Entkarbonisierung für die Wasseraufbereitung

Warum Entkarbonisierung? Carbonathärte, Alkalität und Kesselstein

Die Entkarbonisierung ist ein Verfahren der Wasseraufbereitung zur Reduktion der Carbonathärte (temporäre Härte) und der Alkalität. Ziel ist es, die Kalkbildungsneigung zu senken, da sich bei Erwärmung aus carbonathartem Wasser Calciumcarbonat (Kesselstein) abscheiden kann. Solche Ablagerungen beeinträchtigen Wärmeübertragung, Durchfluss und Betriebssicherheit in technischen Systemen.

In vielen Rohwässern liegt ein relevanter Anteil der Gesamthärte als Carbonathärte vor. Diese ist an Hydrogencarbonat (HCO3–) gekoppelt. Bei Temperaturerhöhung oder CO2-Entgasung kann Calciumcarbonat ausfallen. Typische Effekte sind Beläge auf Heizflächen und Wärmetauschern sowie Funktionsstörungen in wasserführenden Komponenten.

Carbonathärte vs. Nichtkarbonathärte – klare Begriffe und Messgrößen

• Gesamthärte: Summe der härtebildenden Ionen, hauptsächlich Calcium (Ca²⁺) und Magnesium (Mg²⁺); Angabe häufig in °dH oder mmol/L.

• Carbonathärte: Anteil der Gesamthärte, der mit Hydrogencarbonat/Carbonat im Gleichgewicht steht; praktisch eng verknüpft mit der Alkalität (z. B. Säurekapazität).

• Nichtkarbonathärte: Anteil der Härte, der an Anionen wie Sulfat (SO4²–), Chlorid (Cl–) oder Nitrat (NO3–) gebunden ist; dieser Anteil wird durch eine reine Entkarbonisierung nicht vollständig entfernt.

Wichtig für die korrekte Einordnung: Im Betrieb werden nicht feste Carbonate „herausgefiltert“. Calcium- und Magnesiumionen werden im Rahmen der Alkalität über Ionenaustausch in eine andere chemische Form überführt, sodass die Kalkfällung deutlich reduziert wird.

Funktionsprinzip: Ionenaustausch zur Alkalitätsreduktion

Bei der Entkarbonisierung wird ein schwach saurer Kationenaustauscher (WAC, Weak Acid Cation) in Wasserstoffform eingesetzt. Das Harz tauscht Calcium- und Magnesiumionen anteilig gegen Wasserstoffionen (H⁺) aus. Dadurch wird die Carbonathärte reduziert und aus Hydrogencarbonat entsteht Kohlensäure (H2CO3).

Schwach saurer Kationenaustauscher (H-Form)

• Austauschreaktion: Ca²⁺/Mg²⁺ werden gegen H⁺ ausgetauscht, soweit sie der Carbonathärte/Alkalität entsprechen.

• Ergebnis: geringere Carbonathärte und reduzierte Kalkbildungsneigung, insbesondere bei Erwärmung.

• Harztyp: in industriellen Anwendungen typischerweise schwach saure, makroporöse Kationenaustauscherharze auf Acrylbasis.

Kohlensäure/CO2: Wirkung und prozesstechnische Einordnung

Durch die Entkarbonisierung entsteht Kohlensäure, wodurch der pH-Wert sinken kann und gelöstes CO2 zunimmt. Die prozesstechnisch sinnvolle Behandlung hängt vom Gesamtkonzept ab, beispielsweise durch Entgasung oder pH-Konditionierung, wenn nachgelagerte Systeme definierte Bedingungen erfordern.

Regeneration und Betriebskonzept

Entkarbonisierungsanlagen werden überwiegend mit Salzsäure (HCl) regeneriert. Das hat zwei wesentliche Konsequenzen für das Anlagenkonzept:

• Chemikalien müssen sicher gelagert und dosiert werden.

• Das Regenerat/Abwasser muss neutralisiert werden, bevor es weiterbehandelt oder eingeleitet werden kann (abhängig von lokalen Vorgaben und dem Entsorgungskonzept).

Regeneration mit Salzsäure (HCl)

Die Regeneration erfolgt mit Salzsäure, häufig als verdünnte Lösung im Bereich ca. 3–6 %. Die Säure wird über das Ionenaustauscherbett geführt, um die Austauschkapazität des Harzes wiederherzustellen. In der Praxis wird hierfür oft eine Gegenstromführung eingesetzt, da sie die Regenerationseffizienz verbessert und die Ablaufqualität stabilisieren kann (anlagenspezifisch).

Chemikalienlagerung und Arbeitssicherheit

Zur HCl-Regeneration gehören typischerweise:

• Chemikalienbehälter und Armaturen für die sichere Lagerung

• Dosier- und Fördertechnik (z. B. Dosierpumpe, Leitungen, Sicherheitsarmaturen)

• konstruktive Maßnahmen zur Betriebssicherheit (Materialauswahl, Leckagekonzept, Auffangräume nach Projektvorgaben)

Abwasser/Regenerat: Neutralisation und Vereinfachung mit Entsäuerungsmaterial

Das bei der Regeneration anfallende Abwasser ist sauer und muss neutralisiert werden. Zur Vereinfachung der Neutralisation kann Entsäuerungsmaterial eingesetzt werden. Dadurch lässt sich eine Neutralisationsanlage häufig schlanker auslegen, weil die pH-Anhebung teilweise passiv über das Material erfolgt und die Regelstrecke entlastet wird. Welche Ausführung sinnvoll ist, hängt vom Abwasserstrom, den pH-Werten und der geforderten Einleitqualität ab.

Manuelle Regeneration vs. Ventilautomatik

Je nach Größe, Bedienkonzept und Betriebsanforderung sind verschiedene Regenerationskonzepte möglich:

• Manuelle Regeneration: einfacher Aufbau, geeignet bei klar planbaren Zyklen und geringer Automatisierungsanforderung.

• Ventilautomatik: reproduzierbare Abläufe, geringerer Bedienaufwand, höhere Prozesssicherheit durch definierte Spül-, Regenerations- und Verdrängungsphasen.

Übergeordnete SPS-Steuerung für Anlage, Chemie und Neutralisation

Für industrielle Anwendungen ist eine übergeordnete SPS-Steuerung ein zentraler Baustein, um die Entkarbonisierungsanlage, die Chemikalienlagerung/Dosierung sowie die Abwasserneutralisation koordiniert zu führen. Typische Funktionen sind:

• sequenzgesteuerte Regeneration (inkl. Spül- und Sicherheitsabfragen)

• Überwachung von Füllständen, Drücken und Durchflüssen (anlagenspezifisch)

• Freigaben und Verriegelungen für Chemikalienhandling und Neutralisation

• Störmeldemanagement und Betriebszustände für Instandhaltung und Dokumentation

• Schnittstellen zu Leittechnik/GLT nach Projektstandard (optional)

Typische Anwendungen der Entkarbonisierung

• Kesselspeisewasser

• Brauch- und Kühlwasseraufbereitung

• Fernwärmewasser

• ausgewählte Trinkwasseranwendungen (projekt- und anforderungsabhängig)

Anlagenkonzept und Lieferumfang (typisch)

Ein typisches Entkarbonisierungssystem umfasst, abhängig von der Ausführung:

• Ionenaustauscherbehälter mit schwach saurem Kationenaustauscherharz (Acrylbasis)

• Verrohrung/Armaturen und Messstellen gemäß Anlagenkonzept

• Regenerationseinheit für HCl (Chemikalienlagerung und Dosiertechnik)

• Neutralisationseinheit für Regenerat/Abwasser, optional mit Entsäuerungsmaterial

• Automatisierung: Ventilautomatik und/oder übergeordnete SPS-Steuerung zur koordinierten Anlagenführung