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Die Bedeutung von Zink bei der Kalkbildung

In diesem Artikel möchten wir aufzeigen wie Kalk auf einen geringen Zinkgehalt im Wasser reagiert.

Viele der Erklärungen haben mit Chemie zu tun. Aus chemischer Hinsicht ist Kalk in seinen verschiedenen Formen nichts anderes als Calciumcarbonat, also CaCO3.

Zunächst möchten wir auf die ersten Schritte der Bildung von Calciumcarbonat und die Faktoren, die diese Schritte beeinflussen, eingehen, da dies hilft, den Einfluss von Zink auf den Prozess besser zu verstehen:

  • Die sogenannte „Induktionsphase“ ist die Zeit zwischen der ersten Formierung eines Calciumcarbonat-Moleküls bis zur Formierung erster Kerne.
  • Danach sprechen wir von „Nukleation“, wenn diese kleinsten Kerne wachsen, um sich
  • In der Phase des „Kristallwachstums“ zu größeren Dimensionen zusammenzuballen.

Diese drei Phasen haben starken Einfluss auf die Stärke und Härte jeder Schicht. Daher sind, abhängig von den anfänglichen Konditionen des Wassers, unterschiedliche Ergebnisse zu beobachten.

Sehen Sie hier den Zusammenhang der Parameter nach ihrer Wichtigkeit geordnet, die für die Kalkbildung verantwortlich sind :

1) Calciumgehalt – ist der ausschlaggebendste Parameter von allen. Je größer der Calciumgehalt, desto mehr Kalkablagerungen.

Dennoch wird die endgültige Calciumcarbonatmenge immer durch den Gehalt von Bicarbonaten, Moleküle, die sich mit dem Calcium verbinden, bestimmt. Also, je größer die temporäre Wasserhärte (nicht die Gesamtwasserhärte siehe Blog Was bedeutet hartes Wasser?) , desto größer ist die Sättigung und desto mehr Kalkablagerungen werden auftreten.

Ca2+ + 2HCO3 <=> CaCO3 + CO2 + H2O

2) pH-Wert: Noch vor dem Einfluss der Temperatur steht der pH-Wert. In Experimenten (1) wurde nachgewiesen, dass bei gleicher Wasserhärte die Erhöhung des pH-Wertes von 7 auf 8 fünfmal mehr Kalkablagerungen verursacht als ein Temperaturanstieg von 70°C.

Außerdem neigen sehr alkaline Lösungen stärker dazu, Aragonit- anstelle von Kalzitkristallen zu bilden (2).

3) Temperatur: Bei höherer Temperatur wird mehr CO2 freigesetzt. Dadurch gibt es mehr Kalkablagerungen, die durch das Ungleichgewicht in der vorherigerigen Reaktion entstehen. Bei höherer Temperatur verkürzt sich die Induktionsphase.

Also brauchen wir bei niedrigen Temperaturen zum Ausfällen des CaCO3, entweder einen hohen pH-Wert, oder einen hohen Calciumgehalt (oder beides).

Die Temperatur spielt außerdem insofern eine Rolle, dass normalerweise zuerst Aragonitkristalle gebildet werden, vor allem bei sehr hohen Temperaturen, und sich diese danach in Kalzitkristalle umwandeln.

Deshalb ist bei Temperaturen unter 50ºC – 60ºC Kalzit das thermodynamisch stabilere Kristall. Bei höheren Temperaturen werden Aragonitkristalle geformt, und in der genannten Temperaturspanne können beide Kristalle gleichzeitig vorhanden sein (3).

Auf diese Weise wurde nachgewiesen, dass bei kurzzeitigen Temperaturerhöhungen in Heizkesseln Aragonitablagerungen am Heizstab zu finden sind (4).

4) Fließgeschwindigkeit des Wassers: Es wurde nachgewiesen, dass Kalkablagerungen mit Verringerung der Durchlaufgeschwindigkeit abnehmen (5). Die Logik liegt in der Tatsache, dass bei erhöhter Durchlaufgeschwindigkeit auch eine erhöhte Calciummenge durch die Leitungen fließt.

5) Wasserqualität: Das Vorhandensein von organischen und anorganischen Unreinheiten hat signifikante Auswirkungen auf die Kalkbildung (6).

Unreinheiten, die die Ionen Fe2+, Mg2+, Ni2+, Co2+, Zn2+, Cu2+ enthalten, unterstützen die Entstehung von Aragonit auch bei günstigen Bedingungen für die Ausbildung von Kalzit. Außerdem verlängert sich die Induktionsphase.

Unreinheiten mit Mn2+, Cd2+, Sr2+, Pb2+ y Ba2+ begünstigen hingegen das Vorhandensein von Kalzit.

Generell überwiegt die Meinung, dass Partikel beim Ausfällen von Calciumcarbonat die Struktur der Kalkablagerung schwächen (7). Es wurde auch nachgewiesen, dass bei bestimmten Unreinheiten das Aragonit im Wasser stabil ist und es außerdem die Nukleation von Calciumcarbonat bei Raumtemperatur verzögert (8).

Zuletzt möchten wir auf den Unterschied zwischen natürlich vorkommendem und synthetischem Wasser aufmerksam machen. Letzteres wird normalerweise für Experimente in Laboratorien eingesetzt und es bestehen gravierende Unterschiede zwischen den beiden Wassertypen. Natürliches Wasser ist weniger anfällig für das Ausfällen von Calciumcarbonat. Dadurch kommt es im Vergleich zu künstlichem Wasser bei gleichem Härtegrad und einer Temperatur von 70ºC in natürlichem Wasser zu bis zu 40% weniger Kalkablagerungen.

6) Material der Rohre: das Haftungspotenzial der Kalkablagerungen an jeglichem Material hängt von dessen Oberflächenbeschaffenheit ab. Eine Skalierung von besonders rauen Materialien zu glatten hin wäre: Kupfer, Aluminium, verzinkter Stahl, Messing, Edelstahl… (9).

Bevor wir uns auführlicher dem Zink zuwenden, möchten wir noch einmal hervorheben, dass es sich um das beste natürlich im Wasser vorkommende Mineral handelt, das Kalkablagerungen verhindert. Es konnte außerdem nachgewiesen werden, dass seine elektrolytische Auflösung an einer Kupferkathode ein viel besseres Resultat ergibt als wenn es chemisch aufgelöst wird (10).

Hier die Wirkungen von Zink:

A) Induktionsphase

Je höher der Zinkgehalt im Vergleich zur im Wasser vorhandenen Calciummenge ist, desto länger wird diese Phase hinausgezögert. Diese Wirkung kommt ab 0,06×10-3 Zn/Ca (11), zur Geltung – das heißt, bei 100 mg/l Calcium sind mindestens 0,006 mg/l Zink nötig, um einen erkennbaren Effekt zu erzielen.

Auch das Ausfällen von Calciumcarbonat beginnt, wenn Zink vorhanden ist, erst bei einem höherem pH-Wert.

Bevor wir zur Nukleation kommen, weisen wir noch auf einen weiteren Effekt der Zinkfreisetzung hin, nämlich die Blockierung der Bildung von Calciumcarbonat. Bei einem hohen Zinkanteil und Temperaturen um die 40ºC konnte eine Inhibition der Calciumcarbonatbildung von bis zu 80% beobachtet werden (12).

B) Nukleation::

Da Zink vor allem als Zinkcarbonat ausfällt (ca. 40% der Gesamtmenge), und dieses Kristall einem Kalzitkristall sehr ähnlich ist, blockiert es die Nukleation und provoziert das Ausfällen des Calciumcarbonats in Form von Aragonit.

C) Kristallwachstum:

Zink provoziert ein verlangsamtes Wachstum der Kristalle.

Die Umwandlungsrate von Kalzit zu Aragonit hängt direkt vom Zn/Ca-Verhältnis im Wasser ab. In jedem Fall können die bereits erwähnten chemischen Parameter das Endresultat bezüglich der Kalkbildungshemmung und der Umwandlung der Kristalle sowohl positiv als auch negativ beeinflussen.

Zusammenfassend können wir sagen, dass bei den gängigen Bestimmungen entsprechendem Trinkwasser mit einer Wasserhärte von 45° F und bei Temperaturen um die 80°C elektrolytisch zinkauflösende Entkalkungsanlagen folgende Resultate aufweisen:

  1. Hemmung der Kalkbildung um bis zu 20%-30%.
  2. Die verbleibenden 70%-80% des gebildeten Kalks werden vorwiegend (ca. 80%-90%) in Aragonitkristalle umgewandelt, ein Kristall, das sich nicht ablagert, und das zum größten Teil durch den Wasserstrom ins Abwasser geleitet wird.

Dieses Ergebnis wird positiv beeinflusst durch: einen geringeren Calciumgehalt, einen niedrigen pH-Wert, niedrige Temperaturen und/oder nur kurzfristige Temperaturerhöhungen, eine geringe Durchflussgeschwindigkeit des Wassers und eine hohe Leitfähigkeit des Wassers oder einen hohen Mineralgehalt.


(1) Dawson, 1990

(2) Kitamura et al., 2002

(3) Coetzee et al., 2006

(4) Andritsos et al., 1997

(5) Müller-Steinhagen, 2000

(6) Gabrielli et al., 1999

(7) Andritsos y Karabelas, 2.003

(8) Söhnel y Mullin, 1982

(9) Keysar et al., 1994

(10) MacAdam y Parsons 2004

(11) Coetzee et al., 1996

(12) Meyer 1984

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