DE2800516C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Behandlung von Trinkwasser welches Ionen der Salze von Alkali- und Erdalkalimetallen enthält unter Anwendung von Kationenaustauschern.

Es ist bekannt, daß beispielsweise Trinkwasser in gelöster Form Salze enthält, aus denen Ionen entstehen. Einige von diesen Ionen sind als Bestandteile des Trinkwassers anzu­ sehen, hingegen bilden andere Ionen Begleitstoffe oder gar Verunreinigungen antropogener Art. Zu den Ionen, die als Bestandteile des Trinkwassers anzusehen sind, gehören das Calcium- und das Magnesium-Ion (Kationen) sowie das Hydrogen­ carbonat-Ion (Anionen). Die Anwesenheit dieser Ionen im Trink­ wasser ist in unbegrenzter Höhe erwünscht. Mit zunehmender Konzentration der Ionen im Trinkwasser entstehen jedoch Nachteile in der Gebrauchs­ fähigkeit dieses Trinkwassers für technische Zwecke, die sich insbesondere in Steinablagerungen bei der Erwärmung des Trinkwassers bemerkbar machen. Man versucht deshalb, die genannten Kationen aus dem Trinkwasser zu entfernen oder durch andere Kationen zu ersetzen, was man allgemein unter dem Begriff "Enthärtung" versteht. Auch versucht man das genannte Anion zu eliminieren; was man vielfach als "Entcarbonisierung" bezeichnet.

Ferner ist es bekannt, in Haushaltungen und in Anlagen, in denen kein geschultes Personal zur Bedienung von An­ lagen zur Verfügung steht, die "Enthärtung" durch den Calcium-Natrium-Ionen-Austausch zu betreiben. Diese An­ lagen sind technisch so weit ausgereift, daß sie problem­ los und automatisch arbeiten und auch von Laien bedient werden können. Diese Anlagen haben auch eine recht weite Verbreitung gefunden und werden zum Teil auch dort einge­ setzt, wo es aus Gründen der Wasserzusammensetzung nicht er­ forderlich wäre. Dies hat Hygieniker dazu veranlaßt, warnend darauf hinzuweisen, daß mit der "Enthärtung" auch Risiken verbunden sind. Diese Risiken betreffen zum einen bakteriologische Probleme die hier nicht Gegenstand der Betrachtung sind und die durch apparative Maßnahmen und Auswahl geeigneter Ionenaustauscherharze zu beheben sind. Zum anderen betreffen sie die bedenkliche Erhöhung der Natrium- Ionen-Konzentration im Trinkwasser. Natrium-Ionen wirken hypertonisch, weswegen mit einer Richtlinie innerhalb der Europäischen Gemeinschaft ein Grenzwert von 100 mg/l (etwa 4 mol/m³) eingeführt werden soll. Auch gibt es Ver­ öffentlichungen über eine negative Korrelation zwischen cardiovasculären Erkrankungen und "Wasserhärte" derart, daß in Gebieten mit weichem Wasser, d. h. Wasser mit geringer Konzentration an Calcium- und Magnesium-Ionen, die relative Häufigkeit an cardiovasculären Erkrankungen besonders hoch sei. (vgl. Hardness of Drinking Water and Public Health, Commission of the European Communities, Pergamon Press Oxford & New York 1976).

Der Begriff "Härte" ist in diesen Arbeiten nicht sehr deutlich herausgearbeitet, so daß auch die Abweichung des Wassers von der Calciumcarbonatsättigung ("aggressives Wasser") mit erfaßt wird, ebenso auch Zusatzmittel zur Hemmung der Steinablagerung, wie kondensierte Phosphate. Magnesium-Mangel bekommt nach einer Veröffentlichung von Holtmeier im Taschenbuch der Pathophysiologie l. G. Fischer Verlag, Stuttgart 1974, mehr und mehr epidemiologische Bedeutung. In der Diskussion um die regional unterschiedlichen Herztodarten und deren Korrelation zu Trinkwasserinhalts­ stoffen wird Magnesium-Mangel als möglicher Kausalfaktor diskutiert (vgl. auch Hardness of Drinking Water und Public Health, s. o. und Anderson, T. W.: Ischemic heart deseases, water hardness and myocardinal magnesium CMA Journal 113, 199, 1975).

In einer anderen Veröffentlichung nach Forum Städte Hygiene 28, Seite 13, 1977 von Ising findet dieser in Tier­ versuchen, daß Ratten ohne Zusatzbelastung nur unter extremer Lärmbelastung Herzschäden bekommen. Bei Zusatz­ belastung mit Magnesium-Mangel lagen die Grenzpegel der Schadwirkung 10 bis 15 dB niedriger als ohne Magnesium­ belastung. Nach dieser Arbeit ist Magnesium-Mangel als Einzelbelastungsfaktor im Bezug auf Schädigungen des Herz­ muskels ernst zu nehmen.

Aufbauend auf diesen Erkenntnissen lag der Erfindung die Aufgabe zu­ grunde, ein Verfahren zum Behandeln von Trinkwasser zu entwickeln, das dem Wasser eine günstige physiologische Wirkung verleiht.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch das in den Ansprüchen angegebene Verfahren gelöst.

Es wurde gefunden, daß durch die erfindungsgemäße Behandlung des Wassers, hier auch als "Umhärtung" bezeichnet, mit einem nicht zu er­ wartenden Wirkungsgrad starksaure Kationenaustauscher in der Magnesiumform gegen Abgabe von Magnesium Calcium ein­ tauschen und so für die eingangs beschriebene Umhärtung ein­ gesetzt werden können. Dies ist umso überraschender, als bisher in der Wasseraufbereitung die Calcium- und Magnesium­ salze mit dem Trivialnamen "Härtebildner" bedacht, stets nur gemeinsam einer Ionenaustauschbehandlung unterzogen und ganz oder teilweise durch andere Ionen ersetzt worden sind. Für den Austausch von Magnesium (Mg⁺⁺) gegen Calcium (Ca⁺⁺) glaubte man allgemein, Spezialaustauscher einsetzen zu müssen. Wie bei Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens jetzt herausgefunden werden konnte, kann man ohne weiteres handelsübliche, starksaure Kationenaustauscher vom Polystyrolsulfonsäuretyp für die "Umhärtung" verwenden, wie sie seit vielen Jahren in den mit Kochsalz regenerierten Natriumenthärtern eingesetzt sind. Dies bedeutet, daß die bereits im Betrieb befindlichen Kationenaustauscher zur Trinkwasserbehandlung grundsätzlich weiterbenutzt werden können, es ergeben sich lediglich Veränderungen bei der Regeneration, der Laufzeit und der Regenerationsvorberei­ tung.

Das erfindungsgemäße Verfahren wurde mittels einer nach einem Festbettfilter arbeitenden Apparatur angewendet, wobei die Umhärtung in einem Austauschbehälter in Form eines an sich bekannten Glasfilters vorgenommen wurde.

Unter Umhärtung im Sinne des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die Veränderung des Mengenverhältnisses von Calcium- und Magnesiumsalzen in der Art verstanden, daß er üblicher­ weise vorhandene, größere Calciumanteil mit Hilfe von Kationenaustauschern zu Gunsten des Magnesiumanteils reduziert wird. Bei solcher Weise behandeltem Wasser beträgt dessen Magnesiumanteil etwa 80-90%, wobei der Rest Calcium sein kann. Bei dieser Definition ist jedoch nicht berücksichtigt, daß auch die in unbehandelten Wasser vorkommenden Alkalisalze anteilsweise gegen Magnesium ausgetauscht werden.

In der nachstehenden Tabelle sind Versuchsergebnisse aufge­ zeigt, die mit kommunalen Leitungswasser der Stadt Berlin/ Bundesrepublik Deutschland (Berliner Leitungswasser BLW) sowie einem künstlich aufgehärteten Leitungswasser dieser Stadt durchgeführt worden sind.

Die Versuche wurden mit einem handelsüblichen, starksauren Kationenaustauscher (Permutit RS-90-L) angestellt, der in Glasfiltern mit je 800 ml des Austauschers in der Magnesium- (Mg⁺⁺)form vorlag. Die spezifische Belastung beim Austausch betrug 56 Liter (l) Wasser pro Liter (l) Kationenaustauscher (RS-90-L) und Stunde. Das Leitungswasser der Stadt Berlin, das für die Versuche bereitstand, enthielt im Durchschnitt 2,57 mmol/l an Calciumsalzen, die während der Umhärtung auf weniger als 0,53 bis 1,06 mmol/l reduziert wurden.

Wie man aus der Versuchsdatentabelle erkennen kann, genügt schon ein Überschuß von 30 mol-% bei der Regeneration, um mit ausreichendem Wirkungsgrad (Kapazität des Kationen­ austauschers etwa 0,5 mol/l Ca⁺⁺) umzuhärten. Diese äußerst sparsame Regenerierweise ist für all die Fälle anwendbar, in denen man, am Beispiel des vorgenannten Leitungs­ wassers der Stadt Berlin, dargestellt, mit nur 4/5 bis 2/3 des ursprünglichen Calciumgehaltes im behandelten Wasser von 0,6 bis 1,1 mmol/l einverstanden ist.

Will man den Restcalciumgehalt des behandelten Wassers weiter senken, etwa auf 15 bis 20% der Ausgangsmenge, er­ läutert ebenfalls am Leitungswasser der Stadt Berlin mit vorgenannter Zusammensetzung, so muß man erheblich mehr Regeneriermittel aufwenden, die Kapazität des verwendeten Kationenaustauschers (Permutit RS-90-L) liegt dabei ebenfalls bei 0,5 bis 0,6 mol/l Ca⁺⁺.

Die Vergleichsversuche (Serie 11 der Tabelle) mit einem extrem harten Wasser zeigten, daß auch ein solches Wasser mit 91,5% Calciumanteil an der Gesamthärte von 5,44 mmol/l zu 80 bis 90% umgehärtet und so in ein Wasser mit 0,6 bis 1,1 mmol/l Ca⁺⁺ umgewandelt werden kann.

Dieses Verfahren der Umhärtung, welches z. B. diskontinuierlich oder quasi-kontinuierlich in Festbettfiltern oder vollkontinuier­ lich in Filtern mit Wirbelbetten ablaufen kann, ist einfach in der Handhabung, da mit Ausnahme des neuen verfahrens­ spezifischen Ablaufes, hier weitgehend nach herkömmlichen bekannten und vielfach bewährten Verfahrensschritten, wie Austausch- und Regeneriervorgang, gearbeitet wird. Für die Anwendung des Verfahrens können somit vielfach vorhandene Anlagen mit deren bekannten Technik, auf die hier nicht eingegangen wird, eingesetzt werden. Solche Anlagen weisen in der Regel einen Austauschbehälter, in dem die Behandlung des Wassers mit dem eingesetzten Ionenaustauscher erfolgt und mindestens einen diesem Austauschbehälter nachgeschalteten Regenerierbehälter, in dem die Regenerierung des Ionenaustauschers stattfindet, auf. Je nach Verfahrensablauf, z. B. Festbettfilter/Wirbel­ bett können die verwendeten Behälter offen oder geschlossen ausgeführt und über Zu- und Ablaufleitungen für das Roh- bzw. Reinwasser einerseits, den Ionenaustauscher und die Regeneriermittel andererseits ausgestattet sein.

Claims (5)

1. Verfahren zur Behandlung von Trinkwasser, welches Ionen der Salze von Alkali- und Erdalkalimetallen enthält, unter Anwendung von Kationen­ austauschern, wobei die Calciumionen durch Ionenaustausch zumindest teilweise aus dem Wasser entfernt werden, dadurch gekennzeichnet, daß mittels eines mit Magnesiumionen beladenen starksauren Kationenaus­ tauschers Calciumionen in Wasser gegen Magnesiumionen ausgetauscht werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der starksaure Kationenaustauscher mit einem Überschuß an Magnesiumsalzen von 30 bis 300 mol-% in Bezug auf das beladene Calcium regeneriert wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der starksaure Kationenaustauscher mit einer Menge an Magnesiumsalzen regeneriert wird, die im behandelten Wasser zu einem Restgehalt von 0,5-2,0 mmol/l an Calciumsalzen führt.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Teil des starksauren Kationenaustauschers durch Regeneration mit einer Mineral­ säure in die freie Säureform gebracht wird, und eine den im zu be­ handelnden Wasser enthaltenen Hydrogencarbonaten äquivalente Menge oder ein Bruchteil dieser Menge an Kationen unter Freisetzung von Kohlensäure gegen Wasserstoffionen ausgetauscht wird.

5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Teil des starksauren Kationenaustauschers durch Regeneration mit einem Salz der Alkalimetalle regeneriert wird und ein Teil der im Wasser enthaltenen Calciumionen gegen Alkalimetallionen ausgetauscht werden.