Steinbildung und deren Vermeidung

In der Natur stellt Wass­er ein her­vor­ra­gen­des Lösungs- und Trans­port­mit­tel dar. Ver­sick­ert Regen­wass­er im Boden und trifft dabei auf kalkhaltiges Gestein, gelan­gen här­te­bildende Wasser­in­haltsstoffe wie Cal­ci­um und Mag­ne­sium auf ganz natür­lichem Wege ins Trinkwass­er. In der Trinkwass­er-Instal­la­tion von Gebäu­den bildet sich daraus Kalk beziehungsweise Kalk­stein – mal mehr, mal weniger. Um daraus fol­gende Schä­den zu ver­mei­den, müssen Anla­gen­pla­nung und Anla­ge­naus­führung wichtige Fra­gen berück­sichti­gen. Dazu gehören, neben der Pla­nung und Aus­führung der Trinkwass­er-Instal­la­tion, die Betra­ch­tung der örtlich vor­liegen­den Trinkwasserbeschaf­fen­heit sowie die Berück­sich­ti­gung der zu erwartenden Betrieb­s­be­din­gun­gen und Tem­per­aturverän­derun­gen. Zum The­ma Stein­bil­dung und deren Ver­mei­dung wurde vom DVGW die Infor­ma­tion Wass­er Nr. 112 entwick­elt. Dr. Christi­na Höck­n­er, Abteilungslei­t­erin Tech­nis­ches Labor bei Grün­beck, beschreibt in diesem Fach­beitrag die tech­nisch wis­senschaftlichen Hintergründe.

Wass­er nimmt im natür­lichen Kreis­lauf ver­schieden­ste Inhaltsstoffe auf. Durch das Lösen von Cal­ci­um­car­bon­at (CaCO3, auch Kalk genan­nt) beziehungsweise Dolomit (Mis­chcar­bon­at aus Cal­ci­um und Mag­ne­sium) kommt es zur Anre­icherung von im Wass­er gelösten Hydro­gen­car­bon­at­en (HCO3-). Die natür­lichen Wasser­in­haltsstoffe Cal­ci­um, Hydro­gen­car­bon­at und Kohlen­stoff­diox­id liegen dabei in einem sen­si­blen Lösungs­gle­ichgewicht vor, auch Kalk-Kohlen­säure-Gle­ichgewicht genan­nt. Dieses ist stark tem­per­at­urab­hängig und beschreibt die Nei­gung eines Wassers zur Kalk­a­b­schei­dung und damit zur Steinbildung.

Mit steigen­der Tem­per­atur, zum Beispiel durch das Erwär­men von Trinkwass­er, nimmt die Bil­dung kristalliner Ablagerun­gen auf­grund der im Wass­er gelösten Cal­ci­um- und Hydro­gen­car­bon­at-Ionen sig­nifikant zu. In Folge dieser Stein­bil­dung kön­nen inner­halb der Trinkwass­er-Instal­la­tion unter­schiedliche Funk­tion­sstörun­gen und Schä­den entste­hen, da sich die kristalli­nen, wasserun­lös­lichen Beläge zum Beispiel auf Wärmeüber­tra­gungs­flächen absetzen.

Mit zunehmender Stein­bil­dung kommt es in Trinkwasser­erwär­mungsan­la­gen nach­weis­lich zur Behin­derung der Wärmeüber­tra­gung. Dies kann ins­beson­dere an den Wärmeüberträger­flächen zu uner­wün­scht­en Tem­per­a­tur­erhöhun­gen führen, mit unter­schiedlichen Fol­gen, die von der Bauart der Trinkwasser­erwärmer (Funk­tion­sart und Beheizung) abhän­gen. So kann etwa die Wärmeleis­tung abnehmen oder gar die gewün­schte Aus­trittstem­per­atur und/oder der Ausle­gungsvol­u­men­strom unter­schrit­ten wer­den. In Ver­sorgungs­ge­bi­eten mit sehr hartem Trinkwass­er ist ein regel­recht­es Zuset­zen von Leitun­gen und Rohren durch Stein­bil­dung möglich. In der Folge führt das zu ein­er Erhöhung des Strö­mungswider­standes und zu Druck­ver­lust im Sys­tem, ver­bun­den mit ein­er Ver­schlechterung des hydraulis­chen Abgle­ichs. Eben­so erhöht sich die Ver­lustleis­tung der Zirku­la­tion­spumpe auf­grund von ablagerungs­be­d­ingt rauen Innen­wän­den der Rohrleitun­gen. Auch der Energie­ver­brauch steigt deut­lich, was ger­ade auf­grund der aktuell wichti­gen Bemühun­gen zur Energieeinsparung beachtet wer­den sollte. Bere­its bei ein­er Kalkschicht von einem Mil­lime­ter auf Wärmeüber­tra­gungs­flächen wird zehn Prozent mehr Energie benötigt. Aus ener­getis­chen Gesicht­spunk­ten ist ein ver­lus­tarmer Wärmeüber­gang daher unbe­d­ingt anzuraten.

Neben Maß­nah­men wie fachgerechte Anla­gen­pla­nung und Instal­la­tion sowie bes­tim­mungs­gemäßem Betrieb und Instand­hal­tung der Trinkwass­er-Instal­la­tion nach DIN EN 806, DIN 1988 und DIN EN 1717, wird auch der örtlichen Trinkwasserbeschaf­fen­heit und den langjähri­gen Betrieb­ser­fahrun­gen mit eben jen­er Trinkwasserzusam­menset­zung ein hoher Stel­len­wert eingeräumt. Ist eine kri­tis­che Stein­bil­dung zu erwarten, rat­en Experten expliz­it zu ein­er dezen­tralen Behand­lung des Trinkwassers, um Bauteile, Appa­rate und Geräte vor einem Funk­tionsver­lust zu schützen.

Denn Stein­bil­dung kann sich direkt neg­a­tiv auf die Nutzungs­dauer der Trinkwass­er-Instal­la­tion und der angeschlosse­nen Haushalts­geräte auswirken. Daher wird eine Wasser­be­hand­lung nicht nur für das Warmwass­er, son­dern auch das Kalt­wass­er emp­fohlen. Wer­den entsprechende Maß­nah­men an zen­traler Stelle der Trinkwass­er-Instal­la­tion real­isiert, so liegt der entschei­dende Vorteil in der gle­ichzeit­ig durchge­führten Behand­lung sowohl für kaltes als auch erwärmtes Trinkwass­er. Wie beschrieben, neigt Warmwass­er zwar stärk­er zur Stein­bil­dung als Kalt­wass­er, bei tech­nis­chen Anwen­dun­gen wird in der Regel das Kalt­wass­er jedoch erst im Gerät erwärmt (zum Beispiel Wasch- und Spül­mas­chine, Wasserkocher, Dampf­gar­er) und erfordert deshalb eben­falls Schutz vor Stein­bil­dung. Weit­er­hin wer­den die in Waschmit­teln enthal­te­nen waschak­tiv­en Sub­stanzen (Ten­side) durch die Här­te­bild­ner Cal­ci­um und Mag­ne­sium gebun­den. Deshalb wird während des Waschvor­gangs umso mehr Waschmit­tel benötigt, je mehr Cal­ci­um- und Mag­ne­siu­mio­nen im Wass­er vorhan­den sind. Dies führt zu ein­er unnöti­gen Über­dosierung an Wasch- und Reini­gungsmit­teln mit neg­a­tiv­er Auswirkung auf die Umwelt.

Neben gängi­gen Pla­nung­sprämis­sen soll­ten Wasser­be­hand­lungs­maß­nah­men zur Ver­min­derung von schädlichen Ablagerun­gen auch in Betra­cht gezo­gen wer­den, wenn diese durch spezielle Her­steller­vor­gaben (zum Beispiel San­itärar­ma­turen, Haushalts­geräte etc.) oder vom Ver­brauch­er oder Betreiber der Trinkwass­er-Instal­la­tion als erforder­lich erachtet werden.

Ver­mei­dung schädlich­er Steinbildung 

Die Behand­lung von Trinkwass­er zur Ver­mei­dung schädlich­er Stein­bil­dung kann nach DIN 1988-200 entwed­er mit­tels Wasser­en­thär­tung durch Ione­naus­tausch, mit­tels Dosierung härtesta­bil­isieren­der Min­er­al­stof­flö­sun­gen oder mit­tels Kalkschutzgeräten erfolgen.

Bei der Enthär­tung von Trinkwass­er mit­tels Katio­ne­naus­tausch wer­den die im Trinkwass­er enthal­te­nen här­te­bilden­den Cal­ci­um- und Mag­ne­siu­mio­nen gegen Natri­u­mio­nen aus­ge­tauscht. Dieser Aus­tausch­prozess find­et so lange statt, bis das Katio­ne­naus­tauscher­harz erschöpft ist und keine Natri­u­mio­nen mehr zur Ver­fü­gung ste­hen. Zur Regen­er­a­tion des Harzes, lässt sich der Vor­gang ein­fach umkehren: Mit­tels Sole wird dem Aus­tausch­er eine hohe Konzen­tra­tion an Natri­u­mio­nen zuge­führt. Durch die damit erzwun­gene Überzahl an Natri­u­mio­nen wer­den die Cal­ci­um- und Mag­ne­siu­mio­nen ver­drängt. Der Aus­gangszu­s­tand ist wieder hergestellt und das Katio­ne­naus­tauscher­harz ist regener­iert, also erneut betriebsbereit.

Andere Wasser­in­haltsstoffe wie Sulfat‑, Nitrat- oder Chlo­rid­io­nen sowie Para­me­ter wie pH-Wert, Leit­fähigkeit oder TOC (total organ­ic car­bon) wer­den ver­fahrens­be­d­ingt durch eine Enthär­tungsan­lage nach dem Katio­ne­naus­tausch­prinzip nicht bee­in­flusst. Der Grund: Die Enthär­tung des Trinkwassers erfol­gt hier­bei mit­tels eines speziellen mit Natri­u­mio­nen belade­nen Harzes. Es han­delt sich dabei um ein soge­nan­ntes stark saures Katio­ne­naus­tauscher­harz in der Natri­um­form (SAC-Na). Damit wer­den lediglich Natri­u­mio­nen ins Trinkwass­er abgegeben und gegen Cal­ci­um und Mag­ne­siu­mio­nen aus­ge­tauscht. Es kommt also zu kein­er Verän­derung des pH-Wertes im Trinkwasser.

Anders sieht es bei schwach sauren Katio­ne­naus­tauscher­harzen in der H+-Form (WAC‑H) aus, wie sie in der zen­tralen Wasser­auf­bere­itung zum Ein­satz kom­men. Hier wer­den bei der Wasser­be­hand­lung Wasser­stof­fio­nen (H+-Ionen) ins Wass­er abgegeben. Diese reagieren mit den im Wass­er vorhan­de­nen Hydro­gen­car­bon­at-Ionen zu Kohlen­säure, welche sofort zu Kohlen­diox­id und Wass­er zer­fällt: HCO3- + H+- CO2 + H2O. Dies führt zu ein­er mas­siv­en Änderung des pH-Wertes. Diese Art von Katio­ne­naus­tauscher­harzen find­en jedoch in nach DIN EN 14743 bzw. DIN 19636–100 beschriebe­nen Enthär­tungsan­la­gen für die Gebäude­in­stal­la­tion (dezen­tral) keine Anwendung.

Neben der Abschei­dung von Kalk als Cal­ci­um­car­bon­at kön­nen auch andere Ablagerun­gen aus den im Wass­er enthal­te­nen Ionen entste­hen, wie zum Beispiel Cal­ci­um­sul­fat. Im Gegen­satz zu Cal­ci­um­car­bon­at sind Ablagerun­gen von Cal­ci­um­sul­fat, wie sie zum Beispiel bei der Vol­lver­dun­stung an Ober­flächen entste­hen (Bad­fließen, Arma­turen, Spülkästen…), mit Säuren oder säure­halti­gen Reini­gungsmit­teln kaum zu ent­fer­nen. Auch hier bietet sich eine Wasser­be­hand­lung nach dem Katio­ne­naus­tauschver­fahren an. Die nach der Behand­lung entste­hen­den Ablagerun­gen beste­hen nun nicht mehr aus Cal­ci­um- son­dern aus Natri­um­salzen. Ablagerun­gen aus Natri­umhy­dro­gen­car­bon­at oder Natri­um­sul­fat auf Ober­flächen lassen sich leicht ent­fer­nen, da sie sehr gut wasser­lös­lich sind. Die Lös­lichkeit von Natri­umhy­dro­gen­car­bon­at ist ca. 10.000-fach größer als diejenige von Cal­ci­um­car­bon­at. Die von Natri­um­sul­fat ist immer noch um das 100-Fache größer als diejenige von Calciumsulfat.