Wasseraufbereitung

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1. Allgemeine chemische Grundlagen

Abstract

Wie alle Naturwissenschaften entwickelte sich auch die Chemie aus Einzelbeobachtungen. Mit zunehmender Erkenntnis konnten Theorien aufgestellt werden, welche das Systematisieren des Wissens gestatteten. Das Fachgebiet Chemie wird heute wie folgt definiert: „Die Chemie ist die Lehre von dem Aufbau, den Eigenschaften und den Reaktionen der Materie!“

2. Atomarer Aufbau der Materie

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Die bisherigen Feststellungen sind keineswegs neu. Man kannte sie schon im 17. Jahrhundert. Man glaubte, dass die gefundenen Elemente die kleinsten, nicht mehr teilbaren Teilchen darstellten und nannte sie Atome. Rutherford erklärte 1903 die Radioaktivität als Zerfall der Atome. Sein Schüler, Niels Bohr, schuf 1913 sein berühmtes Atommodell. Er postulierte, dass das Atom aus einem Atomkern besteht, der positiv geladen ist und aus negativ geladenen Elektronen, die den Kern auf vorgegebenen Bahnen umfliegen.

3. Chemische Bindung

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Ein Atom verhält sich nach außen hin wie ein elektrisch nicht geladener Körper,weil die Anzahl der Protonen im Kern gleich der Anzahl der Elektronen in der Hülle ist. Gibt aber das Atom ein oder mehrere Elektronen ab, dann überwiegt die positive Kernladung, so dass das Teilchen nach außen hin eine positive Ladung zeigt. Die Abgabe der Elektronen erfolgt aus der äußersten Schale der Elektronenhülle, weil zu deren Abtrennung die geringste Energie aufgewendetwerdenmuss. Diese positiv geladenen Teilchen bezeichnet man als Kationen, weil sie in einem elektrischen Gleichspannungsfeld zur negativ geladenen Kathode wandern.

4. SI-Einheiten der Wasserchemie

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1984 trat das 1969 erlassene „Gesetz über Einheiten im Messwesen“ endgültig in Kraft. Für die Wasserchemie bedeutet das, dass folgende Begriffe nicht mehr verwendet werden sollen:

• Gesamthärte

• Carbonathärte

• Nichtcarbonathärte

• Magnesiahärte

• Calciumhärte.

5. Grundgesetze der allgemeinen Chemie (Auswahl)

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Nach dem zunächst beobachtetenGesetz der konstanten Proportionen ist die Zusammensetzung einer chemischen Verbindung immer die gleiche. Daraus folgt, dass das Massenverhältnis der an einer Verbindung beteiligten Elemente konstant ist. So ist das Massenverhältnis im Kochsalz immer m(Na) :m(Cl) = 1:1,54.

6. Typen anorganischer Reaktionen

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Salzsäure, eine Lösung von Chlorwasserstoffgas in Wasser, leitet den elektrischen Strom, muss also verschiebbare Ionen enthalten. Chlorwasserstoffgas besteht aus Molekülen und enthält keine Ionen. Reines Wasser besteht ebenfalls aus Molekülen und enthält keine Ionen. Die in der Salzsäure enthaltenen Ionen müssen also beim Lösen des Chlorwasserstoffgases in Wasser entstanden sein. Die Gegenwart von Wasser ist dabei von entscheidender Bedeutung, denn eine Lösung von Chlorwasserstoffgas in Benzin oder Benzol leitet den elektrischen Strom nicht.

7. Definition wichtiger wasserchemischer Begriffe

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Nachdem in den ersten sechs Kapiteln ausgewählte Themen der allgemeinen Chemie – mit strengem Bezug zum Wasser – dargestellt wurden, werden jetzt wichtige Begriffe der Wasserchemie definiert.

8. Wasserchemische Berechnungen

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Das System Kohlenstoffdioxid – Wasser – Calcium ist eines der wichtigsten Systeme der Wasserchemie. Von ihm werden folgende Faktoren beeinflusst:

• Wasserhärte (Carbonathärte)

• Aggressivität

• Geschmack.

9. Verfahren der Wasseraufbereitung

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Die chemische Wasseraufbereitung hat nach Sontheimer im Wesentlichen drei Grundaufgabenstellungen zu erfüllen:

• Entfernung organischer und anorganischer Verunreinigungen aller Art, also fester, flüssiger und gasförmiger Verunreinigungen, die für den Verwendungszweck störend sind.

• Stabilisierung gelöster und kolloidal gelöster Verunreinigungen, die den nicht korrosiven und sedimentationsfreien Transport in Rohrleitungen gewährleistet.

• Desinfektion organisch verunreinigten Wassers, wenn es als Trinkwasser oder höherwertiges Brauchwasser eingesetzt werden soll.

Zur Lösung der verfahrenstechnischen Aufgabenstellung stehen verschiedene Aufbereitungsverfahren zur Verfügung, die sich grob anhand der eingesetzten Techniken klassifizieren lassen.

Zur Lösung der verfahrenstechnischen Aufgabenstellung stehen verschiedene Aufbereitungsverfahren zur Verfügung, die sich grob anhand der eingesetzten Techniken klassifizieren lassen.

10. Filtrationsverfahren

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Von allen heute angewandten Verfahren zur Trink- und Brauchwasseraufbereitung hat zweifellos die Filtration über Schichten aus körnigem Material, wie Sand, Kies, Hydroanthrazit oder Aktivkohle, die größte praktische Bedeutung. Es gibt nur wenige Trinkwasserwerke und Brauchwasseraufbereitungsanlagen, die ohne eine Filteranlage auskommen. Die Verfahrenstechnik der Filtration spielt bei nahezu allen Wasseraufbereitungsverfahren eine wichtige Rolle in der Vor- oder Nachbehandlung. Die Filtration über körnige Materialien ist das älteste technische Wasseraufbereitungsverfahren. Daher haben sich schon zahlreiche Wissenschaftler und Fachleute mit den wichtigen theoretischen und praktischen Zusammenhängen beschäftigt. Praktische Erfahrungen sind besonders in den Jahren 1955 bis 1970 in die Filtrationstechnik eingegangen. In diesen Zeitraum fällt die erstmalige, erfolgreiche praktische Anwendung von Mehrschicht-, Aufstrom- und Flockungsfiltern. Auch in der Theorie ist man seit den Anfängen mit der Darcy’schen Filtrationsgleichung weitergekommen. Allerdings fehlt bis heute die Brücke von der Theorie zur praktischen Anwendung.Die verbesserten theoretischen Erkenntnisse tragen bis heute weder zur sichereren Dimensionierung noch zu besseren Filtrationsergebnissen bei. Hier soll deshalb nur am Rande auf bestehende neuere Theorien eingegangen werden.

11. Chemische Aufbereitungsverfahren

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Bei chemischen Wasseraufbereitungsverfahren wird durch Zugabe von Chemikalien oder durch Filtrieren über chemisch aktive Substanzen die Zusammensetzung des Wassers verändert. Im Wesentlichen können die chemischen Aufbereitungsverfahren in vier Gruppen eingeteilt werden:

• Flockung

• Fällung

• Oxidation

• Ionenaustausch

12. Meerwasserentsalzungsanlagen

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In manchen Ländern und auf vielen Inseln ist die Entsalzung von Meerwasser die einzige Möglichkeit, die Trinkwasserversorgung in ausreichendem Maße sicherzustellen. Ionenaustauschverfahren der beschriebenen Art scheiden aufgrund des hohen Salzgehaltes im Meerwasser aus, da die NK der Ionenaustauschharze absinkt und zur Regeneration der Harze annähernd die gesamte vorher aufbereitete Wassermenge verbraucht wird. Grundsätzlich können die nachfolgend beschriebenen Verfahren angewandt werden.

13. Desinfektion

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Die Trinkwasserverordnung fordert, dass Wasser für den menschlichen Gebrauch frei von Krankheitserregern, genusstauglich und rein sein muss. Im Trinkwasser dürfen Krankheitserreger im Sinne des § 2 Nr. 1 des Infektionsschutzgesetzes sowie chemische Stoffe nicht in Konzentrationen enthalten sein, die eine Schädigung der menschlichen Gesundheit besorgen lassen. Die in Anlage 3 der Trinkwasserverordnung festgelegten Grenzwerte und Anforderungen für Indikatorparameter müssen eingehalten sein.

14. Maßnahmen zur Verringerung der Nitrationenkonzentration im Trinkwasser

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Die Trinkwasserverordnung 2001 – gültig ab 01.01.2003 – legt unverändert zur vorangegangenenVerordnung einen Grenzwert für die Nitratkonzentration von 50 mg/l und für Nitrit einen Grenzwert von 0,5mg/l im Trinkwasser fest. Die Summe aus Nitratkonzentration in mg/l geteilt durch 50 und Nitritkonzentration in mg/l geteilt durch 3 darf dabei nicht größer als 1mg/l sein. Am Ausgang des Wasserwerks darf der Wert von 0,1mg/l für Nitrit nicht überschritten werden. DieseSummenformel hat denHintergrund, dass beiSauerstoffmangel das toxische Nitrit durchNitratreduktion entstehen kann. Das Vorhandensein von Nitrit im Trinkwasser deutet daher auf eine schlechteWasserqualität hin.

15. Schwimmbadwasseraufbereitung

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Die Anforderungen an Schwimmbadwasser weichen nur geringfügig von denen an Trinkwasser ab. Die Aufbereitung von Schwimmbadwasser wird in DIN 19643 behandelt. Alle Aufbereitungsmaßnahmen dienen der Erhaltung der (Trink-)Wasserqualität. Dies wird durch drei unterschiedliche Aufbereitungsmaßnahmen erzielt:

• Desinfektion

• Filtration

• Wassererneuerung.

16. Korrosion in Trinkwassersystemen

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Der Begriff Korrosion wird in DIN EN ISO 8044 (ehemals DIN 50900 Teil 1) wie folgt definiert: „Unter Korrosion versteht man die Zerstörung vonWerkstoffen durch chemische oder elektrochemische Reaktion mit ihrer Umgebung.“

17. Werkstoffe in der Trinkwasserversorgung

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In der Trinkwasserversorgung werden heute vorrangig folgende Werkstoffe eingesetzt:

• Stahl

• duktiles Gusseisen

• Kunststoff

• Asbestzement

• Beton.

18. Korrosionsschutz in Trinkwasserversorgungssystemen

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Zum Korrosionsschutz in Trinkwasserversorgungssystemenstehen folgendeVerfahren zur Verfügung:

• Ausbilden natürlicher Schutzschichten

• Auskleidungen mit künstlichen Schutzüberzügen

• Dosieren von Korrosionsinhibitoren

• Kathodischer Schutz.

19. Härtestabilisierung

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Wie im Abschnitt „Kalk-Kohlensäure-Gleichgewicht“dargestellt, ist die Löslichkeit von Calciumhydrogencarbonat auch von der Temperatur abhängig. Mit steigender Temperatur sinkt die Löslichkeit von Calciumhydrogencarbonat, wenn konstante Konzentration an zugehörigem Kohlenstoffdioxid vorausgesetzt wird. Beim Erwärmen scheidet sich aus dem Wasser vorher lösliches Calciumhydrogencarbonat als unlösliches Calciumcarbonat aus: Ca(HCO₃)₂ → CaCO₃ + H₂O + CO₂.

20. Kathodischer Schutz

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Im Bereich der Wasserversorgung wird der sog. kathodische Schutz nicht wie bei den bisher beschriebenen Verfahren zum Innenschutz von Rohrleitungen, sondern meistens zu deren äußerem Schutz in sauren Böden angewandt. Bei der Behandlung der Korrosionstypen wurde dargelegt, dass sich auf der Metalloberfläche anodische und kathodische Bereiche ausbilden. Dabei gehen an den anodischen Bereichen Metallionen in Lösung, d.h., die Korrosion findet an den anodischen Bereichen statt. Die kathodischen Bereiche unterliegen dagegen keiner Korrosion. Dies ist der Ausgangspunkt zu Überlegungen zum sog. kathodischen Schutz; die Metalloberfläche soll in ihrer Gesamtheit zur Kathode gemacht und dadurch vor Korrosion geschützt werden.

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