Chemisch, physikalisch und elektrolytisch

Zur Minderung bzw. Verhinderung von lästigen Kalkbelägen in Haushalt und Gewerbe bietet die Industrie verschiedene Methoden der Wasserbehandlung an. Die Verfahrensweisen gehen vom klassischen Ionenaustauscher über Dosieranlagen, physikalische und elektrolytische Wasserbehandlungsgeräte bis hin zur so genannten Wasserenergetisierung. Im folgenden Beitrag sollen die einzelnen Methoden dargestellt werden, wobei der Schwerpunkt auf DVGW-zertifizierten Geräten mit elektrolytischer Arbeitsweise liegt.

Physikalisch ist nicht neu
Vor mehr als 130 Jahren wurde bereits das erste Patent für ein physikalisches Wasserbehandlungsgerät mit Magnettechnik erteilt. Weitere physikalische Verfahren folgten, bei welchen immer entweder eine elektrische Spannung induziert oder direkt ins Wasser eingebracht wurde. Diverse Testverfahren attestierten den meisten Geräten eine prinzipielle Funktion, die in der Praxis mehr oder weniger deutlich hervortrat. Ein einheitliches Prüfverfahren gab es erst ab 1996. Dieses robuste Boilerprüfverfahren attestierte den bis dahin auf dem Markt befindlichen physikalischen Geräten keine – im Sinne des Arbeitsblattes – ausreichende Wirksamkeit bezüglich einer Verminderung von Steinbildung. Nur Neukonstruktionen schafften diese Hürde mit elektrolytischen Ver­fahren, oder der Biomineralisation, für welche das Prüfverfahren seiner Zeit modifiziert angewendet werden musste.

Methoden der Kalksteinverminderung
Die nächstliegende Methode zur Kalksteinverminderung ist natürlich das Herausnehmen der Härtebildner, z.B. durch Ionenaustausch oder Membranverfahren. Eine weitere Möglichkeit ist die Zugabe von chemischen Stoffen, welche die Kalkausscheidung stark hemmen. Physikalische Verfahren dagegen bauen eine Konkurrenzsituation zur Kalkabscheidung an den Heizelementen auf. Die Geräte generieren hierzu sehr viele, extrem kleine Kristallisationszentren aus dem im Wasser ge­lös­ten Kalk, auf welchen sich bei der nachfolgenden Erwärmung der Hauptteil des ausfallenden Kalks absetzt und bei einer Wasserentnahme mit ausgeschwemmt wird.

Ionenaustauschverfahren
Bei der Wasserenthärtung mit Ionenaustauschern, werden die Härtebildner (Kalzium und Mag­ne­sium) des Trinkwassers durch Natrium ersetzt. Dies geschieht mit Hilfe eines Austauscherharzes. Es besteht aus zahllosen kleinen Kunstharzkugeln, die zusammen eine sehr große Oberfläche haben. Die Kugeln werden mit einer Kochsalzlösung im wahrsten Sinne des Wortes gepökelt. Über die gesalzten Kunstharzkugeln fließt danach das harte, „kalkhaltige“ Kaltwasser. Die Härtebildner setzen sich auf den Oberflächen der Kunstharzkugeln ab und lösen dabei das Kochsalz, was in das Wasser abgegeben wird. So kommt es beim Enthärtungsvorgang zu einer Aufsalzung des Trinkwassers. Um die Wasserhärte um 0,178 mmol/l zu verringern werden 8,2 mg/l Kochsalz abgegeben. Hierbei ist der Grenzwert für Kochsalz nach der Trinkwasserverordnung zu beachten. Er liegt bei 200 mg/l. Wässer, die schon mit einem hohen Kochsalzanteil geliefert werden, können folglich nur geringer enthärtet werden. Diese klassische Enthärtung liefert wirklich weiches Wasser, reduziert somit auch den Verbrauch von Waschmitteln und vermindert Ablagerungen. Erkauft wird dies mit laufenden Kosten für Regeneriersalz und Wasserverlusten. Denn spätestens alle vier Tage muss das Austauscherharz wieder neu gesalzen werden, was ein Abfließen der Salzsole in die Entwässerung erforderlich macht.

Chemische Härtestabilisierung
Die so genannte Mineralstoffdosierung besteht meist aus einer Kombination aus Poly- und Ortho­phosphaten sowie Silikaten, kann also gleichzeitig auch einen gewissen Korrosionsschutz bieten. Das Polyphosphat umhüllt das Kalziumkarbonat und blockiert das Keimwachstum. Die Härte fällt dadurch verzögert in Form von lockeren Niederschlägen aus.

Energetische Wasserbehandlung
Geräte zum Energetisieren oder Beleben von Trinkwasser arbeiten mit der Übertragung von subtilen Energien auf das Wasser, die nicht direkt gemessen werden können. Nur im Experiment (z.B. Kristallanalyse, Geschmacksprobe, Elektroakupunktur) können ihre Auswirkungen als Phänomene wahrgenommen werden. Man geht davon aus, dass Wasser ein Informationsträger ist und damit Frequenzmuster in den Wasserclustern speicherbar sind, wie das auch bei der Homöopathie angenommen wird. Diese subtilen Ener­gien stammen entweder aus einem Informationsspeicher, der aus kristallinem oder wasserhaltigem Material (Quarzsand, Kalk, Wasser) besteht oder kommen durch Wirbel- und Magnetisierungseffekte zu Stande. So behandelte Wässer sollen nicht nur frischer schmecken und den Aufbau von Kalkablagerungen behindern sondern zeigen – zumindest nach der Kristallanalyse – oft die Vitaleigenschaften von frischen Quellwässern. Eine Wirkungsweise dieser „esoterischen“ Geräten ist derzeit technisch nicht messbar.

Physikalische Wasserbehandlung
Klassische physikalische Wasserbehandlungsgeräte wirken – je nach Verfahren – dauermagnetisch, elektromagnetisch, elektrodynamisch (Spannungsimpulse), oder galvanisch auf die Wasserstruktur und das Kalk-Kohlensäuregleichgewicht ein. Die homogene Kristallkeimbildung im Wasser wird dadurch verzögert oder auch beschleunigt. Wirksamster Effekt ist die durch die Behandlung begünstigte Bildung von formlosem, wenig haftendem Kalk, der unter Rohrströmungsbedingungen
nicht aufwächst. Warmwasserrohre bleiben frei und bei Wassererwärmern vergrößern sich die Wartungsintervalle deutlich, wenn genügend Kristallisationszentren gebildet werden. Im Falle von niedrig legierten Stählen wird ­eine begünstigte Bildung von Korrosionsschutzschichten beobachtet, sofern die Wasserparameter (pH-Wert, Neutralsalzgehalt, Härte) dies auf dem Werkstoff generell erlauben. Das breiteste Spektrum am Markt bieten stromlos arbeitende, permanentmagnetische Wasserbehandlungsgeräte, die in den Dimensionen DN 15 bis DN 600 zur Verfügung stehen, und Volumenströme bis 2400 m3/h bewältigen können.

Geräte mit DVGW-Prüfzeichen
Mit dem DVGW-Arbeitsblatt W 510 [1] sind die notwendigen Anforderungen und Prüfungen zur Erlangung eines DVGW-Prüfkennzeichens für Kalkschutzgeräte in Trinkwasserinstallationen festgeschrieben. Dies reicht von der Druck- und Temperaturbeständigkeit über Hygiene (KTW [2]), Wasserqualität und Wartungsfreundlichkeit bis zum Nachweis der Wirksamkeit. Die Wirk­sam­keits­prü­fung zum Beispiel, erfolgt apparativ mit einem Wasserdurchsatz von 20 m3/21Tagen, bei täglich 122 Intervallen, wobei der Durchfluss zwischen 1 und 20 l/min variiert.

Statistisch beinahe Null?
Speziell zur Verhinderung von Kalziumkarbonatablagerungen dienen die modernen, DVGW-zertifizierten Kalkschutzgeräte, die sehr viele Nanokristalle (abgeleitet von „nanus“, lateinisch „der Zwerg“) als Keimbildungszentren zur Verfügung stellen können. Übersteigt nämlich die Oberfläche aller Kris­tal­li­sa­tions­zen­t­ren die Oberfläche der Heizelemente um mehrere Größenordnungen, so wird – statistisch gesehen – die Wahrscheinlichkeit für die Abscheidung von Kalziumkarbonatmolekülen auf dieser Oberfläche nahe Null sein. Bei hoher Heizflächenbe­las­tung müssen das allerdings sehr viele sein, da in kurzer Zeit relativ viel Kalziumkarbonat abzufangen ist. Weltweit stellen zurzeit die Hersteller BWT, Grünbeck, ­Judo, Permatrade, Syr und Watercryst entsprechende Geräte her. Unter Ausnahme von Watercryst greifen die anderen Behandlungsgeräte mit Hilfe der Elektrodentechnik an sehr großen Kathodenflächen lokal in das Kalk-Kohlensäuregleichgewicht ein.

Permasolvent Primus
Bei der Quadrupoltechnik des Permasolvent Primus durchströmt das Wasser vier elektrisch abwechselnd gepolte Aktivkohlesegmente, deren Granulatteilchen als Mikroelektroden wirken und durch Spannungsimpulse im Niederspannungsbereich polarisiert werden. An den negativ gepolten Mikroelektroden kommt es zu einer Alkalisierung, die bei kalkhaltigen Wässern zu einer Abscheidung von Kalziumkarbonat auf der Kohleoberfläche führt. Mit einer speziellen Spannungsfunktion wird die Neubildung von Kal­zium­kar­bo­nat­kris­tal­len gegenüber dem Wachstum bereits gebildeter Kristalle bevorzugt, Nanokristalle entstehen. Durch periodische Spannungsumkehr in Abhängigkeit vom Volumenstrom werden die Kristallisationszentren dann immer wieder abgelöst und das Gerät selbst vor einer Verkalkung geschützt. Zusammen mit der Abscheidung von Kalk auf der Kohleoberfläche werden sehr geringe Mengen Wasser gespalten. Der atomar gebildete Sauerstoff sorgt dabei für einen gewissen Schutz vor ungewolltem Keimwachstum, das Gerät ist somit im Betrieb – wie die nachfolgend beschriebenen elektrolytisch arbeitenden Geräte – selbstdesinfizierend. Ein Austausch der Einwegzelle wird nach ca. 600 m3 angezeigt und ist ohne Werkzeug möglich.

AQA Total
Zentrale Behandlungseinheit bei der IQ-Technik ist eine Fest­bett­elek­tro­de, bestehend aus einer Mischung aus Quarzsand und Kohlegranulat. Kontaktiert wird mit zwei Grafitstäben, Keimbildung und Ablösung erfolgen nach dem gleichen Mechanismus. Die einfach wechselbare Austauschkartusche hat eine Standzeit von ca. 400 m3.

Biostat 2000
Diese Technik enthält als Wirkeinheit ein Elektrolysegefäß mit einer zentral angeordneten, negativ gepolten Edelstahlbürste und einer ringförmigen Ge­gen­elek­tro­de aus Kohle/Titan. An der Oberfläche der Stahlbürste wird nach dem gleichen Mechanismus Kalk abgeschieden. Anders als beim Festbettsystem, wo zur Kalk­ablösung die Elektrode lediglich umgepolt werden muss, wird hier der Kalk mechanisch mittels eines elektrisch betriebenen Rotors abgestreift. Größere Kalkteilchen, die von der Bürste dadurch gelöst werden, müssen in Intervallen abgeschlämmt werden. Nach Herstellerangaben ist kein Austausch der Zelle erforderlich.

Multisafe 3000
Der Multisafe 3000 von Syr arbeitet ebenfalls elektrolytisch. Die Reaktionseinheit besteht aus mehreren Stabelektroden aus Grafit, die ringförmig angeordnet sind. Darüber hinaus ist eine spezielle Wasserführung vorhanden. Nach ca. 400 m3 wird der Austausch der elektrolytischen Zelle empfohlen, der allerdings ohne Werkzeug nicht so einfach möglich ist. Das Gerät ist busfähig und optional mit Aquastop-Funktion erhältlich.

Geno-K4
Die alternative Methode von Grünbeck arbeitet ebenfalls mit Elektrodentechnik. Hier werden die Elektrodenoberflächen von Kohlefasergeweben gebildet. Während die vorgenannten Geräte bis zu 28 V anlegen, wird hier eine Gleich­spannung von 2,6V eingesetzt. Durch die Unterspannungsabscheidung wird die Wasserspaltung vermieden, die Stärke der Alkalisierung und damit das Ausmaß der Kristallkeimbildung werden durch die elektrochemische Reduktion des im Wasser gelösten Sauerstoffs bewirkt. Das Gerät muss in regelmäßigen Intervallen gespült werden. Entsprechend der Anzeige wird nach ca. 600 m3 die Behandlungseinheit vom Kundendienst gewechselt. Optional erhältlich ist eine Wasserstoppfunktion.

Biocat
Das gleiche Ziel, die Bereitstellung von sehr vielen Kris­tal­li­sa­tions­zen­tren aus Wasserbestandteilen, erreicht der Biocat von Watercryst durch das Prinzip der Biomineralisation. Hierzu werden in einem Behälter dem übersättigten Wasser energetisch günstige Fremdoberflächen zur Kalkablagerung angeboten. Im Inneren der Reaktionskammer bewegen sich dann die mit Kalk belegten Kunstharzkügelchen frei in der turbulent gehaltenen Strömung, stoßen immer wieder zusammen, Kalkabrieb entsteht, der das Wasser mit Kristallisationszentren versorgt. Um einer möglichen Verkeimung des Systems vorzubeugen hat das Gerät eine Einrichtung zur thermischen Desinfektion. Fahrlässigerweise hält ein ähnlich aufgebauter Wettbewerber dies bis heute für nicht erforderlich. Nach drei Jahren wird der Wechsel des Katalysatormaterials empfohlen.

Die mit diesen „physikalischen“ Geräten der neuen Ge­ne­ra­tion – mit DVGW-Prüfkennzeichen – erzielbaren Wirkungsgrade im Kalkbereich sind noch Anfang der 90-er Jahre für unmöglich gehalten worden. Jetzt sind sie Stand der Technik. Trotzdem haben konventionelle Enthärtungsanlagen nach wie vor ihre Berechtigung, besonders im technischen Bereich. Auch die klassisch physikalischen Geräte bieten je nach Einsatz gute Ergebnisse, speziell wenn es um größere Wassermengen, Wartungsfreiheit oder Korrosionsschutz geht. Steht der Wellness-Gedanke im Vordergrund, können dauermagnetische Geräte geeigneter Konstruktion ebenfalls eingesetzt werden, da – wie bei vielen energetischen Geräten beworben – sich die Kristallisatbilder ebenfalls in Richtung Quellwasserqualität verändern. Allerdings ist in diesem Bereich noch lange nicht alles verstanden und es müssen neue Messmethoden entwickelt werden um die bisher noch empirisch gemachten Aussagen wissenschaftlich zu belegen.

Literaturnachweis:
[1] DVGW-Arbeitsblatt W 510: Kalk­schutz­geräte zum Einsatz in Trinkwasser-Ins­tallationen – Anforderungen und Prüfungen
[2] KTW: Gesundheitliche Beurteilung von Kunststoffen und anderen nichtmetallischen Werkstoffen im Rahmen des Lebensmittel- und Bedarfsgegenständegesetzes für den Trinkwasserbereich