser strömt durch einen Behälter, der ein Kationenaustauscherharz enthält. In diesem werden vorwiegend die Ca²⁺- und Mg²⁺-Ionen gegen eine äquivalente Menge Na⁺-Ionen getauscht. Das enthärtete Wasser enthält nun entsprechend mehr Na⁺- und fast keine Ca²⁺- und Mg²⁺-Ionen. Alle übrigen Ionen verbleiben im Wasser.

Die chemische Gleichung für die Enthärtung des Wassers für die Aufnahme von Calciumionen lautet:

$\mathrm{ 2 \ R-SO_3Na \ + \ Ca^{2+}_{(aq)} \ \longrightarrow \ (R-SO_3)_2Ca \ + \ 2 \ Na^+_{(aq)} }$

Mit R−SO₃X: Grundgerüst eines sulfonierten Harzes.

Die Regenerierung eines erschöpften Kationenaustauscherharzes erfolgt mit einer 8-12 %-igen Natriumchlorid-Lösung (Regeneriersalz). Bei der Regeneration wird die vom Ionenaustauschharz aufgenomme Härte (Calcium- und Magnesiumionen) gegen die Natriumionen der Salzlösung wieder ausgetauscht und zum Beispiel das Calcium wieder durch Natrium ersetzt. Die Gleichung hierfür lautet:

$\mathrm{ (R-SO_3)_2Ca \ +\ 2 \ Na^{+}_{(aq)} \ \longrightarrow \ 2 \ (R-SO_3)Na \ + \ Ca^{2+}_{(aq)} }$

Die Regenerierlösung wird mit Rohwasser aus dem Behälter des Austauschers gespült und verworfen. Geschirrspüler sind mit solchen Kationentauschern ausgestattet. Das in Geschirrspüler einzufüllende Salz dient also der Regeneration des eingebauten Kationenaustauscherharzes. Bei Enthärtungsanlagen erfolgt die Regeneration oft automatisch, in festen Zeitintervallen, abhängig von der Menge des verbrauchten Wassers oder von der Qualität des aufbereiteten Wassers, welche mit Hilfe des Härteliters beschrieben werden. Da während der Regeneration bei einer Einzelanlage (ein Behälter) kein enthärtetes Wasser zur Verfügung steht, müssen für die kontinuierliche Versorgung mit enthärtetem Wasser sogenannte Doppelanlagen vorgesehen werden. Eine Doppelanlage besteht aus zwei getrennten Behältern mit Kationenaustauscherharz. Diese werden parallel betrieben. Einer der Behälter liefert enthärtetes Wasser, während der zweite regeneriert werden kann.

Chemikalien zur Enthärtung von Wasser

Substanzen zur Wasserenthärtung werden vielen Zubereitungen für Haushalt und Industrie beigefügt. Sie gehen starke Wechselwirkungen mit den Erdalkali-Kationen ein, die dann nicht mehr für störende Reaktionen zur Verfügung stehen. Die Erdalkali-Kationen werden dabei nicht aus dem Wasser entfernt, sondern „maskiert“. Das Wasser zeigt nun in gewissen Grenzen das Verhalten weichen Wassers.

Verbindungen, die Kationen austauschen:

• Zeolithe, genauer Zeolith A, sind heute in den meisten Waschmitteln enthalten.
• Schichtsilikate werden alternativ zu Zeolithen eingesetzt.

Verbindungen, die durch Komplexbildung wirken:

• Triphosphate wurden früher gerne in Waschmitteln verwendet, führen aber zur Überdüngung von Gewässern.
• EDTA und NTA, beide werden auch in Waschmitteln verwendet.
• Das Anion der Zitronensäure, Citrat, kann teilweise als Ersatz für Phosphate eingesetzt werden.
• Kurzkettige Polyacrylsäure wird häufig als Ersatz für Phosphate z. B. in Waschmitteln eingesetzt.

Physikalische Wasserenthärtung

Auch unter den Begriff der physikalischen Wasserenthärtung fallen Verfahren, die versuchen, mit Magneten oder elektrisch betriebenen Geräten, die magnetische oder sonstige Felder erzeugen, Wasser zu enthärten.

Hierbei werden z. B. Magneten oder stromführende Drähte außen an Wasserrohren angebracht oder aber mit Wechselspannung angesteuerte Platten im Inneren des durchströmten Gerätes unmittelbar in den Weg des Wassers verbracht.

Für solche Verfahren, die mittels elektrischer oder magnetischer Felder die Struktur der Kalkkristalle so verändern sollen, dass eine Ablagerung an Rohren vermindert ist, existiert außer einer Dissertation^[1] kein systematischer wissenschaftlicher Nachweis der Wirksamkeit. Die Stiftung Warentest veröffentlichte im Januar 2000 eine Untersuchung derartiger Wasserbehandlungsgeräte. Es konnte keine im chemischen Sinn „enthärtende“ Wirkung festgestellt werden, jedoch bei 3 von 13 getesteten Geräten eine Verminderung der Kalkablagerung in Elektroboilern.^[2] Das Ergebnis eines früheren Tests der Stiftung Warentest 1985 wurde damit im Wesentlichen bestätigt.^[3]

Die Hypothese für diese Wirkung geht dahin, dass bei der Ausfällung des Calciumcarbonates (aus gelöstem Calciumhydrogencarbonat unter Austritt von Kohlensäure beim Erhitzen) unter dem Einfluss magnetischer Wechselfelder(!) vorübergehend bevorzugt die nadelförmige Kristallform des Aragonits anstelle der würfelförmigen Calcitform gebildet wird. Damit erfolge kein weiteres Kristallwachstum des angelagerten Kesselsteins. Vielmehr blieben die Aragonitnadeln suspendiert und würden mit dem Wasserfluss abtransportiert. Mit Sicherheit unwirksam wären nach dieser Hypothese schlichte Permanentmagnete, die außen an das Wasserrohr montiert werden. Es gibt eine technische Beschreibung einer solchen Apparatur, die mit elektromagnetischen Schwingungen im Audiobereich (4–20 kHz) über kapazitive Kopplung (also wie ein Kondensator) funktionieren soll.^[4]

Manche Geräte sind noch mit einem „Vorfilter“ ausgestattet, der in Wirklichkeit ein kleiner Ionenaustauscher ist. So ist es möglich, dass die Geräte tatsächlich eine enthärtende Wirkung zeigen. Auf Grund der geringen Größe und fehlenden Regenerationsfähigkeit jedoch nur für einige Kubikmeter Wasser (je nach Verbrauch etwa 30–60 Tage).^[5]

Weitere Verfahren

• Entfernung der temporären Härte (Carbonathärte) durch Aufkochen des Wassers. Es bildet sich dabei Kesselstein. Im Wasser bleibt die permanente Wasserhärte zurück. Dieser Vorgang wird unter Wasserhärte näher beschrieben.

• Fällung durch Zusatz einer Suspension von Calciumhydroxid (Kalkmilch); das gebildete Calciumcarbonat wird bei der Langzeit-Entkarbonisierung als Schlamm und bei der Schnell-Entkarbonisierung als so genanntes Hartkorn ausgefällt. Das Verfahren führt nur zur Entfernung der Carbonathärte.

• Eines der ältesten Verfahren für eine weitgehende Enthärtung ist das Kalk-Soda-Verfahren. Mit diesem, bereits im 19. Jahrhundert entwickelten Verfahren, kann die Gesamthärte auf weniger als 2,0°dH vermindert werden. Calcium und Magnesium werden bevorzugt als Dolomit gefällt. Für die Beschleunigung der Fällungsreaktion wird das Wasser erhitzt. Durch den Zusatz von Soda wird jedoch der Natriumgehalt des Wassers erhöht. Dieses Verfahren war für die Herstellung härtearmer Wässer für den Betrieb von Dampfmaschinen und Dampf-Lokomotiven wichtig. Durch die Entwicklung und Einführung von Ionenaustauschern zur Enthärtung verlor das Verfahren an Bedeutung und wird heute nicht mehr angewendet.

• Innere Speisewasseraufbereitung z. B. bei Dampflokomotiven.

Siehe auch

• Regeneriersalz
• Speisewasser
• Wasseraufbereitung
• Wasserhärte

Weblinks

• Christoph Caspari: Magnetische Wasserenthärtung. Web-Artikel mit kritischer Position zur magnetischen Wasserenthärtung
• Neuheit in der Wasserenthärtung. Artikel aus dem IHKS Fach.Journal (Heizung Klima Sanitär), Ausgabe 2008

Einzelnachweise

1. ↑ Dr. Regula Müller, ETH Zürich, 1998 (Diss. ETH No. 12644).
2. ↑ Stiftung Warentest 01/2000: Physikalische Wasserbehandler im Test Vollständiger Test zum freien Download auf der Seite der Stiftung Warentest als PDF.
3. ↑ Kalkkiller ohne Wirkung, Zeitschrift test, 8/1985.
4. ↑ Dr. Ing. Hartmut Jünke: Physikalische Wasserbehandlung – so funktioniert sie! [1].
5. ↑ Christoph Caspari: Magnetische Wasserenthärtung.