Dispergator und Härtestabilisator – Ablagerungen in Prozess- und Kühlkreisläufen vermeiden

Nachfolgend finden Sie eine Auflistung der häufigsten störenden Ablagerungen in industriellen Kühlkreisläufen:

1. Kalk (Calciumcarbonat / CaCO₃)
2. Gips (Calciumsulfat / CaSO₄)
3. Phosphatstein (Calciumphoshat / Ca₂OHPO₄)
4. Braunstein (Mangendioxid / MnO₂)
5. Eisen / Rost (Eisenoxid / Fe₂O₃)
6. Biologie / Biofilm / Algen / Pilze / Bakterien (MIC / Mikrobiologisch induzierte Korrosion)
7. Magnesium (Magnesiumsilikat / MgSiO₃)

Stark verkalktes Rohrstück

Aufgrund ständig wechselnder Bedingungen kommt es in den meisten Kühlkreisläufen zu Störungen des Kalk-Kohlesäuregleichgewichts und in diesem Zusammenhang zu Ausscheidungen der sogenannten Härtebildner, meist Calciumcarbonat (CaCO₃). Ein hoher Karbonathärte-Anteil an der Gesamthärte kann bereits ab mittelhartem Wasser zu Steinbildung führen – mit schwerwiegenden Folgen. Denn bereits eine Kalkschicht von 1mm auf Wärmetauschern sorgt für gut 15 % weniger Kühl- bzw. Heizleistung und somit mehr Energiebedarf. Das liegt daran, dass Kalk die Wärmeenergie deutlich schlechter leitet.

Wichtig zu wissen ist auch, dass Kalk bei höheren Wassertemperaturen verstärkt „ausfällt“, sich also aus dem Wasser löst und eventuell ablagert. Ab 55-60 °C wird es meist kritisch. Ein Grund, warum es an thermisch stark belasteten Bereichen oft zu massiven Ablagerungen durch Kalk kommt, wie z. B. an Wärmetauschern. Wird Brunnenwasser mit hohem Eisen- und Mangangehalt genutzt, haben Unternehmen häufig mit Ablagerungen von Eisen- und Manganoxiden zu kämpfen.

Bei Problemen mit Kalk in Kühlwasserkreislauf kommen meist Disperagiermittel und Härtestabilisatoren zum Einsatz. Doch was sind eigentlich die Unterschiede zwischen den beiden chemischen Mittel? Während Härtestabilisatoren speziell zur Vermeidung von Kalkablagerungen eingesetzt werden, kommen Dispergatoren bei verschiedenen Ablagerungen (diverse Schwebstoffe, z. B. Schmutz, Eisen-, Manganoxide etc.) zum Einsatz.

Auf die richtige Zusammensetzung kommt es an: Wie auch bei Korrosionsinhibitoren eignen sich Chemikalien-Mischungen in der Regel besser zur Bekämpfung von Ablagerungen als Produkte, die nur aus einer Komponente bestehen. Typische Formulierungen enthalten daher üblicherweise mehrere aktive Wirkstoffe. Ausgeklügelte Mischungen können mittlerweile höchst effizient Prozessstörungen vermeiden. Die Kunst liegt in der Auswahl und Zusammensetzung der richtigen Produkte.

Kanister mit Chemikalien zur Wasseraufbereitung

Wir wollen versuchen, das Ganze vereinfacht und vielleicht etwas bildlich darzustellen. Wenn Sie ein Glas mit Wasser aus dem Wasserhahn füllen, ist Kalk drin – auch wenn Sie ihn gar nicht sehen. Der Kalk ist gelöst und somit unsichtbar. Durch Erhöhung des pH-Werts und vor allem der Temperatur verschiebt sich das sogenannte „Kalk-Kohlensäure-Gleichgewicht“ und Kalk in seiner typischen weißen festen Form lagert sich ab. „Kalk“ verändert sich also von einem gelösten in einen festen Stoff. Genau das ist das Problem. Doch es gibt eine Lösung: Chemikalien zur Kalkverhinderung, sogenannte Härtestabilisatoren.

Wie funktioniert das Ganze? Bei Kalk in Feststoffform spricht man auch von einem Calcitgitter. Der Härtestabilisator bindet sich vereinfacht gesagt an die Wachstumsstellen des Calcitgitters und verhindert sehr effizient das Entstehen von harten Kalkbelägen.

Die wichtigsten Vertreter von Härtestabilisatoren sind Phosphonate, Phosphate und Polyelektrolyte. Speziell der Einsatz von Phosphonaten spielt hier eine zentrale Rolle.

Dispergiermittel haben u. a. die Aufgabe, Oberflächen ablagerungsfrei zu halten und die Bildung von größeren, zusammenhängenden Partikeln zu verhindern. Das ist wichtig, da nur belagsfreie Oberflächen den Zugang von Korrosionsschutzmitteln ermöglichen und kleine Partikel in der Regel keine Prozessstörungen verursachen.

Ist keine Dispergierung im Kühlwasser vorhanden, können die sogenannten Van-der-Wals-Kräfte dafür sorgen, dass sich Partikel verklumpen (gegenseitige Anziehung). Große Feststoffe sorgen dann nicht selten für Verstopfungen und Ablagerungen in Prozess- und Kühlwassersystemen. Haben Sie sich schon mal gefragt, warum manche Tiere kopfüber an der Decke laufen können? Dafür ist meist die Anhaftung durch viele kleine Härchen verantwortlich, u. a. durch Van-der-Wals-Kräfte verursacht…

Die Wirkungsweise der Dispergierung beruht in der Regel darauf, dass sich die Wirkstoffe auf Oberflächen von suspendierten Feststoffen ablagern und so dazu führen, dass Partikel sich gegenseitig abstoßen und nicht verklumpen. In höherer Konzentration können mithilfe von Dispergiermitteln auch Ablagerungen in Rohren oder Wärmetauschern gelöst werden.

Spezielle Dispergiermittel, auch häufig als Biodispergatoren bezeichnet, sollen mikrobiologische Ablagerungen verhindern oder sogar ablösen. Die Wirkungsweise beruht darauf, dass dieses Molekül einen wasserliebenden und einen wasserabstoßenden Teil besitzt. Stellen Sie sich ein Streichholz mit 2 Köpfen vor. Ein Kopf will immer zum Schmutz und reibt am Rohr entlang, der andere Teil möchte dagegen immer zum Wasser und zieht somit in die entgegengesetzte Richtung. Auf diese Weise können Ablagerungen gelöst werden.

Dispergiermittel sind meist Polyelektrolyte mit mehreren funktionellen Gruppen (Copolymere / Terpolymere).

Die Wasseraufbereitung mit chemischen Produkten zur Vermeidung von Kalk und Ablagerungen ist meist sehr effizient und auch kostengünstig möglich. Grund ist der sogenannte Treshold-Effekt. Der Grundgedanke dahinter ist, dass weitaus weniger Chemie dosiert werden muss als z. B. Kalk vorhanden ist. Das wäre sonst auch ziemlich unwirtschaftlich. Da z. B. der Härtestabilisator nur an einigen Stellen eines Calcitgitters anhaften muss, reichen schon kleinste Mengen an Chemie, um signifikante Erfolge zu erzielen.

Stellen Sie sich 1.000 Liter Wasser vor. Häufig kann mit einer Dosierung von 20-50 ml (=0,02-0,05 Liter) pro 1 m³ Wasser bereits viel erreicht werden. Der Treshold-Effekt macht es möglich. Phosphonsäuren erzielen z. B. in derartigen Konzentrationen eine hervorragende Wirksamkeit.