Häufige kohlenstoffhaltige Salze in wässrigen Lösungen und ihre Behandlung
Kohlenstoffhaltige Verbindungen kommen häufig in Wasser vor, doch ihre Form hängt vom pH-Wert und den anderen gelösten Ionen ab. Lösliche Carbonat- und Hydrogencarbonatsalze dissoziieren in Wasser zu Ionen; schwer lösliche Carbonate können als Mineralien oder ausgefällte Ablagerungen statt als gelöste Salzmoleküle vorliegen.
Wichtige Unterscheidung: „Kohlenstoff im Wasser“ kann sich auf anorganischen Kohlenstoff (CO2, Hydrogencarbonat und Carbonat) oder auf organischen Kohlenstoff (etwa DOC und TOC) beziehen. Diese Seite behandelt häufige Carbonat- und Hydrogencarbonatverbindungen; sie deckt nicht das gesamte Spektrum organischen Kohlenstoffs im Wasser ab.
Häufige kohlenstoffhaltige Salze und Verbindungen in wässrigen Systemen
| Carbonat- oder Hydrogencarbonatverbindung | Formel | Typische Anwendung / Branche / Verwendung | Typische wässrige Ströme, in denen die Verbindung vorkommt |
|---|---|---|---|
| Calciumcarbonat (Calcit, Aragonit, Kalkstein) | CaCO3 | Bauwesen und Mineralaufbereitung; Kalkenthärtung und Neutralisation; häufiges Mineral in Kalkablagerungen. | Grund- und Prozesswasser in Kontakt mit Carbonatgestein; Schlamm aus der Enthärtung, Wasser aus der Mineralaufbereitung und Carbonatablagerungen. |
| Calciumhydrogencarbonat (Calcium und Hydrogencarbonat in wässriger Lösung) | Ca2+ + 2HCO3− (oft geschrieben als Ca(HCO3)2) | Eine praktische Darstellung der Carbonathärte in der Chemie natürlicher Gewässer; normalerweise kein isoliertes stabiles Salz, das als trockenes Produkt gehandhabt wird. | Grund- und Oberflächenwasser, in dem CO2-haltiges Wasser Kalkstein oder andere Carbonatminerale gelöst hat. |
| Magnesiumcarbonat (Magnesit und verwandte Phasen) | MgCO3 | Mineralaufbereitung, feuerfeste Werkstoffe und Herstellung von Spezialchemikalien. | Wasser in Kontakt mit Carbonatmineralen und Ströme aus der Mineralaufbereitung; gelöstes Magnesium wird häufig von Hydrogencarbonat begleitet, während das Auftreten fester Magnesiumcarbonatphasen von den Bedingungen abhängt. |
| Natriumhydrogencarbonat | NaHCO3 | Lebensmittel- und Chemikalienherstellung, Pufferung und ausgewählte Anwendungen in der Wasseraufbereitung. | Natürliche Gewässer mit Hydrogencarbonatalkalinität, Dosier- und Spülströme sowie konzentrierte Prozesswässer. |
| Natriumcarbonat (Soda) | Na2CO3 | Glas- und Waschmittelherstellung, pH-Wert-Einstellung und Wasserenthärtung. | Prozesslösungen und Abwasser aus Anwendungen mit Soda; Konzentrate und Reinigungsströme. |
| Kaliumhydrogencarbonat und Kaliumcarbonat | KHCO3, K2CO3 | Anwendungen in der Lebensmittel- und Düngemittelindustrie, bei Spezialchemikalien und zur pH-Wert-Regelung. | Entsprechende Prozess- und Waschwässer, in denen diese Chemikalien verwendet werden; die Konzentrationen hängen von der Dosierung und der anschließenden Verdünnung oder Rückgewinnung ab. |
| Ammoniumhydrogencarbonat und Ammoniumcarbonat | NH4HCO3, (NH4)2CO3 | Lebensmittel-, Düngemittel- und chemische Prozesse. | Prozesswässer und Abwasser im Zusammenhang mit der Verwendung von Ammoniumsalzen; die Speziierung von Ammoniak/Ammonium und Carbonat ändert sich mit dem pH-Wert und der Temperatur. |
| Eisen(II)-carbonat (Siderit) | FeCO3 | Eisenhaltige Mineralvorkommen und geochemische Systeme; kann in reduzierenden Umgebungen Ablagerungen bilden. | Einige Grundwässer unter reduzierenden Bedingungen sowie Gruben- oder Prozesswässer, in denen gelöstes Eisen und die Carbonatchemie eine Ausfällung ermöglichen. |
Löslichkeit und Speziierung hängen von der Wasserchemie ab
Lösliche Salze wie Natriumhydrogencarbonat dissoziieren in Wasser in Ionen. Die Bezeichnungen „Calciumhydrogencarbonat“ und „Magnesiumhydrogencarbonat“ beschreiben üblicherweise Kombinationen von Metallionen und Hydrogencarbonat in wässriger Lösung; sie dürfen nicht mit stabilen, undissoziierten Molekülen in einer verdünnten Lösung verwechselt werden. Carbonatminerale wie Calcit und Siderit sind nur begrenzt löslich; ihre Bildung hängt vom pH-Wert, der Temperatur, dem Druck, der Ionenstärke und den Konzentrationen der betreffenden Ionen ab.
Mit Änderungen des pH-Werts verschiebt sich das Gleichgewicht zwischen gelöstem CO2, Hydrogencarbonat und Carbonat. Calcium- oder Magnesiumcarbonat kann ausfallen, wenn das Wasser übersättigt wird. In konzentrierten Salzlösungen unterscheiden sich die Aktivitäten und Wechselwirkungen zwischen Ionen von den Bedingungen in verdünntem reinem Wasser. Daher können einfache Löslichkeitstabellen allein weder Ausfällungen noch die Bildung von Ablagerungen in einer betriebenen Anlage vorhersagen.
Mögliche Behandlungsverfahren
Das geeignete Verfahren hängt davon ab, ob gelöste Ionen entfernt, Alkalinität oder Ablagerungsbildung kontrolliert, organischer Kohlenstoff reduziert oder ein Konzentrat zurückgewonnen und gehandhabt werden soll. Die nachstehenden Verfahren sind Beispiele zur Prüfung, keine allgemeingültigen Empfehlungen.
| Ziel der Wasseraufbereitung | Mögliche Technologien | Wichtige Auswahlkriterien |
|---|---|---|
| Härte verringern oder die Ausfällung von Calciumcarbonat kontrollieren | Kalkenthärtung, pH-Wert-/Alkalinitätseinstellung, Fällung und Feststoffabtrennung | Härte, Alkalinität, pH-Wert, Temperatur, Schlammbehandlung und angestrebte Restkonzentration. |
| Gelöste Carbonat-/Hydrogencarbonat-Ionen und den gesamten Gehalt an gelösten Salzen verringern | Umkehrosmose (RO), Nanofiltration (NF) oder Elektrodialyse (ED/EDR) | Die Membrantrennung hängt von den vorliegenden Stoffformen, der Zusammensetzung des Zulaufwassers, der Vorbehandlung, der Ausbeute und dem Konzentratmanagement ab. Die Trennleistung der Nanofiltration (NF) unterscheidet sich je nach Ion und Membran; sie ist anhand des angestrebten Behandlungsziels zu prüfen. |
| Freies gelöstes Kohlendioxid kontrollieren | Belüftung oder Entgasung, gegebenenfalls in Kombination mit einer pH-Wert-Anpassung oder einer nachgeschalteten Behandlung | Gasübertragung, Alkalinität, pH-Wert, Temperatur und erforderliche Qualität des aufbereiteten Wassers. |
| Ausgewählte organische Verbindungen oder biologisch abbaubare organische Stoffe reduzieren | Biologische Behandlung oder Adsorption an Aktivkohle | Aktivkohle zielt auf adsorbierbare organische Verbindungen ab, nicht auf Hydrogencarbonat- oder Carbonat-Ionen; die Wirksamkeit hängt von den Zielstoffen und konkurrierenden Stoffen ab. |
| Einen carbonathaltigen Reststoff aufkonzentrieren oder anderweitig handhaben | Membranbasierte Aufkonzentrierung, Fällung/Kristallisation und, sofern gerechtfertigt, Zero Liquid Discharge (ZLD; Null-Flüssigkeits-Austrag) | Kontrolle von Ablagerungen, Energieverbrauch, Salzreinheit, Umgang mit Reststoffen und die gesamte Wasserbilanz. |
Weitere Hintergrundinformationen: Kohlenstoff im Wasser, Alkalinität und Wasser, Carbonat und Hydrogencarbonat im Bewässerungswasser sowie Adsorption an Aktivkohle.
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