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Rückverweisung auf zugehörige Anmeldungen
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Diese
Anmeldung hängt
zusammen mit der gleichzeitig schwebenden Anmeldung mit dem Titel "Kalk mit hohem Festteilchengehalt
als Natriumhydroxidersatz",
die unter dem Aktenzeichen Nr. 08/519 292 am 25. August 1995 eingereicht
wurde.
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Gebiet der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Behandlung und
zum Schutz von Baukörpern
aus Zement bzw. Beton, insbesondere Betonrohren, vor Säurekorrosion.
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Stand der Technik
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Baukörper aus
Beton sind empfindlich gegen den Angriff durch verschiedene Säuren, die
mit dem Beton reagieren und zur Korrosion sowie zum Zerfall des
Betons führen.
Ein besonderes Problem war dies bisher bei Abwasser- und Dränagerohren
aus Beton, die als Teil von Kanalisationssystemen vieler größerer städtischer
Gemeinden und Großstädte über Hunderte
und sogar Tausende von Kilometern hinweg unterirdisch verlegt sind.
Schwefel im Abwasser reagiert mit Bakterien, die den Schwefel in
zur Korrosion des Betons führendes
Schwefelwasserstoffgas (H2S-Gas) umwandeln.
Dieses Schwefelwasserstoffgas erzeugt Schwefelsäure (H2SO4), die den Beton korrodiert. Wird dieser
Entwicklung nicht Einhalt geboten, so kann dieser Schaden schließlich zum
Zusammenbruch des Rohrs führen,
das sodann ersetzt werden muss.
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Wegen
der vielen Hunderte von Kilometern Rohrleitung, die unterirdisch
verlegt sind, kann der Ersatz eines Betonrohrs unpraktisch, wenn
nicht sogar unmöglich
sein. Verfahren zur Behandlung des Rohrmaterials mit dem Ziel, diesen
Schaden zu verhindern und einen Ersatz desselben überflüssig zu
machen, ist eine Sache von größter Wichtigkeit
geworden.
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Diese
Verfahren beinhalten für
gewöhnlich
das Besprühen
der Rohrseiten- und Rohrkronenflächen
mit einem alkalischen Korrosionsschutzmittel. Die derzeitigen Korrosionsschutzmittel
enthalten Natriumhydroxid (NaOH) sowie Magnesiumhydroxid (Mg(OH)2). Aufgetragen werden sie mittels einer
Sprühvorrichtung,
die auf einer Transporteinheit wie einem Wagen oder einer Schwimmschute
installiert durch das Rohrinnere bewegt wird.
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Wenngleich
sich mit den derzeitigen Korrosionsschutzmitteln der Ersatz von
Betonrohren vermeiden lässt,
sind diese Mittel aber dennoch mit vielen Mängeln behaftet. Natriumhydroxid
ist eine echte Lösung
und weist eine relativ niedrige Viskosität auf. Beim Auftragen von Natriumhydroxid
haftet die Lösung
nicht problemlos an den Rohrwänden
und besteht die Tendenz eines Herablaufens auf den Seitenflächen und
wird somit die Wirkung der Behandlung verringert. Natriumhydroxid
ist stark hautkorrosiv bzw.- aggressiv, so dass beim Umgang mit
diesem Stoff Sicherheitsvorkehrungen zu treffen sind. Magnesiumhydroxid-schlämme besitzen
einen niedrigeren pH-Wert und reagieren viel langsamer als Natriumhydroxid,
so dass Magnesiumhydroxid in größeren Mengen
eingesetzt werden muss. Darüber
hinaus sind beide Lösungen
ziemlich teuer.
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Versuche,
bei der Behandlung von Abwasserrohren die Säure mit Kalkschlämmen zu
neutralisieren, sind bisher erfolglos geblieben. Die Verwendung
gelöschten
Branntkalks, der billiger als Natrium- oder Magnesiumhydroxid ist,
ergibt einen schwer zu verarbeitenden Kalkschlamm. Konventionelle
Löschkalkschlämme können grobe
Teilchen sowie weniger Feststoffe enthalten und weisen eine schwer
zu steuernde Viskosität auf.
Die großen
Teilchen dieser Kalkschlämme
führen
zum Zusetzen und zu betrieblichen Störungen der Sprühvorrichtung.
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Benötigt wird
also ein Verfahren zum Einsatz von Kalk in einer solchen Weise,
dass dieser zur Neutralisation von auf dem Rohr befindlicher Säure und
zum Schutz des Rohrmaterials vor Säurekorrosion auf die Innenflächen eines
Betonrohrs gesprüht
werden kann.
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Zusammenfassung der Erfindung
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Erfindungsgemäß wird ein
Verfahren zur Behandlung von Abwasserrohren aus Beton mit einem
Rohrinnern zum Schutz freier Rohrinnenflächen vor Säurekorrosion bereitgestellt
mit den Schritten:
Bereitstellen einer wässerigen Kalkschlammquelle,
die zunächst
durch Vermischen von Wasser, festen Kalkteilchen in einer Menge
von 35 Gew.-% bis 55 Gew.-% des Schlamms und einem Anteil Dispersionsmittel
in der Weise gebildet wird, dass der Schlamm eine bei 100 min–1 mittels
eines Brookfield Viskometers gemessene Viskosität von 2000 cps besitzt und
mindestens 95 des Kalks eine Teilchengröße von weniger als etwa 20 Mesh
aufweisen;
Hindurchführen
einer Sprühvorrichtung
mit einer Sprühdüse durch
das Rohrinnere; und
Pumpen des Kalkschlamms von der Kalkschlammquelle
zur Sprühvorrichtung
beim Hindurchführen
derselben durch das Rohrinnere, so dass der Kalkschlamm über die
Sprühdüse ausgetragen
und auf die freien Innenflächen
des Rohrs über
die Rohrlänge
hinweg aufgebracht wird, um darauf befindliche Säuren zu neut ralisieren und
einen Schutzüberzug
aus Kalkschlamm auf den freien Rohrinnenflächen herzustellen;
wobei
die Menge des Dispersionsmittels zwischen ca. 0,1 und 3 Gew.-% des
Kalks beträgt,
wobei
der wässerige
Schlamm weiterhin ein Alkalimetallhydroxid in einer Menge zwischen
ca. 0,1 und 1,5 Gew.-% des Kalks enthält.
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Weitere
Ausführungsformen
des erfindungsgemäßen Verfahrens
sind in den beigefügten
Ansprüchen beschrieben.
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Besondere
Anwendung findet das Verfahren zur Behandlung von Betonrohren. Es
wird wie vorbeschrieben ein Schlamm mit einem Anteil an festen Kalkteilchen
von über
35 Gew.-% des Schlamms hergestellt. Die Schlammquelle weist außerdem einen
Anteil Dispersionsmittel auf und kann ein Alkalimetallhydroxid in
einer Menge von 0 bis 1,5 Gew.-% des Kalks enthalten, so dass der
Schlamm eine pumpfähige
Viskosität
besitzt. Eine Sprühvorrichtung
befindet sich im Rohrinnern und ist mit einer Sprühdüse ausgestattet.
Der Kalkschlamm wird sodann von der Schlammquelle zur Sprühvorrichtung
gepumpt, so dass er über
die Sprühdüse ausgetragen
und auf die freien Rohrinnenflächen
aufgebracht wird. Der Kalkschlamm neutralisiert Säuren und
bildet eine Schutzschicht auf den freien Rohrflächen.
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Kurzbeschreibung der Zeichnungen
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1 zeigt
eine schematische Darstellung der Prozessanlage und einen Querschnitt
durch ein nach dem erfindungsgemäßen Verfahren
behandeltes Betonrohr.
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Detaillierte Beschreibung
der Erfindung
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Es
konnte festgestellt werden, dass stabile Kalkschlämme mit
hohem Festteilchengehalt zum Einsatz bei der Behandlung von Abwasserrohren
aus Beton für
die Neutralisation von Säuren
und die Bildung einer Schutzschicht auf den Betonoberflächen herstellbar
sind, bei denen die Nachteile konventioneller Kalkschlämme aus
Lösch-
oder Branntkalk ausgeschlossen sind. Die Kalkschlämme sollten
eine bei 100 min–1 mittels eines Brookfield
oder Labline Viskometers gemessene Viskosität von weniger als 2000 cps
und vorzugsweise weniger als 1000 cps aufweisen. Diese pumpfähigen Kalkschlämme werden
dadurch gebildet, dass zunächst dem
anfänglichen
Schlammwasser ein polymeres Dispersionsmittel und sodann die erforderliche
Kalkmenge zugesetzt werden.
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Bei
den Dispergenzien handelt es sich um polymere Elektrolytdisperpersionsmittel,
vorzugsweise um anionische Polyelektrolyte. Zu den als für diesen
Einsatz geeigneten anionischen Polyelektrolyten gehören die Polyacryl-,
Polycarboxyl- und Polyphosphorsäuren,
Copolymere der Polyacryl-, Polycarboxyl- und Polyphosphorsäure sowie
die Alkalimetallsalze derselben. Polymethacrylsäure sowie deren Alkalimetallsalze
sind ebenfalls einsetzbar. Vorzugsweise werden die Polyacryl- und
die Polycarboxylsäure
sowie deren Alkalimetallsalze eingesetzt. Ein handelsübliches
Polyacrylat ist das "DISPEX
N40V" von Allied
Colloids. Als Beispiele für
handelsübliche
Polycarbonat-Dispersionsmittel
sind die Produkte "ACUMER
4000", "ACUMER 9000" und "ACUMER 9400" von Rhom and Haas
zu nennen. Die polymeren Dispersionsmittel werden vorzugsweise in
Mengen von weniger als 3 Gew.-% bezogen auf das Trockengewicht des
Kalks eingesetzt. Bevorzugt gelangen die Dispersionsmittel in Mengen
von 0,1 bis 2 Gew.-% des Kalks und weiter bevorzugt von 0,5 bis
1 % bezogen auf das Trockengewicht des Kalks zum Einsatz.
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Der
zur Herstellung des Kalkschlamms verwendete Kalk sollte eine feine
Teilchengröße aufweisen,
um eine längere
Suspension der Teilchen zu gewährleisten.
Kleinere Teilchengrößen führen darüber hinaus
zu einer besseren Reaktivität
des Kalks. Bevorzugt wird ein Kalkschlamm mit einer Kalkteilchengröße ein gesetzt, in
dem 95 % der Teilchen eine Größe von weniger
als 20 Mesh, weiter bevorzugt von weniger als 60 Mesh und noch weiter
bevorzugt von weniger als 100 Mesh aufweisen. Durch die geringe
Teilchengröße ist der
Schlamm einfacher pumpfähig,
so dass ein Zusetzen und Verstopfen der Vorrichtung und der Sprühdüse vermieden wird.
Sowohl normaler als auch gelöschter
Dolomitkalk (Typ N bzw. Typ S) sind zum Herstellen von Kalkschlämmen für die Behandlung
von Abwasserrohren aus Beton geeignet. Eingesetzt wird der Kalk
in einer Menge von ca. 35 bis 55 Gew.-% des Schlamms.
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Ein
Dispersionshilfsmittel aus Alkalimetallhydroxid kann zum weiteren
Absenken der Schlammviskosität
eingesetzt werden, ohne dass zusätzliches
polymeres Dispergens erforderlich ist. Vorzugsweise wird das Dispersionshilfsmittel
aus Alkalimetallhydroxid nach bereits erfolgter Vermischung des
Dispersionsmittels mit dem Kalk zugesetzt. Diese Zusatzreihenfolge
hat sich als äußerst wichtig
erwiesen, da hierdurch die Viskosität des Kalkschlamms noch weiter
als bei einer Zugabe des Dispersionshilfsmittels vor dem Dispergenz
gesenkt wird. Zu den geeigneten Dispersionshilfsmitteln aus Alkalimetallhydroxid
gehören
Natrium-, Kalium- und Lithiumhydroxid. Dem Natriumhydroxid ist jedoch
der Vorzug zu geben, da es leicht verfügbar ist. Der Anteil an Natriumhydroxid
kann irgendwo zwischen ca. 0,1 and 1,5 Gew.-% des Kalks liegen.
Vorzugsweise beträgt
die eingesetzte Natriumhydroxidmenge zwischen 0,3 und 0,8 Gew.-%
des Kalks.
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Außer den
vorgenannten lassen sich auch weitere Verbindungen zusetzen. Ein
Suspensionsmittel wie Bentonit, synthetisches Hectorit oder ein
organisches Suspensionsmittel von hoher relativer Molekülmasse kann
zuweilen von Vorteil sein. Normalerweise werden Suspensionsmittel
in Mengen von weniger als 1 Gew.-% des Kalks verwendet. Die Zugabe
von Bioziden zum Schlamm kann ebenfalls die Wirksamkeit des Schlamms
bei der Vernichtung von die Bildung von Schwefelsäure begünstigenden
Bakterien verbessern.
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Beispiele
für zur
Behandlung geeignete Kalkschlämme
sind in Tabelle 1 zusammengefasst. Die Viskositäten wurden bei 100 min
–1 mittels
eines Brookfield oder eine Labline Viskometers für einen Kalkschlamm mit einem
Festteilchenanteil von 47 bestimmt. In jedem der Fälle wurde
das Natriumhydroxid-Dispersionsmittel zuletzt zugegeben. In allen
Beispielen wies der eingesetzte Kalk eine Teilchengröße auf,
bei der 95 % der Teilchen feiner als 20 Mesh waren. TABELLE
1
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Die
wie vorstehend ausgewiesen hergestellten Kalkschlämme weisen
einen hohen pH-Wert auf, wodurch sie zur Neutralisation von Säuren bei
der Behandlung von Betonrohren erwünscht sind. Der pH-Wert der so
hergestellten Kalkschlämme
liegt normalerweise bei ca. 12,4. Diese Kalkschlämme sind weiterhin durch hervorragende
thixotrope Eigenschaften gekennzeichnet, wobei der Schlamm beim
Pumpen ein strukturviskoses Fließverhalten bzw. eine Scherentzähung zeigt,
nach dem Auftrag sich aber verdickt. Es ist dies insofern von Vorteil,
als der Schlamm die Tendenz hat, nach dem Aufbringen zur Sicherstellung
einer vollständigen Neutralisation
der auf dem Beton befindlichen Säuren
an den Rohrwänden
zu haften und eine Schutzschicht zu bilden.
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Die
Eigenschaften der zur Behandlung eingesetzten Kalkschlämme sind
im Vergleich mit konventionellen Kalkschlämmen noch deutlicher erkennbar.
Tabelle 2 weist die verschiedenen Eigenschaften eines für die Behandlung
von Betonrohren eingesetzten Schlamms sowie eines konventionellen
Schlamms aus Löschkalk
aus. Die Viskositäten
wurden mittels eines Brookfield DV-I+ Viskometers bestimmt. Die
Scherentzähung des
Behandlungsschlamms ist durch die niedrigere Viskosität bei 100
min
–1 gegenüber einer
solchen von 20 min
–1 angezeigt. Eine gegebene
Menge eines jeden der Schlämme
wurde durch ein 100 Mesh Sieb gegeben und es wurde der Rückstand
auf dem Sieb getrocknet und gewogen. Die auf dem Sieb zurückgehaltene
Menge ist in Prozent des ursprünglichen
Festteilchenanteils angegeben. Der Festteilchengehalt eines jeden Schlamms
wurde nach dem Gardner Becherverfahren bestimmt, bei dem die Dichte
eines vorgegebenen Menge Schlamms gemessen und das Ergebnis in einen
prozentualen Festteilchengehalt umgewandelt wird. TABELLE
2
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1 zeigt
ein unterirdisch verlegtes Beton-Abwasserohr 10 zur Förderung
von Abwasser 12. Durchlässe 14, 16 sind
für den
Zugang zum Innern des Rohrs 10 von der Terrainoberfläche aus
vorgesehen. An der Oberfläche
befindet sich eine Kalkquelle in einem in der Nähe aufgestellten Kalkbeschickungsbehälter 18,
die zum Pumpen von Behandlungsschlamm durch einen auf einer Schlauchtrommel 24 geführten Schlauch 22 mittels
einer Förderpumpe 20 verbunden
ist.
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Eine
Transporteinheit 26, beispielsweise eine Schwimmschute,
ist im Innern des Betonrohrs 10 angeordnet und wird auf
der Oberfläche
des Abwassers 12 schwimmend über die Länge des Rohrs 10 fortbewegt. In
Situationen, wo das Rohr groß genug
und nicht genügend
Abwasser zum Transport einer Schwimmschute vorhanden ist, kann die
Transporteinheit 26 auch in Form eines Wagens oder Radfahrzeugs
vorgesehen sein.
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Der
Kalkschlamm wird der Transporteinheit 28 über den
Schlauch 22 zugeführt.
Der Schlauch 22 verläuft
von der Förderpumpe 20 durch
einen der Durchlässe 14, 16 und
in das Innere des Rohrs 10. Der Schlauch 22 ist
an einer auf der Transporteinheit 26 angeordneten Sprühvorrichtung 28 angebracht.
Die Sprühvorrichtung 28 ist
mit einer oder mehreren Sprühdüsen 30 in
einer solchen Ausrichtung versehen, dass der Behandlungsschlamm über die
Krone und die Seiten des Rohrinnern geleitet wird.
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An
der Oberfläche
sind neben den Durchlässen 14, 16 Winden 32 bzw. 34 angeordnet.
Zur Fortbewegung der Transporteinheit 26 im Innern des
Rohrs 10 sind von den Winden 32 bzw. 34 ge führte Kabel 36, 38 durch
die Durchlässe 14, 16 geleitet
und an entgegengesetzten Enden der im Rohrinnern befindlichen Transporteinheit 26 befestigt.
Wie aus 1 ersichtlich, ist die das Kabel 36 führende Winde 32 eine
stromaufwärts und
die das Kabel 38 führende
Winde 34 eine stromabwärts
ziehende Winde. Durch Ab- und Aufrollen des Kabels zwischen den
Winden 32, 34 ist die Schute 26 über die
Länge des
Abwasserrohrs 10 zwischen den Durchlässen 14, 16 bewegbar.
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Beim
Hindurchführen
der Transporteinheit 26 durch das Innere des Betonrohrs
liefert die Pumpe 20 einen kontinuierlichen Vorrat an Behandlungskalkschlamm
vom Beschickungsbehälter 18 durch
den Schlauch 22 zur Sprühvorrichtung 28 und
zu den Sprühdüsen 30.
Der Schlauch 22 wird bei der Bewegung der Transporteinheit 26 im
Innern des Rohrs 10 von der Trommel 24 ab- bzw.
aufgewickelt. Die auf die Oberflächen
des Rohrs 10 aufgebrachte Kalkmenge wird über die
Leistung der Pumpe und der Sprühdüsen sowie
die Geschwindigkeit, mit welcher die Transporteinheit über die
Länge des
Rohrs 10 gezogen wird, gesteuert.
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Bei
einer typischen Behandlung eines konventionellen Betonrohrs von
10 Fuß Durchmesser
kann etwa eine Gallone Kalkschlamm pro Fuß Rohrlänge aufgebracht werden. Es
versteht sich jedoch, dass je nach Besonderheit der angetroffenen
Bedingungen wie der zu neutralisierenden Säuremenge und der Rohrabmessung
unterschiedliche Mengen Behandlungsschlamm aufgetragen werden können. Auch
beachte man, dass die Viskosität
des Kalkschlamms in Anpassung an das jeweils eingesetzte Gerät einstellbar
ist, indem die verwendeten Mengen an Dispersionsmittel oder Natriumhydroxid-Dispersionshilfsmittel
variiert wird.
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Das
vorbeschriebene Verfahren zur Behandlung von Abwasserrohren aus
Beton bietet gegenüber dem
Stand der Technik viele Vorteile. Der Kalkschlamm ist billig im
Vergleich zu den gegenwärtig
verwendeten Magnesium- und Natriumhydroxidlösungen.
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Aufgrund
der thixotropen Eigenschaften des Behandlungsschlamms ist der Kalkschlamm
beim Pumpen dünn,
um jedoch nach dem Auftragen zu verdicken. Somit läuft oder
tropft der Schlamm nicht ab, sondern haftet problemlos an den Rohrwänden an.
Sowohl Magnesiumhydroxidschlämme
als auch Natriumhydroxidlösungen
sind dünn
und haben die Tendenz, nach dem Auftrag an den Rohrwänden nach
unten zu laufen. Der zur Behandlung eingesetzte Kalkschlamm ist
außerdem
viel sicherer zu handhaben als Natriumhydroxidlösungen und es ist der Behandlungsschlamm
wirksamer bei der Verhinderung oder Verzögerung des Wachstums von zur
Bildung von Schwefelsäure
führenden
krankheitserregenden Bakterien, weil er einen höheren pH-Wert besitzt als Magnesiumhydroxid
mit einem pH-Wert von etwa 10.
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Ein
weiterer wesentlicher Vorteil des zur Behandlung eingesetzten Kalkschlamms
besteht darin, dass Calciumhydroxid mit Schwefelsäure reagiert
und eine unlösliche
Beschichtung auf den Wänden
des behandelten Rohrs bildet. Die Reaktion stellt sich wie folgt
dar: Ca(OH)2 +
H2SO4 → CaSO4·2H2O (Gleichung
1)
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Das
angefallene Produkt, nämlich
Gips, ist ein geringfügig
lösliches
Salz, das die Tendenz hat, in den Poren des Betons zu haften sowie
diese zu verschließen
und so eine Schutzschicht zu bilden, welche Säurekorrosion verhindert oder
weiter reduziert. Bei Verwendung von entweder Magnesium- oder Natriumhydroxid ist
das bei der Säureneutralisation
angefallene Produkt ein lösliches
Salz, d.h. Magnesiumsulfat (MgSO4) oder Natriumsulfat
(NaSO4). Bei beiden Salzen besteht die Tendenz
der leichten Löslichkeit
und des Abfallens von den Wänden
des behandelten Rohrs.
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Weil
der Behandlungsschlamm eine feine Teilchengröße und eine niedrige Viskosität beim Pumpen besitzt,
ist er überall dort
einsetzbar, wo konventionelle Kalkschlämme nicht verwendet werden
können.
Konventionelle Kalkschlämme
sind durch eine hohe Viskosität
und eine große
Teilchengröße gekennzeichnet,
wobei die Festteilchen die Tendenz einer schnellen Ausfällung aus
der Suspension besitzen. Auch weisen die konventionellen Kalkschlämme einen
geringeren Festteilchengehalt von gewöhnlich weniger als 35 % auf,
wodurch eine größere Menge
Schlamm für
die Säureneutralisation
aufgewandt werden muss.
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Zwar
wurde die Erfindung in nur einer ihrer Ausführungsformen beschrieben, doch
dürfte
es für
den Fachmann klar ersichtlich sein, dass sie nicht auf diese Weise
eingeschränkt
ist und dass verschiedene Änderungen
möglich
sind, ohne dass der Schutzumfang der Erfindung wie in den beiliegenden
Ansprüchen
definiert verlassen wird.
