Wasseraufbereitung: Chemie und chemische Verfahrenstechnik

344 Pages·2008·23.164 MB·German

by  Stefan Wilhelm (auth.)

Stefan Wilhelm
Wasseraufbereitung
Stefan Wilhelm
Wasseraufbereitung
Chemie und chemische Verfahrenstechnik
7., aktualisierte und ergänzte Auflage
123
ProfessorDr.-Ing.StefanWilhelm
FachhochschuleTrier
FachbereichBLV–Versorgungstechnik
Schneidershof
54293Trier
[email protected]
ISBN 978-3-540-25163-7 e-ISBN 978-3-540-68887-7
DOI 10.1007/978-3-540-68887-7
BibliografischeInformationderDeutschenNationalbibliothek
DieDeutscheNationalbibliothek verzeichnet diesePublikation inderDeutschenNationalbibliografie;
detailliertebibliografischeDatensindimInternetüberhttp://dnb.d-nb.deabrufbar.
©2008Springer-VerlagBerlinHeidelberg
DiesesWerkisturheberrechtlichgeschützt.DiedadurchbegründetenRechte,insbesonderediederÜber-
setzung,desNachdrucks,desVortrags,derEntnahmevonAbbildungenundTabellen,derFunksendung,
derMikroverfilmung oderderVervielfältigung aufanderen WegenundderSpeicherung inDatenver-
arbeitungsanlagen,bleiben,auchbeinurauszugsweiserVerwertung,vorbehalten.EineVervielfältigung
diesesWerkesodervonTeilendiesesWerkesistauchimEinzelfallnurindenGrenzendergesetzlichen
BestimmungendesUrheberrechtsgesetzes derBundesrepublikDeutschlandvom9.September1965in
derjeweils geltenden Fassungzulässig. Sieistgrundsätzlich vergütungspflichtig. Zuwiderhandlungen
unterliegendenStrafbestimmungendesUrheberrechtsgesetzes.
DieWiedergabevonGebrauchsnamen,Handelsnamen,Warenbezeichnungen usw.indiesemBuchbe-
rechtigtauchohnebesondereKennzeichnungnichtzuderAnnahme,dasssolcheNamenimSinneder
Warenzeichen-undMarkenschutz-Gesetzgebungalsfreizubetrachtenwärenunddahervonjedermann
benutztwerdendürften.SollteindiesemWerkdirektoderindirektaufGesetze,VorschriftenoderRicht-
linien(z.B.DIN,VDI,VDE)Bezuggenommenoderausihnenzitiertwordensein,sokannderVerlag
keineGewährfürdieRichtigkeit,VollständigkeitoderAktualitätübernehmen.Esempfiehltsich,gegebe-
nenfallsfürdieeigenenArbeitendievollständigenVorschriftenoderRichtlinieninderjeweilsgültigen
Fassunghinzuzuziehen.
Einbandgestaltung:WMXDesignGmbH,Heidelberg
SatzundHerstellung:LE-TEXJelonek,Schmidt&VöcklerGbR,Leipzig
GedrucktaufsäurefreiemPapier
987654321
springer.com
Vorwort
Vorwortzur siebten Auflage
In der vorliegenden Auflage wurden einige Aktualisierungen und Präzisierungen
vorgenommen,diesichimWesentlichendurchneueVorschriftenundRichtlinienin
derchemischenWasseraufbereitungergebenhaben.
Im Kapitel „Wasserchemische Berechnungen“ wurde ein Beispiel zur Bestim-
mungdesKalk-Kohlensäure-GleichgewichtsauseinerTrinkwasseranalyseneuauf-
genommen.DasKapitel„Desinfektion“wurdevollständigüberarbeitet.
FürVerbesserungs-undErgänzungsvorschlägeistderAutordankbar.
Trier,September2007 StefanWilhelm
Vorwortzur sechsten Auflage
Das von Herrn Professor Hancke vorgegebene Konzept des Buches hat sich be-
währt und bleibt auch für die vorliegende neue Auflage maßgebend. Ausgehend
vonderWasserchemie,möchtedasBuchauchweiterhindieStudierendenderInge-
nieurwissenschaftenindievielschichtigenFragestellungenderWasserverwendung
einführenunddenBerufspraktikernwiebishereineHilfebeiihrertäglichenArbeit
sein. In diese Auflage wurden im Kapitel ,Physikalische Aufbereitungsverfahren‘
neuereMethodenmembrantechnischerWasseraufbereitungerstmalsaufgenommen,
umdamiteinemwichtigenEntwicklungstrendinderWasserbehandlungzuentspre-
chen. Die Daten der Trinkwasserverordnung,insbesonderein Bezug auf neu defi-
niertebzw.veränderteGrenzwerte,wurdenaktualisiert.
Trier,April2003 StefanWilhelm
v
vi Vorwort
Vorwort zurersten Auflage
Chemische Wasseraufbereitungsverfahrensind Bestandteil vieler Wasseraufberei-
tungsanlageninderIndustrieundinkommunalenWasserversorgungsunternehmen.
BetriebenwerdendieseWasseraufbereitungsanlagenhäufigvontechnischausgebil-
detem Personal, das nur übergeringe chemische Kenntnisse verfügt.Dieses Buch
wendet sich an Studenten der Ingenieurwissenschaften, insbesondere an Studen-
tenderFachrichtungenBauingenieurwesen,Maschinenbau,Verfahrenstechnikund
Versorgungstechnik. Außerdem soll es auch erfahrene Betriebspraktiker anspre-
chen, die für den Betrieb chemischer Wasseraufbereitungsanlagen verantwortlich
sind. Es ist das Anliegen des Autors, bei Technikerndas Interesse für das Verste-
henchemischerZusammenhängebeiderWasseraufbereitungzuwecken.Deswegen
umfaßtdasBuchauchdiechemischenundwasserchemischenGrundlagen,diezum
Verständnis der chemischen Wasseraufbereitungsverfahren notwendig sind. Das
BuchbeschreibtindenAbschnittenIundIIzunächstdietheoretischenallgemein-
chemischen und wasserchemischen Grundlagen. Die Darstellung zielt nicht auf
wissenschaftliche Genauigkeit, sondern auf gutes Verständnis elementarer Aussa-
gen. Deshalb sind viele grundlegende Fakten sehr vereinfacht dargestellt. In den
Abschnitten III bis VI sind spezielle chemische Wasseraufbereitungsverfahrener-
läutert, zudem die theoretischen Zusammenhänge kurz dargestellt. Die Dimen-
sionierung chemischer Wasseraufbereitungsverfahren ist anhand vieler Beispiel-
rechnungenerklärt. Abschnitt VII schließlich beschreibtden korrosionsfreienund
sedimentationsfreien Transport von Wasser zum Verbraucher. Neu ist das zusam-
mengefaßteWissenüberwasserchemischeGrundlagen,chemischeWasseraufberei-
tungsverfahrenunddurchTrinkwasserverursachteKorrosionundderenVerhütung.
Neu ist auch die einfache, gut verständliche Darstellung. Neu ist schließlich die
konsequente Anwendung des SI-Systems. Der Autor hofft, daß das Buch sowohl
Studenten als auch Praktikern, die chemische Wasseraufbereitungsanlagenplanen
oderbetreiben,dasVerständnischemischerZusammenhängebeiderWasseraufbe-
reitungerleichtert.
Schweich,Juni1989 KlausHancke
Inhaltsverzeichnis
1 AllgemeinechemischeGrundlagen............................... 1
1.1 Stoffarten ................................................ 2
1.1.1 ReineStoffe ....................................... 2
1.1.2 HomogeneundheterogeneMischungen................ 2
1.1.3 TrennungvonStoffgemischen........................ 3
1.1.4 EinteilungreinerStoffe.............................. 4
1.1.5 Elemente.......................................... 5
1.1.6 Verbindungen...................................... 5
2 AtomarerAufbauderMaterie................................... 7
2.1 AufbauderElemente....................................... 7
2.1.1 Elementarteilchen .................................. 7
2.1.2 Atome ........................................... 8
2.2 ElektronenhülleundPeriodensystem ......................... 13
2.2.1 Bohr’schesAtommodell ............................ 13
2.2.2 Quantenzahlen..................................... 14
2.2.3 AufbauderAtome.................................. 15
2.2.4 PeriodensystemderElemente ........................ 21
3 ChemischeBindung ............................................ 29
3.1 Ionenbindung ............................................ 29
3.2 Elektronenpaarbindung(Kovalenzbindung,Atombindung) ....... 31
3.3 Metallbindung ............................................ 33
3.4 ZwischenmolekulareKräfte ................................. 34
3.4.1 WechselwirkungzwischenIonenundDipolmolekülen ... 36
3.4.2 WechselwirkungzwischenIonenundMolekülen
mitinduziertemDipolmoment........................ 36
3.4.3 WechselwirkungzwischenzweiDipolmolekülen ........ 37
3.4.4 WechselwirkungzwischenDipolmolekülen
undMolekülenmitinduziertemDipolmoment .......... 37
vii
viii Inhaltsverzeichnis
3.4.5 WechselwirkungzwischenMolekülen
mitinduziertemDipolmoment........................ 37
3.5 Wasserstoffbrückenbindung................................. 38
4 SI-EinheitenderWasserchemie.................................. 41
4.1 Definitionen .............................................. 42
4.1.1 Stoffmengen ...................................... 42
4.1.2 Äquivalent(Äquivalentteilchen) ...................... 42
4.1.3 MolareMasseM(früherAtomgewicht,Molekulargewicht) 42
4.1.4 ZusammensetzungvonMischphasen .................. 43
4.1.5 Massenanteilw(früherGewichtsprozent) .............. 43
4.1.6 Stoffmengenanteilx(früherMolprozent)............... 43
4.1.7 Volumenanteilψ(früherVolumprozent) ............... 44
4.1.8 Massenkonzentrationρ∗
(früherKonzentrationundGewichts-Volumprozent)...... 44
4.1.9 Stoffmengenkonzentrationc(frühermolareKonzentration) 44
4.1.10 Äquivalentkonzentrationc(1/zX)
(früherValkonzentration)............................ 44
4.1.11 Volumenkonzentrationσ(früherVolumprozent) ........ 45
4.1.12 Molalitätb(früherMol-Gewichtsprozent).............. 45
4.1.13 Titert ............................................ 45
4.2 UmrechnungvondeutschenHärtegradeninandereMaßeinheiten 46
4.3 Umrechnungamerikanischer,englischer
undfranzösischerHärtegrade................................ 49
5 GrundgesetzederallgemeinenChemie(Auswahl).................. 51
5.1 GesetzederStöchiometrie .................................. 51
5.2 BeispielestöchiometrischerBerechnungen .................... 52
5.3 Massenwirkungsgesetz ..................................... 55
5.3.1 Grundlagen........................................ 55
5.3.2 PrinzipdeskleinstenZwangesvonLeChatelierundBraun 58
5.4 ReaktionsgeschwindigkeitundchemischesGleichgewicht ....... 58
6 TypenanorganischerReaktionen ................................ 63
6.1 Säure-/Base-Gleichgewicht ................................ 63
6.1.1 StärkevonSäurenundBasen......................... 64
6.2 Redoxvorgänge ........................................... 66
6.2.1 StärkevonOxidations-undReduktionsmitteln .......... 68
6.2.2 BeispielefürRedoxreaktioneninderWasserchemie...... 70
7 DefinitionwichtigerwasserchemischerBegriffe ................... 71
7.1 pH-Wert ................................................. 71
7.2 Puffersysteme............................................. 73
7.3 OsmotischerDruck ........................................ 74
7.4 ElektrolytischeDissoziation................................. 75
Inhaltsverzeichnis ix
8 WasserchemischeBerechnungen................................. 79
8.1 SystemKohlenstoffdioxid–Wasser–Calcium ................. 79
8.1.1 BerechnungdesanorganischgebundenenKohlenstoffs ... 79
8.1.2 ErmittlungdespH-WertesmittelsK (4,3) ............. 83
S r
8.1.3 BerechnungderStoffmengenkonzentrationanc(CO ).... 84
2
8.1.4 BerechnungderStoffmengenkonzentrationanc(HCO−).. 85
3
8.1.5 BerechnungderStoffmengenkonzentrationanc(CO2−) .. 86
3
8.2 Wasserhärte .............................................. 89
8.3 Kalk-Kohlensäure-Gleichgewicht ............................ 89
8.3.1 AllgemeineTheorie................................. 90
8.3.2 RechenverfahrenC10-R2nachDIN38404Teil10,
Ausgabe04.1995 .................................. 91
8.3.3 RechenverfahrenC10-R3nachDIN38404,Teil10,
Ausgabe01.4995................................... 98
8.4 PrüfungderLadungsbilanzeinerTrinkwasseranalyse............107
9 VerfahrenderWasseraufbereitung...............................109
9.1 MechanischeAufbereitungsverfahren.........................109
9.2 PhysikalischeAufbereitungsverfahren ........................110
10 Filtrationsverfahren ...........................................111
10.1 FiltrationüberchemischinerteMaterialien ....................111
10.2 PraktischeHinweisezurFiltrationüberkörnigeMaterialien ......114
10.2.1 Filtrationsarten ....................................115
10.2.2 Betriebs-undDimensionierungsgruppen ...............115
10.2.3 WahlderKorngrößenverteilung ......................116
10.2.4 Schmutzaufnahmevermögen .........................117
10.2.5 Filterrückspülung ..................................117
10.2.6 Mehrschichtfiltration ...............................121
10.2.7 Freibordhöhe ......................................121
10.3 AufbaueinerMonoschicht-Kiesfilteranlage....................124
10.4 MembranfiltrationbeiderTrinkwasseraufbereitung .............124
10.4.1 Umkehrosmose ....................................127
10.4.2 Nanofiltration .....................................128
10.4.3 Mikrofiltration ....................................129
10.4.4 Ultrafiltration .....................................129
11 ChemischeAufbereitungsverfahren ..............................135
11.1 Enteisenungs-undEntmanganungsverfahren...................136
11.1.1 EntstehenvonEisen-undManganverbindungen
imWasser.........................................136
11.1.2 GründefürdieEnteisenungundEntmanganung .........138
11.1.3 ChemischeEnteisenung .............................138
11.1.4 ChemischeEntmanganung...........................141
x Inhaltsverzeichnis
11.1.5 BiologischeVorgänge
beiderEnteisenungundEntmanganung................142
11.1.6 EmpfehlungenzurVerfahrenswahl
undzurDimensionierungvonEnteisenungs-
undEntmanganungsanlagen..........................143
11.2 Entsäuerungsverfahren .....................................145
11.2.1 EntsäuerungdurchphysikalischeVerfahren.............145
11.2.2 EntsäuerungdurchFiltrationüberalkalischeFiltermedien 145
11.2.3 EntsäuerungdurchNeutralisationmitLaugen...........147
11.3 Entcarbonisierungsverfahren ................................148
11.3.1 EntcarbonisierungdurchSäureimpfung ................148
11.3.2 Kalkentcarbonisierung ..............................150
11.4 Flockung.................................................161
11.4.1 Flockungsmittel(FLOMI) ...........................164
11.4.2 Flockungshilfsmittel(FLOHIMI) .....................166
11.4.3 VerfahrenstechnikderFlockung ......................168
11.5 Ionenaustausch............................................170
11.5.1 SkelettstrukturvonIonenaustauschharzen ..............175
11.5.2 Gleichgewicht .....................................178
11.5.3 Reaktionsgeschwindigkeit ...........................190
11.5.4 Regenerationsarten .................................196
11.5.5 Kurztaktverfahren ..................................204
11.5.6 KontinuierlicheIonenaustauschverfahren...............206
11.5.7 Mischbettfilter .....................................207
11.6 Behälterhydraulik .........................................208
11.6.1 Wasser-bzw.Chemikalienverteilung...................208
11.6.2 ToträumezwischenDüsen-undAbschlussboden ........211
11.6.3 Harztransport......................................212
11.7 EntcarbonisierungmitschwachsaurenKationenaustauschharzen..212
11.8 Enthärtungsverfahren ......................................216
11.8.1 Fällungsenthärtung .................................217
11.8.2 EnthärtungdurchIonenaustausch .....................217
11.9 VollentsalzungdurchIonenaustausch .........................219
11.10 Kondensatreinigungsanlagen ................................233
11.10.1 MechanischeFiltration ..............................234
11.10.2 ChemischeAufbereitung ............................236
11.11 DekontaminierungradioaktivverseuchterWässer...............238
12 Meerwasserentsalzungsanlagen .................................241
12.1 Elektrodialyse ............................................241
12.2 UmgekehrteOsmose ......................................242
12.2.1 Vorreinigungsanlage ................................243
12.2.2 Umkehrosmoseanlage ..............................244
12.3 MehrstufigeEntspannungsverdampfung ......................245
Inhaltsverzeichnis xi
13 Desinfektion...................................................247
13.1 Langsamfiltration..........................................248
13.2 ThermischeDesinfektion ...................................249
13.3 Chlorung.................................................249
13.3.1 Hypochlorite ......................................251
13.3.2 Chlorgas(Cl ) .....................................251
2
13.3.3 Chlordioxid(ClO ) .................................252
2
13.3.4 Chlorelektolyse ....................................253
13.4 Ozonisierung .............................................253
13.5 UV-Strahlen ..............................................254
13.6 Silberungsverfahren(Oligodynamie) .........................255
13.7 Wasserstoffperoxid ........................................255
14 MaßnahmenzurVerringerung
derNitrationenkonzentrationimTrinkwasser.....................257
14.1 UrsachendererhöhtenNitrationenbelastungdesGrundwassers ...258
14.2 DenitrifikationimGrundwasserleiter .........................259
14.3 TechnischeReduktionderNitrationenkonzentration
inTrinkwasser ............................................260
14.3.1 WasserwirtschaftlicheMaßnahmen....................260
14.3.2 PhysikalischeVerfahren .............................260
14.3.3 ChemischeVerfahren ...............................261
14.3.4 TechnischebiochemischeVerfahren ...................264
14.3.5 Diskussion einiger Fließbilder verschiedener
Anlagenhersteller...................................267
15 Schwimmbadwasseraufbereitung ................................271
15.1 Desinfektion..............................................271
15.2 Filtration.................................................271
15.3 Wassererneuerung .........................................272
16 KorrosioninTrinkwassersystemen ..............................273
16.1 Einführung ..............................................273
16.2 Korrosionstypen ..........................................279
16.2.1 Wasserstoffkorrosionstyp ............................279
16.2.2 Sauerstoffkorrosionstyp .............................279
16.2.3 Sauerstoff-Konzentrationselement ....................280
16.2.4 Schmutzteilchen-Korrosionstyp ......................281
16.3 Korrosionsformen .........................................281
16.4 InstationäreKorrosion......................................281
16.5 ErhöhteKorrosioninWarmwassersystemen ...................283