DE10004581A1 - Mittel und Verfahren zur Brunnensanierung - Google Patents
Mittel und Verfahren zur BrunnensanierungInfo
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Description
Die Erfindung betrifft chemische Mittel zur Brunnenentockerung entsprechend dem Anspruch
1, sowie Verfahren zur Entockerung und allgemein zur Sanierung von Brunnen mittels der
erfindungsgemäßen Mittel.
Bei der Wassergewinnung aus Brunnen kommt es im Lauf der Nutzungszeit zu verschiedenen
Alterungseffekten am Brunnen. Durch diese Effekte wird die förderbare Wassermenge
geringer. Am häufigsten treten Versandung, Versinterung und Verockerung auf. Zur
Beseitigung dieser unerwünschten Abnahme der Brunnenleistung wurden mechanische,
hydraulische und chemische Verfahren entwickelt, die alleine oder in Kombination zur
Brunnensanierung eingesetzt werden. Abhängig vom Einzelfall ist das optimale Mittel, bzw.
das optimale Verfahren zur Sanierung zu ermitteln. Dabei sind Faktoren wie z. B.
Baumaterialien, Strömung und Verfrachtung im Brunnen, Versandung, Grad der
Versinterung, Zusammensetzung des Ockers (überwiegend Eisen oder Mangan),
Wirtschaftlichkeit der Sanierung etc. in Betracht zu ziehen.
Der im folgenden dargestellte Stand der Technik ist u. a. im DVGW Merkblatt W 130
(Deutscher Verein des Gas- und Wasserfaches e. V., DVGW Eschborn, April 1992)
nachzulesen. Bei der Verockerung handelt es sich um Ablagerungen von Eisen- und
Manganverbindungen in den Bereichen der Kiesschüttung, der Filterrohrschlitze und im den
Brunnen umgebenden, porösen Äquifer. Brunnenocker verengen den zum Wasserdurchtritt
erforderlichen Porenraum. Aufgrund der überwiegend festen mineralischen Natur des
Brunnenockers und seiner Verteilung auf unzugänglichen Materialien sind nach einer
mechanisch - hydraulischen Behandlung fast immer chemische Mittel zur Entockerung
erforderlich. Es werden annähernd ausschließlich anorganische Säuren zum Lösen des Ockers
eingesetzt. Der Lösemechanismus basiert darauf, daß die den Ocker bildenden in Wasser
schwerlöslichen Fe(III)- und Mn(IV)-Verbindungen bei pH-Werten kleiner als 2 in Form ihrer
hydratisierten Kationen in der Lösung stabilisiert werden können. Als besonders wirkungsvoll
zur Beseitigung stark Fe-haltiger Ocker hat sich eine Kombination aus Salzsäure und
Wasserstoffperoxid herausgestellt. Wasserstoffperoxid wird an Fe-Verbindungen katalytisch
zersetzt; die dabei freigesetzten Gase entstehen zumindest teilweise im Inneren der
Ockerschicht und führen so zum Absprengen der harten Ockerkruste. Die abgesprengten
Ockerkrusten sind so klein, daß sie durch hydraulische Verfahren bzw. einfach durch
Ausspülen entfernt werden können. Neben Mineralsäuren werden z. T. auch organische
Säuren zum Lösen des Ockers eingesetzt. Sie verfügen nicht über das Aufschlußvermögen
von hochkonzentrierten Mineralsäuren, dafür sind sie verträglich mit metallischen und
hölzernen Brunnenbaumaterialien.
Umweltfreundlich gestaltbare, da rein mechanisch abzuwickelnde Brunnensanierungen führen
meist nicht zu der gewünschten Steigerung der Förderleistungen. Auch Kombinationen von
hydraulischen und mechanischen Verfahren vermögen es nicht den Brunnenocker
wirkungsvoll zu entfernen.
Pyrotechnische Verfahren, wie z. B. das in DE 198 08 621 A1 dargestellte beschreiten einen
völlig anderen Weg in der Brunnensanierung, doch ist die universelle Einsetzbarkeit
derartiger Verfahren fraglich.
Die Verwendung von konzentrierten Mineralsäuren zur Brunnenentockerung birgt z. T.
erhebliche Gefahren beim Transport und bei der Verwendung in sich. Neben der korrosiven
und stark ätzenden Wirkung der Salzsäure können ihre Dämpfe massive Schäden an den
Atmungsorganen hervorrufen. Darüber hinaus ist die Verwendung der Salzsäure auf derartige
Brunnen beschränkt, deren Baumaterialien extrem niedrige pH-Werte ertragen können.
Brunnen mit metallischen Baumaterialien und Brunnen mit Holzkonstruktionen sind nur
eingeschränkt mit Salzsäure regenerierbar.
Wasserstoffperoxid ist ähnlich behutsam zu transportieren und zu verwenden wie Salzsäure.
Gelangen Verunreinigungen in einen Behälter mit Wasserstoffperoxid, so kann eine
katalytische Zersetzung des Peroxids mit starker Gasentwicklung initiiert werden. Häufige
Folge derartiger Vorgänge ist das Platzen des Behälters und der unkontrollierte Austritt der
höchst reaktiven Chemikalie. Auch mit Salzsäure gemischtes Peroxid entwickelt im Lauf der
Zeit Gas, so daß eine erhebliche Gefahr durch falsche Benutzung (vorzeitiges Mischen von
Salzsäure und Wasserstoffperoxid) besteht. In hohen Konzentrationen gemischt kann aus
einer Salzsäure/Wasserstoffperoxidmischung unter ungünstigen Umständen giftiges
Chlorgas entweichen.
Die Verwendung organischer Säuren zum Entockern von Brunnen ist aufgrund der
beschränkten Wirkung dieser Substanzen nicht optimal. Ein weiterer Nachteil ist, daß viele
organische Säuren von Bakterien verstoffwechselt werden können und so durch den Eintrag
organischer Säuren u. U. zu einer Verkeimung des Brunnens beigetragen wird.
Aufgabe der Erfindung ist es chemische Mittel zur Brunnenentockerung bereit zu stellen, die
bei neutralen pH-Werten ohne großes Gefährdungspotential beim Transport und der
Verwendung eingesetzt werden können und die eine effektive Entockerung unabhängig von
den Brunnenbaumaterialien und der Ockerzusammensetzung garantieren.
Diese Aufgaben werden durch chemische Mittel mit den Merkmalen des Anspruch 1 gelöst.
Dithionit und Pyrosulfit in neutraler wäßriger Lösung vertilgen über ein großes
Aufschlußvermögen gegenüber Brunnenocker. Überwiegend Mn(IV)-haltige Ocker werden
unter Reduktion des Mn(IV) zu Mn(II) gelöst. Überwiegend Fe(III)-haltige Ocker werden
unter Reduktion des Fe(III) zu Fe(II) z. T. in Form kleinerer Partikel abgesprengt und z. T.
aufgelöst. Diese Abplatzungen sind - ähnlich wie beim System Salzsäure/
Wasserstoffperoxid eine Folge der Reduktion des Fe(III) zu Fe(II) in der Tiefe der
Ockerschicht. Durch die resultierende Veränderung in den Bindungsverhältnissen und im
Volumen der Verbindungen wird das Absprengen kleinerer Partikel ermöglicht.
Dithionitlösungen und Pyrosulfitlösungen, bzw. Mischungen dieser Lösungen sind ebenso
wirksam wie Mischungen aus Salzsäure und Wasserstoffperoxid. Aufgrund der pH-neutralen
Anwendungsmöglichkeit und ihres reduzierenden Charakters sind die erfindungsgemäßen
Mittel auch in Gegenwart von Metallen uneingeschränkt einsetzbar. Korrodierte Metallteile,
wie z. B. Leitungen werden durch die erfindungsgemäßen Mittel schonend entrostet, womit
sich deren Lebensdauer und deren Funktion deutlich steigern läßt. Die Gefahren beim
Transport und der Verwendung sind deutlich niedriger als bei der Verwendung von Salzsäure
und/oder Wasserstoffperoxid. Das bei der Reaktion mit dem Ocker final entstehende Sulfat
ist toxikologisch und ökologisch unproblematisch. Als technische Chemikalien sind Dithionit
und Pyrosulfit, v. a. als Natriumdithionit bzw. als Natriumpyrosulfit kostengünstig zu
erwerben und damit wirtschaftlich in der Anwendung. Aus Regenerierlösungen und
Spüllösungen sind Dithionit/Pyrosulfit und deren Reaktionsprodukte durch Fällung - ggf
nach Oxidation - durch Fällung zu entfernen. Weiterer Vorteil der Verwendung von Dithionit
und/oder Pyrosulfit sind deren entkeimende Wirkung.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind im folgenden näher beschrieben.
Verwendet werden mit Brunnenocker umhüllter Brunnenfilterkies, wobei der
Brunnenocker eine feste Schicht von durchschnittlich ca. 2 mm Dicke um die Kieskörner
(die in einer Korngrößenfraktion von 0,2 bis 0,5 mm vorliegen) bildet. Der Brunnenocker
setzt sich in diesem Beispiel chemisch überwiegend aus schwerlöslichen Fe(III)-
Verbindungen zusammen. Die ockerumhüllten Kieskörner werden bei 60°C auf
Gewichtskonstanz getrocknet.
Zum Entfernen des Brunnenockers von den Kieskörnern durch den beschriebenen Löse-
und Absprengeffekt wird eine frisch angesetzte 10%ige Lösung von festem
Natriumdithionit in Wasser (z. B. 100 g Natriumdithionit pro 1 kg Lösung) verwendet.
5,00 g der mit Brunnenocker umhüllten, getrockneten Kieskörner werden in 5 ml frisch
angesetzte 10%ige Natriumdithionit-Lösung gegeben. Die Probe (pH-Wert(Anfang) ca. 7)
wird dann 16 Stunden lang ohne mechanischen Einfluß (Rühren, Ultraschall o. ä.) bei 20°C
stehengelassen.
Nach Ablauf von 16 Stunden wird die Probe zum Abschälen von locker anhaftendem
Brunnenocker gelinde geschüttelt und die übrig gebliebene Ockerprobe (Kieskörner mit
Brunnenocker umhüllt) von der flüssigen Phase (restliche Natriumdithionit-Lösung mit
abgesprengten Ockerpartikeln) abgetrennt.
Die übrig gebliebenen ockerumhüllten Kieskörner werden auf Gewichtskonstanz
getrocknet und zurückgewogen.
Es bleiben 3,30 g ockerumhüllte Kieskörner übrig. Das entspricht einer Abnahme von 34
%, bezogen auf die ursprünglich eingesetzte Filterkiesmenge. Eine deutliche, gravimetrisch
nicht erfaßte Menge Brunnenocker verbleibt in Form relativ kleiner Partikel in der Lösung.
Diese Partikel wurden während des Versuches von den Filterkieskörnern abgesprengt.
Der pH-Wert ändert sich während der Reaktion nicht, oder nur unwesentlich: pH(Ende) ca. 7
Eine Reaktionslösung, die 0,3 m HCl (pH(Anfang) ca. 0,5) und 5% Wasserstoffperoxid
enthält, entfernt bei sonst gleichen Versuchsbedingungen (wie Reaktionszeit und -
temperatur) etwa 20% der ursprünglich eingesetzten Filterkiesmenge. Unter
Berücksichtigung der Tatsachen, daß die Filterkieskörner aus Ockerhülle und
Kieselsteinkern bestehen und sich der Kieselsteinkern unter den gewählten
Aufschlußbedingungen nicht lösen sollte, fällt der Vergleich des Entockerungspotentials
zwischen den beiden Mitteln noch deutlicher zugunsten der erfindungsgemäßen
Dithionitlösung aus.
Verwendet werden mit Brunnenocker umhüllter Brunnenfilterkies, wobei der
Brunnenocker eine feste Schicht von durchschnittlich ca. 1 mm Dicke um die Kieskörner
(die in einer Korngrößenfraktion von 0,2 bis 0,5 mm vorliegen) bildet. Der Brunnenocker
setzt sich in diesem Beispiel chemisch überwiegend aus schwerlöslichen Mn(IV)-
Verbindungen zusammen. Die ockerumhüllten Kieskörner werden bei 60°C auf
Gewichtskonstanz getrocknet.
Zum Entfernen des Brunnenockers von den Kieskörnern durch den beschriebenen Löse-
und Absprengeffekt wird eine frisch angesetzte 10%ige Lösung von festem
Natriumdithionit in Wasser (z. B. 100 g Natriumdithionit pro 1 kg Lösung) verwendet.
5,00 g der mit Brunnenocker umhüllten, getrockneten Kieskörner werden in 5 ml frisch
angesetzte 10%ige Natriumdithionit-Lösung gegeben. Die Probe (pH-Wert(Anfang) ca. 7)
wird dann 16 Stunden lang ohne mechanischen Einfluß (Rühren, Ultraschall o. ä.) bei 20°C
stehengelassen.
Nach Ablauf von 16 Stunden wird die Probe Brunnenocker gelinde geschüttelt und die
übrig gebliebene Ockerprobe (Kieskörner mit Brunnenocker umhüllt) von der flüssigen
Phase (restliche Natriumdithionit-Lösung) abgetrennt.
Die übrig gebliebenen ockerumhüllten Kieskörner werden auf Gewichtskonstanz
getrocknet und zurückgewogen.
Es bleiben 2,60 g ockerumhüllte Kieskörner übrig. Das entspricht einer Abnahme von 48%,
bezogen auf die ursprünglich eingesetzte Filterkiesmenge. Es verbleibt keine
nennenswerte Menge kleiner Partikel in der Lösung. Der vom Filterkies entfernte Ocker
wurde nach Reduktion des Mn(IV) zu Mn(II) echt gelöst. Der bei dem v. a. Fe(III)-haltigen
Filterkies aufgetretene Absprengeffekt konnte hier nicht werden.
Der pH-Wert ändert sich während der Reaktion nicht, oder nur unwesentlich: pH(Ende) ca. 7
Eine Reaktionslösung, die 0,3 m HCl (pH(Anfang) ca. 0,5) und 5% Wasserstoffperoxid
enthält, entfernt bei sonst gleichen Versuchsbedingungen (wie Reaktionszeit und -
temperatur) etwa 28% der ursprünglich eingesetzten Filterkiesmenge. Unter
Berücksichtigung der Tatsachen, daß die Filterkieskörner aus Ockerhülle und
Kieselsteinkern bestehen und sich der Kieselsteinkern unter den gewählten
Aufschlußbedingungen nicht lösen sollte, fällt der Vergleich des Entockerungspotentials
zwischen den beiden Mitteln auch bei v. a. Mn-haltigen Filterkiesen noch deutlicher
zugunsten der erfindungsgemäßen Dithionitlösung aus.
Claims (18)
1. Chemisches Mittel zur Entockerung von Brunnen, dadurch gekennzeichnet,
daß dieses Mittel Dithionit und/oder Pyrosulfit in einer Anwendungskonzentration am
Wirkort zwischen 0,5 und 25 Gewichtsprozent enthält
und dadurch gekennzeichnet, daß dieses Mittel bei pH-Werten zwischen 4,5 und 9,5 zum
Einsatz kommt
und dadurch gekennzeichnet, daß es bei der Behandlung stark Eisen(III)-haltiger in
Wasser schwerlöslicher Brunnenocker unter Reduktion des Fe(III) zu Fe(II) zur Bildung
von zumindest teilweise ungelösten farblosen Fe(II)-Verbindungen führt, wobei diese
Fe(II)-Verbindungen ein von den ursprünglichen Fe(III)-Verbindungen unterschiedliches
Volumen einnehmen, was sich in einem Abplatzen von Ockerschichten bemerkbar macht.
2. Chemisches Mittel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß das Dithionit in Form eines Alkalisalzes eingesetzt wird, wobei die Verwendung von
Natriumdithionit und/oder Natriumpyrosulfit bevorzugt wird.
3. Chemisches Mittel nach einem der vorgenannten Ansprüche 1 oder 2, dadurch
gekennzeichnet,
daß Natriumdithionit und/oder Natriumpyrosulfit mit einer Anwendungskonzentration
am Wirkort zwischen 5 und 15 Gewichtsprozent eingesetzt wird, wobei eine
Konzentration von 10 Gewichtsprozent bevorzugt wird.
4. Chemisches Mittel nach einem der vorgenannten Ansprüche 1 bis 3, dadurch
gekennzeichnet, daß
der pH-Wert bei der Entockerung im Bereich zwischen 6 und 8 liegt, wobei ein neutraler
pH-Wert von 7 bevorzugt wird.
5. Chemisches Mittel nach einem der vorgenannten Ansprüche 1 bis 4, dadurch
gekennzeichnet,
daß zusätzlich zu Dithionit und/oder Pyrosulfit weitere Reduktionsmittel enthalten sind
6. Chemisches Mittel nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet,
daß es sich bei diesem weiteren Reduktionsmittel um elementares Magnesium handelt,
wobei der Einsatz von Mg-Pulver oder Mg-Gries bevorzugt wird.
7. Chemisches Mittel nach einem der vorgenannten Ansprüche 1 bis 6, dadurch
gekennzeichnet,
daß zusätzlich zu den genannten Stoffen noch weitere Hilfsstoffe eingesetzt werden,
wobei es sich bei diesen Hilfsstoffen bevorzugt um Komplexbildner, grenzflächenaktive
Substanzen, pH-Wert Regulatoren wie z. B. Säuren, Basen oder Puffersysteme, Mittel zur
Einstellung der Viskosität, Lösungsvermittler, Netzmittel, Füllstoffe, Stabilisatoren oder
Mittel zur Einstellung der Leitfähigkeit handelt.
8. Chemisches Mittel nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet,
daß als pH-Wert Regulator ein Alkalimetallhydroxid und/oder ein Alkalimetallcarbonat
eingesetzt wird, wobei NaOH, KOH, Na2CO3 und K2CO3 die bevorzugt eingesetzten
Verbindungen sind.
9. Chemisches Mittel nach einem der vorgenannten Ansprüche 1 bis 8, dadurch
gekennzeichnet,
daß dieses Mittel in festem oder halbfestem Zustand in Form eines Feststoffes bzw. eines
Feststoffgemisches vertrieben wird, womit unter anderem Pulver, Tabs, Gels und Pasten
gemeint sind.
10. Chemisches Mittel nach einem der vorgenannten Ansprüche 1 bis 8, dadurch
gekennzeichnet,
daß dieses Mittel in flüssigem Zustand in Form einer wäßrigen Lösung, Emulsion oder
Dispersion vertrieben wird.
11. Chemisches Mittel nach einem der vorgenannten Ansprüche 1 bis 10, dadurch
gekennzeichnet,
daß dieses Mittel vor Gebrauch durch Mischen mit Wasser oder mit einer wäßrigen
Lösung auf eine entsprechende Gebrauchskonzentration und eine passende
Gebrauchskonsistenz gebracht wird.
12. Verfahren zur Entockerung von Brunnen, dadurch gekennzeichnet,
daß eines der in einem der Ansprüche 1 bis 11 genannten chemischen Mittel zur
Entockerung genutzt wird.
13. Verfahren nach dem vorgenannten Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet,
daß es sich bei dem zu entfernenden Brunnenocker um in Wasser unlösliche
Verbindungen von Fe(III) und/oder Mn(IV) handelt.
14. Verfahren nach einem der vorgenannten Ansprüche 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet,
daß überwiegend aus Fe(III)-Verbindungen bestehende, fest inkrustierte Ocker durch den
Einsatz erfindungsgemäßer chemischer Mittel in Form kleiner schalenartiger Bruchstücke
abgesprengt werden und so durch Spülen aus dem Brunnen entfernt werden können.
15. Verfahren nach einem der vorgenannten Ansprüche 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet,
daß überwiegend aus Mn(IV)-Verbindungen bestehende, fest inkrustierte Ocker durch den
Einsatz erfindungsgemäßer chemischer Mittel nach zumindest teilweiser Reduktion des
Mn(IV) zu Mn(II) aufgelöst werden und so durch Spülen aus dem Brunnen entfernt
werden können.
16. Verfahren nach einem der vorgenannten Ansprüche 12 bis 15, dadurch gekennzeichnet,
daß die erfindungsgemäßen chemischen Mittel in den Brunnen eingebracht werden und
nach einer angemessenen Reaktionszeit wieder aus dem Brunnen entfernt werden, wobei
eine mehrfache Anwendung der erfindungsgemäßen Mittel, sowie eine sequentielle
Behandlung mit anderen Mitteln, sowie ein Nachspülen mit Wasser sinnvoll sein können.
17. Verfahren nach einem der vorgenannten Ansprüche 12 bis 16, dadurch gekennzeichnet,
daß die erfindungsgemäßen chemischen Mittel unter Druck und ggf. bei erhöhter
Temperatur umgepumpt werden.
18. Verfahren nach einem der vorgenannten Ansprüche 12 bis 17, dadurch gekennzeichnet,
daß es in Kombination mit einem anderen chemischen und/oder hydraulischen und/oder
mechanischen Verfahren zur Brunnensanierung eingesetzt wird.
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---|---|---|---|
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PCT/DE2000/004426 WO2001042148A1 (de) | 1999-12-10 | 2000-12-11 | Verfahren zur entfernung von ablagerungen aus wasserführenden systemen und einrichtungen zur wasserversorgung |
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EP0508676B1 (de) * | 1991-04-08 | 1997-07-30 | Romar Technologies Incorporated | Zusammensetzung zur Herstellung von Eisen-Dithionit und Verfahren zur Entfernung von in Wasser gelösten Schwermetallen |
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- 2000-02-02 DE DE2000104581 patent/DE10004581A1/de not_active Withdrawn
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HOUBEN,Georg, u.a.: Laborversuche zur Wirksamkeit von chemischen Mitteln zur Brunnenregenerierung. In: bbr, 2/2000, S.41-43 * |
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