Mit dem Begriff der Wasserhärte werden Laien und Fachleute konfrontiert. Der Laie hört den Begriff im Zusammenhang mit der Spül- und Waschmaschine sowie dem Kaffeevollautomaten. Für den Anlagenmechaniker wird es entscheidend bei der Verwendung von Wasser in Heizungsanlagen oder der Wasserenthärtung für den Hausgebrauch. Beispielsweise liegt die Härte in der Dortmunder Innenstadt bei 7,8 °dh (Grad deutsche Härte). Diese Angabe ist nicht direkt mit der Härteangabe in anderen Ländern vergleichbar, weil etwa die Franzosen ihre °fH anders definiert haben. Als SI-Einheit (Systéme International) wird daher die Summe der Erdalkalien in mmol/Liter angegeben. Dabei entspricht 1 mmol/l einer Härte von 5,6 °dh. Erdalkalien wiederum sind die 2. Hauptgruppe im Periodensystem der Elemente, zu denen unter anderem das im Trinkwasser vorkommende Calcium und Magnesium gehören. Da diese Elemente im Wasser in großen Mengen vorkommen und beim Erhitzen durch Kalkbildung Probleme verursachen können, kann man vereinfacht festhalten, dass man unter der Wasserhärte die Konzentration von Calcium und Magnesium im Trinkwasser versteht. Selbstverständlich befinden sich deutlich mehr gelöste Stoffe im Wasser zum Beispiel Natrium, Kalium, Hydrogencarbonat, Sulfat, Chlorid, Nitrat, Kieselsäure sowie Stickstoff und Sauerstoff. Die gesamte Liste findet man in der Regel auf der Homepage seines Wasserversorgers. Hierauf wird in diesem Beitrag zum besseren Verständnis jedoch nicht näher eingegangen.
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Probleme durch Härte
Die Erdalkalien gelangen in der Regel in das Grundwasser, weil Regen durch entsprechende mineralhaltige Gesteinsschichten fließt und sich dabei diese Mineralien im Wasser lösen. Alle gelösten Wasserinhaltsstoffe befinden sich anschließend in einem Gleichgewicht und bleiben gelöst. Wird dieses Gleichgewicht gestört, zum Beispiel weil Wasser verdunstet oder stark erhitzt wird, setzt eine chemische Reaktion ein und es bildet sich so lange Kalk, bis das Gleichgewicht wiederhergestellt ist.
Für den Menschen ist der Verzehr von Wasser mit großer Wasserhärte nicht nachteilig. Der menschliche Körper benötigt diese Inhaltsstoffe. Im Alltag wird sehr hartes Wasser als störend empfunden, weil Armaturen und Sanitärobjekte schnell eine Kalkschicht bekommen, wenn Wassertropfen zurückbleiben und verdunsten.
Da sich das nachströmende Wasser bereits im Gleichgewicht befindet, lösen sich diese Beläge auch nicht von selbst wieder auf. An Badarmaturen, Wasserkochern und Kaffeemaschinen lässt sich dieser Kalk leicht mit Zitronensäure, wie sie in Badreinigern und Entkalkern enthalten ist, entfernen. Schlimmere Auswirkungen haben die Erdalkalien allerdings im Heizkessel. Der Kalk setzt sich an den heißen Stellen wie Kesselwänden, Wärmetauschern und Rohrschlangen von Warmwasserspeichern ab. Und genau dort ist dieser Kalk schwer zu entfernen. In der Folge vermindert sich so der Wärmeübergang massiv. Besonders bei Anlagen mit einem großen Wasserinhalt, zum Beispiel bei Einbindung eines Pufferspeichers, befindet sich eine sehr große Menge an Erdalkalien im System. In Wärmetauschern kann dies schnell zu Problemen wie Verstopfung, örtlicher Überhitzung oder Leistungsminderung führen.
Zum Vergleich: Die Wärmeleitfähigkeit von Stahl beträgt 50W/m*K. Die von Kesselstein ist mit 1,5W/m*K 30-mal geringer. In der Folge staut sich die Wärme. Das kann zu geringerer Leistung führen oder die Effizienz beeinträchtigen.
Kationen und Anionen
Um das Prinzip einer Wasserenthärtungsanlage zu verstehen, muss man wissen, dass die gelösten Inhaltsstoffe im Wasser positiv (Kationen) oder negativ (Anionen) geladen sind. Die Menge der positiven und negativen Ladungen halten sich dabei immer die Waage. Die in großer Menge im Trinkwasser enthaltenen Calcium- und Magnesiumionen sind im Vergleich zu Natriumionen, unserem Kochsalz, richtige Kraftpakete, da sie zweifach positiv geladen sind, während Natriumionen nur einfach positiv geladen sind. Das bedeutet praktisch, dass sich Calcium- und Magnesiumionen doppelt so stark an einem negativ geladenen Teilchen andocken als Natriumionen. Dabei suchen sie sich, wenn vorhanden, auch immer ein zweites negatives Teilchen.
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Funktionsablauf eines Kationenaustauschers
Beim Kationenaustausch macht man sich genau diese Eigenschaft des zweifach positiv geladenen Calciums und Magnesiums zu nutze. In der Austauschsäule, gewissermaßen dem Reagenzglas, befinden sich Harzkügelchen, welche negativ geladen sind. Diese werden vor der Benutzung mit einer Sole, also mit Kochsalz gesättigtem Wasser gespült, wobei die einfach positiv geladenen Natriumionen an dem einfach negativ geladenem Austauschharz andocken. Im normalen Betrieb fließt anschließend das Leitungswasser an den Harzkügelchen vorbei. Die im Wasser enthaltenden Calcium- und Magnesiumionen schubsen im Vorbeiströmen die Natriumionen von den Harzkügelchen und docken dort selbst an. Hier wird die Stärke von Calcium und Magnesium (2-fach positiv geladen) ausgenutzt, da es die wenigen Natriumionen im Wasser nicht mehr schaffen, einen Platz am Austauschharz zu ergattern oder die starken Gegenspieler von ihrem Harzkügelchen zu schubsen. Sie verbleiben also anstelle der Calcium- und Magnesiumionen im Wasser. Der Austausch von Calcium und Magnesium gegen Natrium ist abgeschlossen. Bei einer voll funktionsfähigen Anlage verlässt das Wasser mit 0°dh den Ionenaustauscher. Die Kapazität, also die Menge an Wasser, die eine Patrone enthärten kann, wird in der Regel vom Hersteller bestimmt und in Litern bei einer definierten Rohwasserhärte definiert. Dieser Wert muss dann nur noch auf die vor Ort herrschende Wasserhärte umgerechnet werden. So lässt sich mithilfe eines elektronischen Wasserzählers relativ einfach der Zeitpunkt der Regeneration bestimmen und ein sparsamer Betrieb gewährleisten. Ist also die vorgesehene Wassermenge durch die Patronen geflossen, sind zu viele Harzkügelchen mit Calcium- und Magnesiumionen behaftet. Beim Regenerationsprozess werden durch ein erneutes Spülen mit Sole die Calcium- und Magnesiumionen von den Harzkügelchen gespült und der Platz wird wieder von Natriumionen eingenommen. Dies passiert durch einen massiven Überschuss an Natriumionen, dem auch die doppelt so starken Calcium- und Magnesiumionen nichts mehr entgegensetzen können. Die Patrone ist nach diesem Vorgang wieder einsatzbereit. Sollte es erforderlich sein, die Versorgung mit enthärtetem Wasser unterbrechungsfrei zu gewährleisten, setzt man eine Anlage mit zwei Harzpatronen ein, zwischen denen vor der Regeneration automatisch umgeschaltet wird.
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Betrieb
Wasserenthärtungsanlagen mit Ionenaustauschverfahren liefern, sofern kein Fehler an der Anlage vorliegt, immer Wasser, welches frei von Härtebildnern, sprich Calcium und Magnesium, ist. Dieses ist jedoch nicht immer gewünscht und auch nicht unbedingt sinnvoll. Während im Heizkessel Härtebildner nichts verloren haben und daher zum Befüllen ein Wert von 0°dH anzustreben ist, sollte die Härte für einen Haushalt bei 3–6 °dH eingestellt werden. Ohne Härte im Wasser kann es passieren, dass Reinigungsmittel zu stark aufschäumen oder sich Seife nicht mehr richtig auflöst. Die gewünschte Wasserhärte erreicht man durch ein sogenanntes Verschneideventil. In diesem Ventil wird dem enthärteten Wasser so viel Rohwasser beigemischt, dass die Sollhärte erreicht wird. Dieses Einstellen muss manuell nach Anleitung der Hersteller erfolgen und sollte bei der Wartung durch Bestimmen der Wasserhärte an einer Zapfstelle kontrolliert werden.
Zusätzlich sinken durch das Verschneiden von Rohwasser die Betriebskosten der Anlage. Es muss dann insgesamt seltener eine Regeneration stattfinden.
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