EWT Wassertechnik

Enthärtung

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Zusammenfassung:

Enthärtung ist ein Ionenaustauschverfahren zur Entfernung von Calcium- und Mangesiumionen aus Wasser. Diese Ionen werden auch als „Härtebildner“ bezeichnet, die Konzentration dieser Ionen als →Wasserhärte.

Eine Enthärtungsanlage besteht aus Apparaten, die mit einem Harzbett aus stark saurem Kationenaustauscherharz in Natriumform gefüllt sind. Während Wasser das Harzbett durchströmt, werden die in diesem Wasser gelösten Calcium- und Magnesiumionen gegen Natriumionen ausgetauscht. Entsprechend ist Enthärtung kein Entsalzungsverfahren, vielmehr bleibt der →chemisch äquivalente Salzgehalt vor und nach Enthärtung gleich.

Mit zunehmender Laufzeit erschöpft das Ionenaustauscherharz, und wird dann mit einer Natriumchloridlösung regeneriert.

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Ausführungsbeispiel:

Enthärtungsanlage, mit einzeln angesteuerten Armaturen, zweistraßig, vollautomatische Regeneration im Gegenstrom, inklusive Kreislaufpumpe.

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Verfahrensbeschreibung:

Bei der Enthärtung werden die im Rohwasser gelösten Erdalkali-Ionen Calcium (Ca²⁺) und Magnesium (Mg²⁺) über ein Ionenaustauscherharz gegen eine chemisch äquivalente Menge Natrium-Ionen (Na⁺) ausgetauscht. Dazu strömt das zu enthärtende Wasser durch ein Harzbett aus stark saurem Ionenaustauscherharz in Natriumform. Dabei finden Austauschreaktionen statt, die z.B. wie folgt dargestellt werden können:

Ca²⁺_(aq) + 2Cl^-_(aq) + 2Na⁺— [Harz] ↔ 2Na⁺_(aq) + 2Cl^-_(aq) + Ca²⁺— [Harz]
Ca²⁺_(aq) + HCO₃^2-_(aq) + 2Na⁺— [Harz] ↔ 2Na⁺_(aq) + HCO₃^2-_(aq) + Ca²⁺— [Harz]
Ca²⁺_(aq) + SO₄^2-_(aq) + 2Na⁺— [Harz] ↔ 2Na⁺_(aq) + SO₄^2-_(aq) + Ca²⁺— [Harz]
Mg²⁺_(aq) + 2Cl^-_(aq) + 2Na⁺— [Harz] ↔ 2Na⁺_(aq) + 2Cl^-_(aq) + Mg²⁺— [Harz]
Mg²⁺_(aq) + HCO₃^2-_(aq) + 2Na⁺— [Harz] ↔ 2Na⁺_(aq) + HCO₃^2-_(aq) + Mg²⁺— [Harz]
Mg²⁺_(aq) + SO₄^2-_(aq) + 2Na⁺— [Harz] ↔ 2Na⁺_(aq) + SO₄^2-_(aq) + Mg²⁺— [Harz]

Die vorstehenden Reaktionen sind reversibel, d.h. sie können in beide Richtungen ablaufen. Allerdings besteht ein deutliches Konzentrationsgefälle, weil das Rohwasser deutlich weniger Natriumionen und deutlich mehr Calcium- und Magnesium-Ionen als das Ionenaustauscherharz enthält, und umgekehrt. Entsprechend verlaufen die Austauschreaktionen hauptsächlich in Richtung der Lösung von Natriumionen im Wasser, d.h. in den vorstehenden Reaktionsgleichungen von links nach rechts.

Das Ionenaustauscherharz wird wie oben beschrieben mit Calcium- und Magnesium-Ionen beladen, und gibt dabei eine chemische äquivalente Anzahl von Natriumionen an das Wasser ab. Die Natriumionen verbleiben im Weichwasser. Bei der Enthärtung handelt es sich demnach nicht um ein Entsalzungsverfahren. Vielmehr erhöht sich die Konzentration der im Weichwasser gelösten Natriumsalze um die chemisch äquivalente Konzentration der entfernten Erdalkalisalze, d.h. der Gesamtsalzgehalt bezogen auf chemische Äquivalenz bleibt gleich.

Mit zunehmender Beladung des Ionenaustauscherharzes mit Calcium- und Magnesium-Ionen verringert sich das zuvor beschriebene Konzentrationsgefälle zwischen Ionenaustauscherharz und Rohwasser. Entsprechend verschiebt sich das Verhältnis zwischen den wie vorstehend beschrieben in die eine und in die andere Richtung ablaufenden Reaktionsgleichungen. Ab einem bestimmten Punkt werden in der Summe deutlich weniger Calcium- und Magnesium-Ionen ausgetauscht. Das Ionenaustauscherharz ist dann erschöpft, und muss regeneriert werden.

Die Regeneration erfolgt mit einer Natriumchloridlösung, die durch das Harzbett strömt. Dabei finden Austauschreaktionen statt, die wie folgt dargestellt werden können:

2Na⁺_(aq) + 2Cl^-_(aq) + Ca²⁺— [Harz] ↔ Ca²⁺_(aq) + 2Cl^-_(aq) + 2Na⁺— [Harz]
2Na⁺_(aq) + 2Cl^-_(aq) + Mg²⁺— [Harz] ↔ Mg²⁺_(aq) + 2Cl^-_(aq) + 2Na⁺— [Harz]

Die Konzentrationsverhältnisse sind jetzt umgedreht, d.h. das Ionenaustauscherharz enthält deutlich mehr Calcium- und Magnesium--Ionen sowie deutlich weniger Natriumionen als die Regenerierlösung, und umgekehrt. Entsprechend verlaufen die Austauschreaktionen jetzt hauptsächlich in Richtung der Bindung von Natriumionen an das Ionenaustauscherharz. Nach Ablauf der Regeneration ist das Ionenaustauscherharz wieder hauptsächlich mit Natriumionen beladen.

Neben den Erdalkali-Ionen Calcium (Ca²⁺) und Magnesium (Mg²⁺) werden auch andere Kationen durch das Ionenaustauscherharz ausgetauscht, z.B. die Erdalkali-Ionen Barium (Ba²⁺) und Strontium (Sr²⁺), gelöstes Eisen (Fe²⁺ bzw. Fe³⁺), gelöstes Kupfer (Cu⁺ bzw. Cu²⁺), Ammonium (NH₄⁺). Diese Kationen werden bei der Regeneration mit Natriumchlorid allerdings nicht wieder vollständig entfernt, so daß das Ionenaustauscherharz bei höheren Konzentrationen dieser Ionen im Rohwasser allmählich an Kapazität einbüßt.

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häufige Anwendungen:

Kesselspeisewasseraufbereitung: Enthärtung des →Zusatzwassers.
Kesselspeisewasseraufbereitung: Enthärtung von heißem →Kondensat.
Kühlkreislaufwasseraufbereitung: Enthärtung des →Zusatzwassers, Verschneidung mit Rohwasser.
Enthärtung von →Umkehrosmose-Speisewasser.
Enthärtung von Betriebswasser für verschiedene Anwendungen.

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Technische Daten:

Volumenstrom Weichwasser	Liefermöglichkeit von ca. 0,5 bis 350 m³/h je Straße Kondensatenthärtung von ca. 1,5 bis 550 m³/h je Straße
Anzahl der Straßen	üblicherweise 2x100%
Weichwasserqualität	Summe Erdalkalien (Wasserhärte)	< 0,01 mmol/L, Gegenstrom-Regeneration (¹) < 0,02 mmol/L, Gleichstrom-Regeneration (¹)
Differenzdruck bei Nenndurchsatz	ca. 1,0 ... 1,5 bar
Betriebstemperatur	üblicherweise 5 ... 40 °C Kondensatenthärtung ≤ 110 °C
Regeneriermittel	Natriumchlorid (NaCl)
Regenerationsintervalle	üblicherweise 6 ... 24 h Kondensatenthärtung oft ≥ 24 h
Regenerationsdauer	ca. 60 ... 120 Minuten
Chemikalienverbrauch	ca. 200 ... 250 g NaCl je 1 mol Ca²⁺, Gegenstromregeneration (²) ca. 340 ... 400 g NaCl je 1 mol Ca²⁺, Gleichstromregeneration (²)
Abwasseranfall	ca. 6 ... 10 L je 1 mol Ca²⁺, Gegenstromregeneration (²) ca. 10 ... 15 L je 1 mol Ca²⁺, Gleichstromregeneration (²)
empfohlene Rohwasserqualität	Schwebstoffe	< 0,5 ... 1 mg/L, Gegenstromregeneration < 1 ... 5 mg/L, Gleichstromregeneration
	Eisen	< 0,3 mg/L Fe
	Mangan	< 0,1 mg/L Mn
	freies Chlor	< 0,1 mg/L Cl₂
	Öle, Fette	< 0,1 mg/L
Ionenaustauschermedium	• Kationentauscherharz, stark sauer, gelförmig, Polystyrol • Kationentauscherharz, stark sauer, makroporös, Polystyrol
Gesamtlebensdauer der Ionenaustauscherharze	üblicherweise ≥ 7 ... 10 Jahre
Werkstoffoptionen	Druckbehälter	• glasfaserverstärkter Kunststoff (GfK) • unlegierter Stahl (z.B. S235JR, P265GH) • nichtrostender Stahl (z.B. 1.4404, 1.4571)
	Solebehälter	• Polyethylen (PE)
	Rohrleitungen	• Polyvinylchlorid (PVC) • Polypropylen (PP) • nichtrostender Stahl (z.B. 1.4404, 1.4571)
	Armaturen	• Polyvinylchlorid (PVC) • Polypropylen (PP) • Messing (z.B. CW617N) • nichtrostender Stahl (z.B. 1.4408)
	Dichtungen	• Etyhlen-Propylen-Dien-Kautschuk (EPDM) • Polytetrafluorethylen (PTFE) • NBR-Verbundwerkstoff
Automatisierungsoptionen	Regeneration, Straßenwechsel	• vollautomatisch, mit Mikroprozessorsteuerung • vollautomatisch, mit SPS • Handbetrieb (normalerweise nicht empfohlen)
	Betriebsüberwachung	• Volumenzähler (Standard) • Differenzdruck (Option) • Füllstand Solebehälter (Option) • Resthärte (Option)
¹ Wasserhärte: 0,01 mmol/L ≈ 0,05 °dH ≈ 1 mg/L CaCO₃, siehe →Einheitenumrechnung.
² Stoff- und Äquivalentmenge: 1 mol Ca²⁺ ≈ 5,6 °dH m³ ≈ 0,1 kg CaCO₃, siehe →Einheitenumrechnung. Beispiel: Bei Gleichstromregeneration, einer Rohwasserhärte von 11 °dH ≈ 2 mmol/L und einem Weichwasservolumenstrom von 10 m³/h ergibt sich ein mittlerer Salzverbrauch von 2 mol/m³ ⋅ 10 m³/h ⋅ 340 ... 400 g NaCl = 6,8 ... 8,0 kg/h NaCl und ein mittlerer Abwasservolumenstrom von 2 mol/m³ ⋅ 10 m³/h ⋅ 10 ... 15 L = 200 ... 300 L/h.

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Downloads:

Zeichnung: Enthärtungsanlage, zweistraßig, mit Steuerköpfen

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