Silikate im Wasser (SIO2)
Als Kieselsäuren werden die Sauerstoffsäuren des Siliciums (SiO2 – in Wasser) bezeichnet.
Orthokieselsäure ist eine sehr schwache Säure. Sie entsteht durch Zersetzung von Siliciumtetrahalogeniden mit Wasser. Weitere Wasserabspaltungen führen zur Orthodikieselsäure und zur Metakieselsäure. Wird auch das letzte Wasser entfernt, entsteht das Kieselsäureanhydrid SiO2.
Aufgrund seiner hohen chemischen Stabilität wird Siliciumdioxid in vielfältigsten Bereichen eingesetzt. Der bekannteste Verwendungszweck stellt hierbei die Herstellung von Glas dar, in welchem Siliciumdioxid den Hauptbestandteil darstellt. Weitere Einsatzbereiche sind bspw. die Verwendung als Füllstoff für Kunststoffe, Dichtmassen und Autoreifen oder als Trennmittel in Gewürzen oder Gewürzmischungen. Als Lebensmittelzusatzstoff trägt Kieselsäureanhydrid die Bezeichnung E 551.
In der Natur kommen Stützgerüste aus Kieselsäureanhydrid in pflanzlichen und tierischen Lebewesen vor, etwa bei den im Meer weit verbreiteten Kieselalgen (Diatomeen) und Strahlentierchen (Radiolarien) und Glasschwämmen (Hexactinellida) sowie beim Schachtelhalm. Die Kieselsäureanhydrid-Skelette abgestorbener Kieselalgen und Strahlentierchen sinken auf den Meeresgrund, reichern sich dort an und bilden Ablagerungen aus Kieselgur (Diatomeenerde) bzw. Radiolarienschlamm. Ablagerungen aus dem Miozän enthalten 70–90 % SiO2, 3–12 % Wasser und Spuren von Metalloxiden.
Kieselsäure kommt auch im Grundwasser vor. Das Regen- oder Sickerwasser, das durch die Bodenschichten nach unten rinnt und Kohlensäure enthält, nimmt aus den Silikaten der Bodenminerale Kieselsäure auf. Daher enthält Trinkwasser auch geringe Mengen an Kieselsäure.
Gemeinsam mit Phosphaten (wie z.B. Polyphosphaten) wird auch Silikat in der Trinkwasseraufbereitung eingesetzt, um Rohrwasserleitungen vor Korrosion und Kalkablagerung zu schützen. Es ist deshalb nicht ungewöhnlich, dass man im Leitungswasser erhöhte Silikat-Werte beim Messen per Tröpfchentest oder im Rahmen der Laboranalytik vorfindet.
Anzumerken ist in diesem Zusammenhang, dass seitens der Wasserversorger häufig keine Werte für den SiO2 Gehalt in der zugänglichen Dokumentation zur Trinkwasserqualität im Einzugsgebiet angegeben werden. Um so wichtiger ist die Kenntnis hierüber bei der Planung und Auslegung von Wasseraufbereitungsanlagen und deren Überwachung. Ist Silikat im Wasser zum Schutz der Rohrleitungen erwünscht, kann dieses gleichzeitig, bei einer unzureichenden Aufbereitung des Wassers für Produktionsprozesse zu Problemen führen.
Einen solchen Prozess stellt beispielsweise die Dampferzeugung für Turbinen im Kraftwerksbereich dar. Unter den zahlreichen Verunreinigungen im Dampf-Wasser-Kreislauf spielt Kieselsäure eine besondere Rolle, da sie eine hohe Löslichkeit im Wasserdampf aufweist.
In Turbinen ergeben sich Bereiche, in denen sich Salze und SiO2 druckabhängig ablagern können. Dieses Gemisch kann sich auf den Turbinenschaufeln sowie Leitorganen ablagern und eine fest haftende Schicht bilden. Diese Schicht stört die strömungstechnisch optimierte Geometrie der Turbinenschaufeln und führt zu einem geringeren Wirkungsgrad.
Die Wasseraufbereitungsanlagen von Dampfkraftwerken dienen dazu, die Wässer der verschiedenen Systeme so zu behandeln, dass Korrosionen und Ablagerungen begrenzt und Abwässer aufbereitet werden. Die wichtigsten Wasseraufbereitungsanlagen von Dampfkraftwerken sind:
- Wasser-Dampf-Kreislauf-Konditionierung
- Zusatzwasseraufbereitungsanlage mit Deionaterzeugung
- Kondensatreinigungsanlage
- Kühlwasseraufbereitungsanlage
- Einlaufbauwerk mit Rechen und Siebmaschiene
- Abwasseraufbereitungsanlagen
Unabhängig von der Trinkwasserqualität muss das Prozesswasser zur Aufrechterhaltung einer effizienten und zuverlässigen Produktion weiter aufbereitet werden. Die genauen Anforderungen an die Zusammensetzung von Prozesswasser fallen je nach Einsatzgebiet, Kunde und Branche sehr unterschiedlich aus.
Das Prozesswasser wird in der Regel aus der kommunalen Wasserversorgung, aus Brunnen– oder Oberflächenwasser oder aus einer Kombination dieser Wasserquellen gewonnen. Hier ist immer eine auf die Wasserqualität abgestimmte Voraufbereitung erforderlich. Kreislaufwasser muss filtriertund das Nachspeisewasser bedarfsabhängig von Feststoffen befreit und im nächsten Schritt enthärtet werden.
Es ist auch möglich, statt der Enthärtung, welche zu den Ionenaustauscherverfahren gehört, Membranverfahren wie bspw. die Nanofiltration in den ersten Aufbereitungsstufen einzusetzen. Im weiteren Verlauf der Prozesswasseraufbereitung erfolgt eine Reduzierung aller im Wasser gelösten Inhaltsstoffe (insbesondere Salze). Hierfür hat sich das Verfahren der Umkehrosmose etabliert. Umkehrosmoseanlagen werden heutzutage in vielen Bereichen eingesetzt, bei denen Wässer mit niedrigem Salzgehalt und somit einer geringen Leitfähigkeit von Bedeutung sind. Hierbei ist zu beachten, dass die Rückhalterate für gelöste Stoffe in diesem Verfahren bei 95 – 98% liegt. Je nach Reinheitsanforderung des zu nutzenden Wassers kann es erforderlich sein, eine zweistufige Umkehrosomose einzusetzen oder aber auch eine Kombination aus zwei Stufen und Rückführung des Konzentrats der Umkehrosmose. Bei sehr hohen Anforderungen an die Reinheit des Wassers kommen weitere Verfahren wie zum Beispiel die Elektro-Deionisation sowie Mischbettfilter zur Anwendung.
Einen wichtigen Prozess bei dem Silikate im Prozesswasser unerwünscht sind, stellt die Reinigung, Desinfektion sowie nachgeschaltete Sterilisation von Medzinprodukten dar. Hier gilt es insbesondere zum Schutz des zu behandelnden Instrumentariums/ Medizinproduktes sowie der hier zum Einsatz kommenden Gerätetechnik Silikate (SiO2) weitestgehend aus dem Wasser zu eliminieren. Der aktuell empfohlene Grenzwert liegt hier bei < 0,4 mg/l SiO2 und geht einher mit einer Leitfähigkeit des aufbereiteten Wassers von < 1µS. Erfahren Sie hierzu mehr in unserem Bereich Sterilgutaufbereitung – Sicherheit in der AEMP und Projekt in einer Augenklinik im Großraum Hannover.
Anwendungslösungen:
Die Dampferzeugung stellt in vielen industriellen Bereichen ein wesentliches Element in der Produktions- und Wertschöpfungskette dar. Typische Einsatzbereiche sind Kraftwerke, die Lebensmittelherstellung sowie Herstellung pharmazeutischer Produkte, Wäschereien, die Holzwirtschaft sowie Chemiebetriebe.
Je nach vorgeschaltetem Kessel werden zwei unterschiedliche Arten von Ablagerungen betrachtet. Bei Naturumlaufdampferzeuger treten vor allem Kieselsäure und Kesselwasser-Inhaltsstoffe auf. Bei Durchlaufdampferzeugern überwiegen die Eisenverbindungen wie beispielsweise FeO, Fe2O3, Fe3O4.
Ein weiterer wichtiger Prozess, bei dem Silikat in diesem Zusammenhang eine wichtige Rolle spielt, ist die Abschlämmung. Ziel des Abschlämmungsprozesses ist das Ablassen verunreinigten Wassers aus dem Dampfkessel, wodurch auch eine Reihe an Verunreinigungen wie Fällschlamm und gelöste Feststoffe entfernt werden. Zur geeigneten Steuerung der Abschlämmung ist eine kontinuierliche Überwachung von Steuerparametern wie dem Kieselsäuregehalt erforderlich, um die Effektivität der Wasserchemie im Dampfkessel beurteilen zu können. Zudem werden dadurch hohe Schwankungen bei der Kesselchemie vermieden. Die SiO2 -Konzentration kann zum Teil auf bis zu mehrere tausend ppb ansteigen.
Der wichtigste Messort für Kieselsäure ist das Kesselspeisewassersystem. Richtlinien des internationalen Fachverbands für die Strom- und Wärmeerzeugung VGB sehen eine normale und zwei Alarmstufen für die Konzentration vor:
Normalbetrieb < 20 ppb – Die Überwachung der Chemie im Dampf Wasser-Kreislauf sollte um Komponenten der Analysemesstechnik erweitert werden, um Optimierungspotenzial zu ermitteln.
20 ppb < 50 ppb – Es sollten geeignete Maßnahmen ergriffen werden, um die Ursache innerhalb einer Woche zu ermitteln und zu beheben. Zudem werden weitere Maßnahmen empfohlen, um eine mögliche Beschädigung der Anlage auf ein Minimum zu begrenzen.
X > 50 ppb – Es sollten geeignete Maßnahmen ergriffen werden, um die Ursache innerhalb eines Tages zu ermitteln und zu beheben. Zudem werden weitere Maßnahmen empfohlen, um eine mögliche Beschädigung der Anlage auf ein Minimum zu begrenzen.
Ob durch gezielte Einbringung zum Rohrleitungsschutz oder natürliches Vorhandensein aufgrund der genutzten Wasserquellen, Silikate haben eine große Bedeutung im Umfeld der Wasseraufbereitung und hiermit einhergehenden Nutzung für industrielle Zwecke. Ein kontinuierliches Monitoring (Silikat-Überwachung bzw. Silikat Messung) dient dem Schutz der zum Einsatz kommenden Aufbereitungskomponenten, der zum Einsatz kommenden technischen Bauteile sowie der Überwachung hinsichtlich der Eignung des aufbereiteten Wasser für die weiterführende Nutzung im industriellen Umfeld.
