gwf Wasser/Abwasser Memo Sens (Vorschau)

Wasserversorgung
Fachberichte
ten Ver suche beschrieben und die erzielten Ergebnisse
dargestellt und diskutiert.
Bevor jedoch auf die Versuche zum Membran-Scaling
eingegangen wird, wird zunächst eine kurze Übersicht
über die hier relevanten Eigenschaften der Kieselsäure
gegeben.
2. Kieselsäure in natürlichen Wässern
Kieselsäure kommt in natürlichen Wässern in einer
Vielzahl von unterschiedlichen Formen vor. In Anlehnung
an [6] wird hier eine Zusammenstellung (siehe
Tabelle 1) gezeigt.
In geringen Konzentrationen (unterhalb von rund
120 mg/L) liegt Kieselsäure in natürlichen Wässern in
gelöster Form überwiegend als Monokieselsäure vor.
Bei höheren Konzentrationen neigt die Kieselsäure
jedoch zur Polymerisation unter Bildung amorpher
Strukturen, die aus einer Vielzahl verschiedener linearer,
zyklischer und polyzyklischer Verbindungen unterschiedlicher
Molmassen bestehen und die zur
Ve rblockung der Membranen führen können. Die
genaue Zusammensetzung dieser Polykieselsäuren ist
jedoch praktisch nicht zu ermitteln.
In Bild 1 sind einige der niedrigen Oligomere für
Kieselsäure dargestellt [1]. Man erkennt sowohl lineare
als auch zyklische Strukturen, die zunächst zweidimensional,
bei steigender Anzahl an Si-Atomen aber auch
dreidimensional sind.
Sjöberg [1] berichtet, dass zunächst hauptsächlich
lineare und zyklische Trimere sowie Tetramere gebildet
werden. Sobald diese Oligomere drei oder vier lineare
Einheiten gebildet haben, nehmen sie eine zyklische
Form mit internen Vernetzungen an. Die Polymerisation
erfolgt im Inneren des Moleküls, sodass sich ein Maximum
an Siloxan-Bindungen (Si-O-Si) bildet und ein
Minimum an unkondensierten SiOH-Gruppen entsteht,
die an der Außenseite angeordnet sind [9, Seite 175].
Die gebildete Polykieselsäure ist dabei nach außen hin
negativ geladen.
Um das sehr komplexe chemische Verhalten der
Kieselsäure in wässerigen Lösungen im Hinblick auf
das Membran-Scaling zu untersuchen, ist es notwendig,
die üblicherweise bei solchen Anwendungen vorliegenden
Randbedingungen wie pH-Wert, Temperatur
und die chemische Zusammensetzung des
Wassers ausreichend zu berücksichtigen. Die wichtigsten
chemischen Gleichgewichte der Kieselsäure
beschreibt Iler [9], wobei von wesentlicher Bedeutung
für das Membran-Scaling die Polymerisation der
Kieselsäure ist, die im Allgemeinen bei Kieselsäure-
Konzen trationen oberhalb von etwa 120 mg/L
einsetzt. Laut Gill [10] und Iler [9] folgt die Reaktion
einem ionischen Mechanismus, wobei die Reaktion
durch die nach stehende Dimerisation, bei der
ionisierte Kieselsäure mit dem nicht ionisierten
Monomer reagiert, gestartet wird [5].
Tabelle 1. Nomenklatur der Kieselsäure.
Bezeichnung
Charakteristik
Kieselsäure Jede kristalline oder amorphe Form von SiO 2
Kristalline Kieselsäure Quartz, Tridymit oder Cristobalit
Amorphe Kieselsäure Generelle Bezeichnung für feste Kieselsäure ohne
eine Kristallstruktur
Gelöste Kieselsäure Kieselsäure-Verbindungen unterhalb einer Größe
von 1 nm [9, Seite 174]
Monokieselsäure Si(OH) 4 , Orthokieselsäure
Oligomere Kieselsäure Kieselsäure mit wenigen Si-Atomen pro Molekül
(siehe Bild 1)
Reaktive Kieselsäure Kieselsäure (Monomer und niedrige Oligomere),
die mit dem Molybdat-Test [7] nachgewiesen
werden können
Polymere Kieselsäure Kieselsäure, die mehr 10 und mehr Si-Atome pro
Molekül enthält [8]
Kolloidale Kieselsäure Hochpolymere Kieselsäure mit einer Größe oberhalb
von ca. 1 bis 5 nm
Filtrierbare Kieselsäure Polymere Kieselsäure, die mittels 0,45 µm Filter
abfiltrierbar ist
Partikuläre Kieselsäure Kieselsäurepartikel größer als Kolloide, z. B. Sand
SiO(OH) 3
– + Si(OH) 4 = (OH) 3 SiOSi(OH) 3 + OH –
(Dimerisation)
Jedoch beginnt die Polymerisation nicht unmittelbar
bei Erreichen der Sättigungsgrenze an monomerer Kieselsäure,
sondern das Monomer ist auch bei einer
gewissen Übersättigung relativ stabil. Aber sobald die
Polymerisation nach der sogenannten Induktionszeit
(Induction time) einmal begonnen hat, verläuft die
Reaktion relativ schnell. Dabei reagiert das Monomer
schneller mit Dimeren und höheren Oligomeren als mit
anderen Monomeren.
Spezies Struktur Spezies Struktur Spezies Struktur
Monomer
zyklisches
Trimer
monosubst.
zykl.
Trimer
bizyklisches
Tetramer
Dimer
lineares
Tetramer
zykl. gebrücktes
Tetramer
primat.
Tetramer
lineares
Trimer
zyklisches
Tetramer
monosubst.
zykl.
Tetramer
kubisches
Oktamer
Bild 1. Strukturen von Kieselsäure-Oligomeren.
Anmerkung: Die Si-Atome sind durch einen Punkt gekennzeichnet,
die O-Atome sind nicht dargestellt.
Oktober 2012
gwf-Wasser Abwasser 1089