Häufige Calciumsalze in wässrigen Lösungen und Verfahren zu ihrer Entfernung und Aufreinigung
Calciumverbindungen lösen sich je nach ihren chemischen Eigenschaften in Wasser oder dissoziieren darin. In verdünnten wässrigen Strömen liegt Calcium überwiegend als gelöste Calciumionen (Ca2+) und in weiteren wässrigen Spezies vor, nicht als unversehrte Salzmoleküle. Calcium kommt natürlich im Wasser vor und gelangt auch durch industrielle Prozesse und Chemikalien zur Wasseraufbereitung hinein.
Müssen Sie Wasserhärte, Calciumablagerungen oder eine calciumreiche Sole beherrschen? Die geeignete Aufbereitung hängt von einer vollständigen Wasseranalyse ab, einschließlich Calcium, Magnesium, Alkalinität, Sulfat, pH-Wert, Temperatur und der angestrebten Wasserrückgewinnung. Die Calciumkonzentration allein bestimmt nicht, ob sich Ablagerungen bilden.
Häufige Calciumverbindungen und ihr Vorkommen
| Calciumverbindung | Formel | Typische Anwendung / Branche / Einsatzgebiet | Typische wässrige Ströme, in denen sie vorkommt |
|---|---|---|---|
| Calciumhydrogencarbonat (gelöste Carbonatspezies) | Ca(HCO3)2 | Häufig als Kurzschreibweise für gemeinsam in natürlichen Gewässern vorkommendes Calcium und Hydrogencarbonat verwendet; normalerweise wird es nicht als isoliertes, stabiles Trockensalz gehandhabt. | Grund- und Oberflächenwasser, das Kohlendioxid gelöst hatte und mit Kalkstein oder anderen Carbonatgesteinen in Kontakt kam; Wasser mit Carbonathärte. |
| Calciumcarbonat (Calcit, Kreide, Kalkstein) | CaCO3 | Baustoffe, Mineralaufbereitung, Neutralisation und Wasseraufbereitung mit Kalk; außerdem eine häufige Ablagerung. | Grund- und Prozesswasser in Kontakt mit Carbonatmineralen; ausgefällte Feststoffe bei Enthärtungs-, Neutralisations- und Ablagerungsprozessen. |
| Calciumsulfat (Gips / Anhydrit) | CaSO4·2H2O / CaSO4 | Gipsherstellung, Bergbau, Zement- und Mineralaufbereitung; ein potenziell ablagerungsbildendes Salz bei Aufkonzentrierungsprozessen. | Grundwasser in Kontakt mit Gips, Grubenwasser, Industrieabwasser, Solen aus Meerwasser und Membrankonzentrate. |
| Calciumchlorid | CaCl2 | Enteisung, Staubbindung, Öl- und Gasförderung, Lebensmittelverarbeitung und chemische Herstellung. | Abflusswasser mit Streusalz, Ölfeldsolen, Prozesswasser und Ströme, in denen Calciumchlorid als Aufbereitungs- oder Prozesschemikalie eingesetzt wird. |
| Calciumnitrat | Ca(NO3)2 | Düngemittelherstellung und -verwendung, Betonzusatzmittel sowie ausgewählte chemische Prozesse. | Landwirtschaftliches Drainagewasser, Abflusswasser aus dem Düngemitteleinsatz und industrielles Prozesswasser. |
| Calciumfluorid (Fluorit) | CaF2 | Abbau und Aufbereitung von Fluorit sowie Fluoridentfernung durch Fällung. | Fluoridhaltiges Grundwasser sowie Wasser aus Bergbau oder Mineralaufbereitung; Calciumfluorid kann auch als Niederschlag bei der Wasseraufbereitung auftreten. |
| Calciumhydroxid (gelöschter Kalk) | Ca(OH)2 | pH-Wert-Einstellung von Wasser und Abwasser, Kalkenthärtung und Neutralisation. | Mit Kalk versetzte Ströme; bei der Behandlung können Calciumcarbonat- oder Metallhydroxid-Feststoffe entstehen, die abgetrennt werden müssen. |
| Calciumphosphate | CaHPO4, Ca3(PO4)2 und verwandte Phasen | Phosphatentfernung und -rückgewinnung, Düngemittelherstellung sowie biologische oder chemische Behandlung. | Phosphathaltiges Abwasser und phosphathaltige Behandlungsschlämme; die Fällung hängt vom pH-Wert sowie den Calcium- und Phosphatkonzentrationen ab. |
| Calciumhypochlorit | Ca(OCl)2 | Desinfektion von Trinkwasser, Schwimmbadwasser und Prozesswasser. | Wasser während und nach der Hypochloritdosierung; das eingebrachte Calcium kann in manchen Systemen zur Wasserhärte oder zu Ablagerungen beitragen. |
Löslichkeit und Chemie des Calciums
Die Löslichkeit von Calciumverbindungen unterscheidet sich erheblich. Calciumchlorid und Calciumnitrat sind gut löslich, während Calciumcarbonat, Calciumfluorid und viele Calciumphosphatminerale unter gewöhnlichen Bedingungen schwer löslich sind. Calciumsulfat ist begrenzt löslich; seine Löslichkeit variiert mit der Temperatur und der Zusammensetzung der Lösung. Dies sind allgemeine Vergleiche, keine festen Grenzwerte für reales Prozesswasser.
In natürlichen Gewässern kann Kohlendioxid zur Auflösung von Carbonatmineralen beitragen, sodass Calcium und Hydrogencarbonat in Lösung gelangen. Änderungen von pH-Wert, Temperatur, Druck oder gelöstem Kohlendioxid können dieses Gleichgewicht verschieben und Calciumcarbonat ausfällen. Auch die Aufkonzentrierung eines Wasserstroms kann Calciumsulfat oder andere Minerale der Sättigung näherbringen. In Solen beeinflussen Ionenstärke und Wechselwirkungen zwischen Ionen die maßgeblichen Aktivitäten; Löslichkeitswerte in reinem Wasser allein reichen daher nicht aus, um Ablagerungen vorherzusagen.
Die Calciumhärte wird üblicherweise als Milligramm Calciumcarbonat pro Liter angegeben (mg/L als CaCO3). Dies ist eine äquivalente Angabe der Härte und bedeutet nicht, dass sämtliches gelöstes Calcium als Calciumcarbonat vorliegt. Der Rechner für Ablagerungsbildung und Löslichkeit von Calciumcarbonat und der Rechner für Ablagerungsbildung und Löslichkeit von Calciumsulfat liefern veranschaulichende Vergleiche; sie ersetzen weder eine vollständige Wasseranalyse noch ein validiertes Prozessmodell.
Lösungen zur Abtrennung, Aufreinigung und Aufkonzentrierung
Lenntech kann Aufbereitungswege für Wasser mit Calciumverbindungen bewerten. Das geeignete Verfahren hängt von der Wasserzusammensetzung, der angestrebten Wasserqualität, dem Rückgewinnungsziel, dem Ablagerungspotenzial und dem Umgang mit Reststoffen ab. Die nachstehenden Optionen sind mögliche Ansätze; keine einzelne Technologie eignet sich für jeden Wasserstrom.
| Herausforderung bei der Wasseraufbereitung | Möglicher Verfahrensweg | Hinweise zur Auswahl |
|---|---|---|
| Härte in kommunalem Versorgungswasser, Betriebswasser oder Prozesswasser | Kalkenthärtung oder Ionenaustausch | Bei der Kalkbehandlung kann Calciumcarbonat ausgefällt werden; beim Ionenaustausch im Natriumzyklus werden Calcium und Magnesium gegen Natrium ausgetauscht, wobei eine Regenerationssole entsteht. |
| Calcium und andere gelöste Ionen im Zulaufwasser | Nanofiltration (NF), Umkehrosmose (RO) oder Elektrodialyse mit Polaritätsumkehr (EDR) | NF reduziert häufig bevorzugt zweiwertige Ionen, während RO und EDR unterschiedliche Trenneigenschaften aufweisen. Die Ausbeute wird durch Sättigung, Vorbehandlung, Betriebsbedingungen und den Umgang mit dem Konzentrat begrenzt. |
| Risiko von Ablagerungen aus Calciumcarbonat oder Calciumsulfat | Wasseranalyse und Bewertung des Ablagerungsrisikos, gefolgt – sofern geeignet – von Enthärtung, Anpassung des pH-Werts oder der Alkalinität, Dosierung von Antiscalants oder einer Betriebsstrategie mit geringerer Ausbeute | Die geeignete Gegenmaßnahme hängt von der Mineralphase und der chemischen Zusammensetzung des Wasserstroms ab. Ein Ablagerungsindex allein reicht für eine vollständige Auslegungsbewertung nicht aus. |
| Calciumhaltige Niederschläge oder phosphatreiche Wasserströme | Selektive Fällung mit anschließender Feststoffabtrennung; eine Kristallisation kann geprüft werden, wenn eine Rückgewinnung sinnvoll ist | Fällungschemie, Schlammeigenschaften, Restkonzentrationen und Produktqualität müssen für den jeweiligen Wasserstrom bewertet werden. |
| Konzentrierte Sole oder Restströme | Weitere Aufkonzentrierung mittels Membranverfahren oder Optionen für Zero Liquid Discharge (ZLD) und Kristallisation | Energiebedarf, Kontrolle von Ablagerungen, Werkstoffauswahl sowie Qualität und Handhabung der zurückgewonnenen Feststoffe beeinflussen die Machbarkeit. |
Betriebliche Auswirkungen und Anforderungen
Gelöstes Calcium trägt zur Wasserhärte bei. Je nach Alkalinität, pH-Wert, Temperatur und anderen Ionen kann Calcium zu Ablagerungen in Rohrleitungen, Wärmetauschern, Kesseln und Membransystemen beitragen. Die Wasserhärte kann sich auch auf den Seifenverbrauch und die Anforderungen an Prozesswasser auswirken. Calcium ist ein essenzieller Nährstoff, und Trinkwasser kann zur Aufnahme über die Ernährung beitragen; die geltenden Anforderungen hängen vom jeweiligen Rechtsraum und der vorgesehenen Verwendung ab.
Bei der Bewässerung und der industriellen Wiederverwendung sollte Calcium zusammen mit dem Salzgehalt, Natrium, Magnesium und der vorgesehenen Anwendung betrachtet werden. In Aufbereitungssystemen kann die Entfernung von Calcium Maßnahmen zur Korrosionskontrolle und Stabilisierung sowie die Handhabung von Konzentrat oder Schlamm und die Auswirkungen der Behandlung auf andere Wasserqualitätsparameter erfordern.
Entwicklung einer Aufbereitungslösung
Eine repräsentative Wasseranalyse hilft dabei, Calciumspezies, Ablagerungsrisiken und geeignete Aufbereitungsverfahren zu ermitteln. Gegebenenfalls können Laborversuche und eine Validierung im Pilotmaßstab die Leistung unter repräsentativen Betriebsbedingungen bewerten, bevor eine Anlage im technischen Maßstab ausgelegt wird. Lenntechs Bewertung der Prozessmachbarkeit beschreibt diesen Bewertungsansatz.
Besprechen Sie eine Herausforderung bei der Wasseraufbereitung
Wenn Sie die Zusammensetzung eines bestimmten Wassers oder einer Sole besprechen möchten, kontaktieren Sie Lenntech unter info@lenntech.com.
Quellen und weiterführende Literatur
- U.S. Geological Survey: Wasserhärte.
- U.S. Geological Survey: Inhaltsstoffe und Eigenschaften des Grundwassers.
- U.S. Geological Survey: Löslichkeiten von Calcit, Aragonit und Vaterit in CO₂–H₂O-Lösungen.
- PubChem: Calciumchlorid.
- PubChem: Calciumsulfat.
- Weltgesundheitsorganisation: Härte im Trinkwasser.