Grundlagen der Vollentsalzung mittels Ionentausch

• 1. Prinzip der Vollentsalzung beim Ionentausch
• 2. Wozu ist eine Vollentsalzung notwendig
• 3. Einsatzgebiete von Vollentsalzungsanlagen
• 4. Begriffserklärung zur Berechnung der Anlagenkapazität einer Entsalzung
• 5. Rechner zur Ermittlung der Anlagenkapazität
• 6. Welcher Anlagentyp soll es sein
• 7. Was ist sonst noch beim Einsatz von Vollentsalzungen zu beachten?
• 8. Zu den Produktseiten Vollentsalzungsanlagen

1. Was ist Vollentsalzung

Bei der Vollentsalzung im Ionentauschverfahren werden zum einen wie bei der Enthärtung der Kationenanteil, also die Härtebildner wie Calciumkarbonat (CaCo3) und Magnesiumkarbonat, herausgenommen, zum anderen jedoch auch die Anionen, wie Sulfate und Chloride. Im Unterschied zur Enthärtung werden bei der Vollentsalzung die Kationen gegen Wasserstoff (H⁺)-Ionen getauscht.
Zusätzlich werden neben den Kationen noch die Anionen gegen Hydroxid-Ionen (OH) ausgetauscht.

Dieses Harz kann miteinander vermischt werden, man spricht dann von einem Mischbett.
Mischbett-Vollentsalzungsanlagen können in aller Regel nicht vor Ort regeneriert werden. Sie werden vorwiegend in Vollentsalzungspatronen im Tauschsystem geliefert. Das erschöpfte Harz wird dann werksseitig voneinander getrennt und mit den entsprechenden Reagenzien regeneriert, desinfiziert und anschließend wieder in die Patronen verfüllt.
Bei Anlagen mit größerer Kapazität wird der Kationen- und Anionentauscher jeweils separat in einem Druckbehälter verfüllt. Das Wasser durchströmt dann nacheinander beide Tauschersäulen. Die Regeneration erfolgt vor Ort jeweils mit einer verdünnten Säure z.B. Salzsäure oder mit einer verdünnten Base z.B. Natronlauge. Als Polizeifilter kann nachfolgend noch eine Mischbettpatrone angeordnet werden
Bei diesem Verfahren werden erhöhte Sicherheitsanforderungen an das Bedienpersonal und die Sicherheitseinrichtungen gestellt.

Untenstehende Skizze zeigt das Vollentsalzungsverfahren anhand einer Mischbettpatrone, wie das Rohwasser vom Ein-/Ausgangsventil von oben nach unten durch das Ionentauscherharz fließt. Dabei erfolgt die Vollentsalzung. Unten angelangt, fließt es als Deionat (demineralisiertes Wasser) durch ein Steigrohr zurück. Filterdüsen, jeweils oben am Steuerventil und unten am Steigrohr verhindern, dass der Ionentauscher aus dem Druckbehälter gelangt. Das vollentsalzte Wasser hat eine Leitfähigkeit von < 1 µS/cm (microSiemens/cm).

Prinzip Vollentsalzung im Mischbett

Andere Verfahren um Reinwasser zu gewinnen sind das Destillieren und das Umkehrosmoseverfahren (siehe Umkehrosmose FAQ in Vorbereitung).

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2. Warum Vollentsalzung?

Die im Wasser enthaltenem Salze können eine definierte Produktion z.B. von Maßlösungen unmöglich machen. Auch bei der Wärme- und Dampferzeugung spielen  die Ablagerungen eine große Rolle. Bei den dort vorherrschenden Temperaturen würden auch die Anionenanteil anfangen auszufällen. Die Folge wären Schlammbildung, die zur Zerstörung der Anlage führen können.
Insbesondere wird auch in der Elektronik-Industrie z.B. bei der Chipherstellung, der pharmazeutischen Industrie, der Kosmetikindustrie, der Metallveredelung und der Lebensmittelindustrie Wasser mit ganz speziellen Eigenschaften und Reinheitsgrad benötigt.

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3. Einsatzgebiete für Vollentsalzungsanlagen

• Dampferzeugung für Sterilisatoren
• Dampferzeugung für Heizzwecke und Bügelautomaten
• Spülwasser für Laborwaschmaschinen und Glasspülmaschinen
• Elektronikindustrie bei der Herstellung von Bauteilen
• Pharmaindustrie zur Herstellung von Medikamenten
• Kosmetikindustrie
• Ansetzwasser in der Galvanotechnik und Textilindustrie
• zur Herstellung von Papieren, Emulsionen und Filmen
• als Polierfilter hinter Umkehrosmoseanlagen und Ionenaustauschern
•  Laboreinsatz

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4. Begriffserklärung zur Berechnung von Vollentsalzungsanlagen

Die im folgenden dargestellte Abschätzung dient als Anhalt und kann die Berechnung durch den Anlagenbauer, der auch DIN-Normen und gesetzliche Regelungen beachten muss,  nicht ersetzen.
Insbesondere die Berechnung des Anionentauschers ist nicht trivial und kann nur unter Verwendung einer kompletten Wasseranalyse erfolgen.

Für eine erste  Abschätzung der Anlagenkapazität benötigen Sie folgende Angaben:

• welche Kationenhärte habe ich?
• welche Anionenhärte habe ich?
• wie hoch ist mein maximaler Wasserverbrauch
• Welche Restleitfähigkeit benötige ich?

Am besten, Sie lassen sich per Fax oder E-Mail eine komplette Wasseranalyse von Ihrem örtlichen Wasserversorger zukommen. Dieser Service kostet (noch) nichts, und die Wasseranalyse ist für eine genaue Auslegung der Anlage später ohnehin unerlässlich.
Für die weitere Berechnung durch uns ist auf jeden Fall eine komplette Analyse erforderlich, sowie Kenntnisse über die Arbeitstemperatur des Wassers. (Bei Temperaturzunahme erfolgt eine Zunahme der Leitfähigkeit)
Für technische Anlagen gibt meistens der Hersteller bzw. die Bedienungsanleitung Auskunft darüber, welche Leitfähigkeit maximal toleriert wird.

Begriffserklärungen:

- Stoffmenge
ist die Menge eines Stoffes in einem Liter Wasser. Einheit: mg/ltr

- Äquivalentgewicht
Die Einheit für das Äquivalentgewicht, manchmal findet man auch Äquivalenzgewicht, ist val oder eq und bedeutet, dass das Molgewicht durch die Wertigkeit dividiert wird.

Natrium und Kalium sind von ihrer Ladung her einwertig. Deswegen haben wir sie mit einem "+" gekennzeichnet.  Magnesium (Mg++) und Calcium (Ca++) sind jedoch  zweiwertig (deswegen die ++).
z.B.
Natrium = einwertig = Na+ = 1 Mol/1 = 1 eq (oder 1 val)
Calcium = zweiwertig = Ca++ = 1 Mol/2 = 0,5 eq (oder 0,5 val)

Ein einwertiges Kation wie Natrium wird gegen ein einwertiges H-Ion (H+) vom Ionentauscher ausgetauscht. Für ein zweiwertiges Ion wie Calcium benötigt dieser jedoch 2 H-Ionen.
Daraus folgt nun, dass mit 1eq Ionentauscherkapazität nur 0,5 eq Calcium getauscht werden kann, während der Austausch von Natrium im Verhältnis 1:1 einhergeht.
Mit anderen Worten:
Man benötigt für die gleiche Molmenge Calcium die doppelte Ionentauscherkapazität als für Natrium.
Hat man das Molgewicht eines Stoffes kann man daher sehr einfach die Kapazität über die Wertigkeit berechnen.

Die wesentlichen Ionen, die bei der Vollentsalzung meistens gegen H+ Ionen ausgetauscht werden, sind die Alkali-Elemente Natrium (Na+) und Kalium (K+) sowie die Erdalkali-Elemente Magnesium (Mg++) und Calcium (Ca++). Andere Kationen wurden vernachlässigt, da im Trinkwasser davon lediglich Spuren enthalten sind. (Bei einer genauen Berechnung durch uns werden sie natürlich berücksichtigt.)

Damit die Sache einfacher ist, stellen wir Ihnen untenstehenden Rechner zur Verfügung.

°dH
 bedeutet Grad deutscher Härte und ist nicht anderes als eine Krücke einer vorstellbaren Stoffmenge, die die Wasserhärte bewirkt.
500mg Calciumkarbonat CaCo3 entsprechen 28°dH, oder umgerechnet in die weniger anschauliche Größe des  Äquivalentgewichtes = 10meq/ltr  (=milli-eq = 1/1000eq)
Umgeformt entsprechen 17,857 mg CaCo3 einer Wasserhärte von 1°dH, womit man sich ein bildliche Vorstellung machen kann.

Wie Sie mittels Periodensystem, Papier, Bleistift und Hirn1.0 von Molmengen bzw. Gewicht in Härtegrade umrechnen können , finden ausführlich erklärt unter Chemisches Rechnen 

Was soll das ganze nun? Es ist üblich bei Ionentauschanlagen die Kapazität der Anlage in Härtegraden anzugeben. Wir geben bei unseren Vollentsalzungsanlagen die Kapazität in Litern oder Kubikmetern bei 1°dH bzw. 10°dH an. Wir beziehen uns dabei ausschließlich auf die Anionenhärte, da Anionentauscher geringere Austauschkapazitäten haben als Kationentauscher. Die Harzmenge des Kationentauschers ist an die Kapazität des Anionentauschers mengenmäßig angepasst.
Nachdem Sie mit Hilfe des Rechners ermittelt haben, welche Anionenhärte je Liter Wasser besteht, brauchen Sie im Anschluss lediglich unsere angegebene Anlagenkapazität bei 1°dH durch den ermittelten Wert dividieren, z.B.:
angegeben Kapazität: 36000 ltr x °dH
ermittelter Härtegrad Anionen: 30 °dH
Rechenweg: 36000/30=
Ergebnis: 1200 ltr

Die Anlage müsste also nach 1200 ltr verbrauchten Wassers in Regeneration gehen.
Dieser Wert ist wiederum wichtig, um den Zeitpunkt der Regeneration bestimmen zu können.
Möglichst plant man Anlagen so, dass die Regeneration in produktionsfreien Zeiten erfolgen kann.

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5. Rechner zur überschlägigen Ermittlung der Anlagenkapazität

Bitte geben Sie die  Werte in die hellen Felder ein. Verwenden Sie bitte kein Komma, sondern den Punkt als Dezimaltrenner. Fahren Sie mit der Maus über die übrigen Felder oder nutzen sie die Tab-Taste. Es erscheinen dann die Werte. Drücken Sie nicht die Eingabetaste. Javascript muss aktiviert sein.
Die Kapazitätsvorgaben 1200 meq/ltr für Kationentauscher und 700 meq/ltr für Anionentauscher entsprechen durchschnittlichen Werten für Austauscher. Diese können jedoch je nach verwendetem Ionentauschermaterial beträchtlich abweichen. Kapazitätsangaben zu den Ionentauscherharzen findet man in den Produktdatenblättern der jeweiligen Hersteller bzw. demnächst auch auf unseren Seiten für Ionentauscherharze.

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 6. Welche Vollentsalzungsanlage soll es denn sein?

Die Auswahl der Anlage richtet sich in erster Linie nach der benötigten Kapazität, sowie nach den Vorgaben des maximal erlaubten Leitwertes. Tauschpatronen, die als Mischbett konzipiert sind, halten wir bis zu einer Kapazität von 54.000 Härtegraden bei 1°Anionenhärte für vertretbar.
Bei höherem Bedarf sollte ein Zwei-Säulen-System, bei dem Anionentauscher und Kationentauscher getrennt mittels der benötigten Regenerierlösungen aufbereitet werden, in Betracht gezogen werden.

Im Bereich der Reinstwasseraufbereitung sind jedoch Mischbettverfahren wegen der Erzielung einer niedrigeren Leitfähigkeit unter Umständen zwingend notwendig.
Da hierbei viele Faktoren eine Rolle spielen,  kann an dieser Stelle keine allgemeine Empfehlung abgegeben werden.

6.1. Steuerung der Regeneration

Da stationär regenerierbare Anlagen grundsätzlich im industriellem Bereich gefahren werden, sind wir der Ansicht, dass die Überwachung und die Steuerung der Regenation sowohl über eine Leitfähigkeitsüberwachung als auch über eine Mengensteuerung mit der Möglichkeit einer zeitlichen Verzögerung (solange der Leitwert im Rahmen der vorgegeben Werte bleibt) erfolgen sollte.
Falls erforderlich wird bei Unterschreiten eines bestimmten Leitwertes der Wasserzufluss gesperrt.

6.2. Einzel- oder Doppelanlage?

Bei einer Einzelanlage arbeitet die Entsalzungsanlage mit jeweils einer Kationen- und Anionentauschersäule. Während der Regeneration kann daher kein Reinwasser geliefert werden.
Für viele Anwendungen sind Einzelanlagen vollkommen ausreichend.
Doppelanlagen oder Pendelanlagen sind im Prinzip zwei Einzelanlagen, die z.B. über eine entsprechende Steuerung zusammengeschaltet sind.
Wegen der aufwendigen Steuerung, des hohen Platzbedarfes und der hohen Kosten, wird oftmals das Reinwasser in Vorratsbehältern gelagert und mittels einer Druckerhöhung zum Endverbraucher befördert.
Man erkauft sich in diesem Fall den Vorteil mit dem Manko, dass Verkeimungen im Lagerbehälter entstehen können. Um dem entgegenzuwirken, installieren wir oftmals UV-Entkeimungsanlagen entweder im Tank oder nach dem Tank, gefolgt von einem Polierfilter im Mischbett oder "denglisch" Polisherfilter.
Eine konkrete Empfehlung kann erst nach Berechnung und Planung der Anlage erfolgen.

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 7. Was ist sonst noch beim Einsatz von Vollentsalzungen zu beachten?

1. Anlagendruck

Zunächst muss überprüft werden, ob ein Mindestdruck von 2,8 bar vorhanden ist. Weiterhin muss ein Stromanschluss vorhanden sein.

2. Bodenablauf mit Neutralisation

Zum Ausspülen des Regenerates muss die Möglichkeit eines freien Ablaufes z.B. durch ein bodennahes Trichtersiphon möglich sein
Eine Neutralisation des Regenerates ist erforderlich.

3. Rohrtrenner Einbauart 2

Ein Rohrtrenner Einbauart 2 (Durchgangsstellung nur bei Wasserentnahme) ist bei Anschluss an die Trinkwasserleitung erforderlich.
Rohrtrenner können nur bei konstanten Druckverhältnissen bei ausreichendem Netzdruck eingesetzt werden. Bei anderen Verhältnissen muss die Übergabe mittels einer Übergabestation und Druckerhöhung erfolgen.

4. Sicherheitsbestimmungen

Da als Regenerat sowohl Säure als auch Lauge eingesetzt und gelagert wird, müssen die Vorschriften im Umgang und Lagerung mit Säure beachtet werden.
Eine Auffangwanne zur Aufnahme des Säurebehälters ist Vorschrift. Weiterhin sind Personenschutzvorschriften bezüglich Arbeitskleidung, Augendusche und Unfallverhütung etc zu beachten.

5. Materialien nach der Vollentsalzung

Insbesondere im Bereich der Reinstwasseraufbereitung muss auch das gesamte Rohrsystem und die wasserberührten Anlagenteile mit in die Planung einbezogen werden. Ungeeignete Materialien z.B. bei der Versorgungsleitung können die vorher gemachten Anstrengungen zunichte machen.

6. Wassertemperatur

Der Temperaturbereich des Wassers spielt eine große Rolle: So steigt die Leitfähigkeit von vollentsalztem Wasser bei entsprechender Anlagenauslegung bei 10°C von etwa 0,024 µS/cm  auf etwa das zehnfache auf 0,25 µS/cm bei 60°C und im im Temperaturbereich zwischen 10°C und 20°C immerhin noch um das Doppelte. Dies ist im Hinblick auf oben angesprochene Speicherung im Vorratstank nicht unproblematisch.
Deswegen benötigen wir neben einer kompletten Wasseranalyse auch die Arbeitstemperatur des Wassers, sowie die Raumtemperatur bei Verwendung eines Vorratstankes.

Wir freuen uns, wenn wir Ihnen mit den gegebenen Information helfen konnten. Eine individuelle Beratung können diese allerdings nicht ersetzen. Wir stehen Ihnen gerne zur Verfügung

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Stand: 07. Januar 2008