Wasser und Abwasser in der Industrie – eine Einführung

Von Dipl.-Ing. (FH) Charlotte Schade, Waldshut-Tiengen

Je nach Einsatzart in der Industrie muss Wasser einer Behandlung unterzogen werden. Neben Stoffen, die zur Bildung von Deckschichten führen, wie Calcium, Eisen oder Carbonat, wird im Wasser vorhandenes Chlorid, das die Korrosion von Metallen unterstützt, entfernt. Die im verfügbaren Wasser enthaltenen Stoffe werden sehr effizient mit Ionenaustauschverfahren und Umkehrosmose entfernt. Dabei stehen Anlagentechniken für unterschiedliche Verbrauchsmengen zur Verfügung, die weitgehend automatisiert und mit hoher Zuverlässigkeit arbeiten. Die in der Produktion entstehenden Abwässer müssen aus Gründen des Umweltschutzes und zur Rück­gewinnung von wertvollen Metallen ebenfalls einer Behandlung unterzogen werden. Je nach Menge an Abwasser eignen sich hierfür ebenfalls Ionenaustausch- oder Elektrolyseverfahren sowie chemisch-physikalische Abwasserbehandlungen zur Erzeugung von wiederverwertbaren Schlämmen. Mittels Verdampfertechniken werden Abwassermengen reduziert und Brauchwasser zurückgewonnen, wodurch der Wasserverbrauch in der Industrie deutlich gesenkt werden kann.

Water and Effluent in Industry – An Introduction

Almost invariably, water used in industry must undergo some form of treatment. In addition to substances which can form scale or other deposits such as calcium, iron or carbonates, water usually contains chloride ions which promote metallic corrosion. These and other compounds frequently found in water can be very efficiently removed using ion exchange or reverse osmosis. In both cases, a wide range of equipment is available to cater for larger or smaller volumes as required. In many cases, these are automated and extremely reliable in use. In like manner, industrial effluents also require treatment, in part to comply with environmental requirements and also for recovery of valuable metals they contain. Depending on the volume of such effluents, ion exchange equipment or electrolytic processes can provide a solution. Alternatively, a range of physicochemical effluent treatment processes can be used for sludge recovery. Using evaporation techniques reduces the volume of effluents while also recovering process water thereby leading to a significant reduction in the volume of industrial water required.

1 Einleitung

Wasser zählt zu den am häufigsten vorkommenden und wichtigsten Stoffen auf der Erde. Für den Menschen direkt nutz­bares Süßwasser nimmt hierbei allerdings nur einen Anteil von etwa 2,5 Prozent ein, wovon wiederum etwa 75 bis 80 Prozent als Polar- und Gletscherwasser gebunden ist [1]. Tatsächlich nutzbar sind lediglich etwa 0,3 Prozent des weltweit verfügbaren Wassers.

In Zentraleuropa herrscht kein Wassermangel; den Angaben der Behörden zufolge übersteigt sogar die Wasserverfügbarkeit in Deutschland die Nutzung. So wird seit etwa 2001 der kritische Wassernutzungs­index von 20 Prozent unterschritten (Abb. 1), sodass deutlich mehr Wasser verfügbar ist, als genutzt wird [2] (der Wassernutzungsindex ist das Verhältnis der gesamten Wasserentnahme zum Wasserangebot).

Die Bemühungen zur effizienteren Nutzung von Wasser beziehungsweise zur Reduzierung der Abwassermengen der letzten Jahre machen sich bemerkbar: So ist in Deutschland die im verarbeitenden Gewerbe benötigte Wassermenge von 5,9 Milliarden Kubikmeter im Jahr 1995 auf 5,05 Milliarden Kubikmeter im Jahr 2010 zurückgegangen [3].

Je nach Produktionsbereich im verarbeitenden Gewerbe fallen unterschiedliche Mengen an verbrauchtem Wasser an (Abb. 2). Mit über 50 Prozent ist die Chemische Industrie größter Wasserverbraucher, gefolgt von der Industrie zur Herstellung von Metallen und Metallerzeugnissen mit knapp elf Prozent. Dabei werden in der Chemischen Industrie etwa 75 Prozent des Wasser als Kühlwasser verwendet [3].

Seit 1995 nahmen in den meisten Produktionsbereichen die benötigten Wassermengen ab oder stagnierten. Das lag vor allem daran, dass Unternehmen Wasserkreisläufe durch technologische Prozessintegration und Membrantechnik besser schließen konnten (Abb. 3). Überdurchschnittlich sank der Wasserverbrauch in zwei Branchen: in der Textilindustrie um 52 Prozent, in der elektrischen Industrie um 57 Prozent, allerdings aufgrund struktureller Anpassungen an den Weltmarkt, indem Produktionskapazitäten in Deutschland gesenkt wurden [3].

Bei der Nutzung von Wasser im Sinne des hier genannten Wasserverbrauchs sind vor allem die Kühlung und Heizung sowie die Nutzung von Wasser als Produktionsmittel zu nennen. Unter letzteres fallen in der metallverarbeitenden Industrie beispielsweise Bereiche wie das Reinigen und die oberflächentechnische Bearbeitung von metallischen Produkten, wie zum Beispiel das Beizen von Halbzeugen zur Entfernung von Zunder oder Rost sowie die Beschichtung mit anorganischen und organischen Stoffen. Dazu wird das verfügbare Wasser häufig vorbehandelt, indem beispielsweise störende Inhaltsstoffe entfernt werden. Anfallendes Abwasser muss nahezu immer aufgearbeitet werden, wodurch unter anderem wertvolle Rohstoffe wieder in den Produktionskreislauf zurückgeführt und toxische Substanzen zerstört werden können.

2 Rohwasser

In Deutschland kann verfügbares Wasser in Trinkwasserqualität oder als Brunnenwasser, soweit Unternehmen über die Möglichkeit nur Nutzung von Brunnen verfügen, genutzt werden. Für die großtechnische Energiegewinnung wird zur Kühlung Flüssen Wasser entnommen. In beiden Fällen sind stets Begleitstoffe in unterschiedlichen­ Mengen im Wasser enthalten, die sich bei der Nutzung durch die Bildung von Rückständen oder Ablagerungen sowie durch unerwünschte Reaktionen beim Vermischen mit anderen Stoffen nachteilig bemerkbar machen können.

Wie Analysen von Trinkwasser zeigen, ist die Zahl an enthaltenen Stoffen sehr umfangreich, da Wasser eines der besten Lösemittel ist und auch gasförmige Verbindungen in mehr oder weniger großen Mengen aufnehmen kann (Tab. 1).

Für den Einsatz von Wasser in der Industrie­ sind je nach Einsatzart – Betriebs- und Hilfsstoffe oder Produktionsmittel – die Inhaltsstoffe zu ermitteln und gegebenenfalls anzupassen. Dabei ist auch zu berücksichtigen, dass sich die Zusammensetzung ändern kann; eine Prüfung in bestimmten zeitlichen Abständen ist daher sinnvoll. Dies gilt in ganz besonderem Maße für die Oberflächenbehandlung mit nasschemischen Verfahren, für die Wasser sowohl in den verschiedenen Prozesslösungen als Hauptbestandteil fungiert als auch für die zwischengeschalteten Reinigungsschritte, die stets in Wasser als Spülmittel oder in oft verdünnten wässrigen Lösungen erfolgen.

Beim Einsatz von Wasser als Medium zur Wärmeübertragung liegen in den meisten Fällen geschlossene Kreisläufe vor, die aber in größeren Wasserkreisläufen durch regel­mäßige Ergänzung über eine bestimmte Wasserqualität verfügen müssen, um beispielsweise störende Ablagerungen zu vermeiden. Ein weiterer, umfangreicher Einsatz von Wasser oder wässrigen Lösungen ist der Bereich der Kühl-Schmier-Mittel bei der mechanischen Bearbeitung durch Fräsen, Drehen, Schweißen oder beim Erodieren, aber auch bei der maschinellen Oberflächenbearbeitung, beispielsweise durch Gleitschleifen. Hier ist einmal die Einstellung von Wasserqualitäten in Bezug auf deren Inhaltsstoffe wichtig, um Ablagerungen, beispielsweise in Form von Kalk, zu vermeiden oder die Bildung von Mikro­organismen zu verhindern.

Für Brunnenwasser und Oberflächenwasser wird empfohlen, eine Wasseranalyse zu erstellen. Bei schwierigen Rohwasserzusammensetzungen – wenn etwa bestimmte Inhaltsstoffe wie Silikat, Eisen oder Mangan deutlich von den üblichen Werten abweichen – ist eine Vorbehandlung für die betriebssichere Herstellung von VE-Wasser erforderlich.

2.1 Ionenaustauschverfahren

Mit Ionenaustauschern kann je nach Ausführung Wasser mit geringen Anteilen an mineralischen Bestandteilen bis hin zu vollentsalztem Wasser (VE-Wasser) höchster Qualität bei geringen Investitionskosten erzeugt werden. Die Ionenaustauschtechnologie macht sich zunutze, dass die in Wasser befindlichen gelösten Stoffe chemische Bindungsreaktionen eingehen können. Im Trinkwasser befinden sich Salze in unterschiedlich hohen Konzentrationen. Diese bestehen aus Metallionen (Kationen) und einem Säurerest (Anionen). Zur Entfernung dieser Kationen und Anionen werden spezielle Ionenaustauscherharze eingesetzt. Hierbei handelt es sich um langkettige Moleküle mit Seitenketten, die Wasserstoffionen beziehungsweise Hydroxidionen besitzen. Diese können abgespalten werden. Die organischen Moleküle sind zu porösem Granulat (dem sogenannten Ionenaustauscherharz, Abb. 4) verarbeitet und können von Wasser im Prinzip durchströmt werden. Dabei nehmen diese die im Wasser gelösten Kationen (z.  B. Ca²⁺, Mg²⁺, Na⁺) und Anionen (z. B. Cl^-, SO₄^2-, NO₃^-) auf und geben dafür entsprechende Mengen an H⁺- und OH^--Ionen an das Wasser ab. Das Ergebnis der Verfahrenstechnik Ionenaustausch ist damit vollentsalztes Wasser, also nahezu reines H₂O.

Die Ionenaustauscherharze sind in verschiedenen Modifikationen verfügbar; unterschieden wird in stark und schwach saure­ sowie stark und schwach basische Harze. Der Unterschied liegt in der Ionensorte, die bei Austausch abgegeben wird und richtet sich nach der Verwendung des behandelten Wassers. Nichtionische Bestandteile, meist handelt es sich um in Wasser enthaltene organische Verunreinigungen wie Rückstände aus der Landwirtschaft oder Tenside aus Reinigungsmitteln, lassen sich durch Zugabe von Aktivkohle­partikel zum Ionenaustauscherharz ent­fernen.

Ein weiterer großer Vorteil von Ionenaustauschern ist die einfache Regenerierbarkeit. Durch entsprechende Beschickung mit Säure oder Lauge werden diese beim sogenannten Regenerierschritt wieder in den Ausgangszustand versetzt, erhalten also neue H⁺- und OH^--Ionen und geben im Austausch dafür die aufgenommenen Kationen und Anionen wieder ab. Diese liegen dann in konzentrierter Form zur weiteren Bearbeitung vor. Je nach Größe der Ionenaustauscher (Abb. 5) wird die Regenerierung vom Anbieter als Dienstleistung durchgeführt oder vor Ort beim beziehungsweise vom Anwender selbst. Durch die einfache Art der Regenerierung besitzen die Harze eine sehr lange Lebensdauer.

Die Anwendungsbereiche der Ionenaustauscher richten sich nach der Zusammensetzung und dem Mengenbedarf an Wasser. Für den geringen bis mittleren Bedarf an VE-Wasser bieten sich Mischbettionenaustauscher an. Für große Bedarfsspitzen an VE-Wasser stehen Getrenntbettionenaustauscher zur Verfügung. Hierbei erfolgt die Regeneration der Kationenaustauscher und Anionenaustauscher vor Ort und je nach Anlagenauslegung häufig automatisch.

Ein Parameter für die Messung der Qualität von VE-Wasser ist die elektrische Leitfähigkeit, die in Siemens pro cm (µS/cm) angegeben wird. Die Anforderungen an die VE-Wasserqualität können sehr unterschiedlich sein; sie richten sich nach dem Einsatz, beispielsweise als Wärmeträger im Kühlmittelkreislauf eines Kraftwerks, für Metallreinigungsanlagen, Luftbefeuchter, Spülen in der Reinigungstechnik und der Galvanotechnik und in den unterschiedlichen Elektrolytarten zur Abscheidung oder Oberflächenbehandlung von Metallen oder für die Versorgung von Dampfkesseln und Dampfturbinen. Moderne Ionaustauscheranlagen lassen sich so betreiben, dass eine bestimmte Leitfähigkeit konstant erzielt wird. Damit erlauben sie beispielsweise eine deutliche Verbesserung der Ergebnisse beim Erodieren (Abb. 6), wo die Leitfähigkeit des verwendeten Wassers erheblichen Einfluss auf die Qualität der Bearbeitung hat [8].

2.2 Umkehrosmose

Die Umkehrosmose, auch Reverse Osmose (RO) genannt, ist ein Membranverfahren, das neben partikulären Stoffen im Wasser auch Ionen zurückhält. Die Umkehrosmose­ beruht auf dem Effekt der Osmose, bei dem ein Austausch von Stoffen über eine ionendurchlässige Membran erfolgt. Die Triebkraft für die Osmose beruht auf unter­schiedlichen Konzentrationen zu beiden Seiten der Membran. Da die Membranen für die Durchlässigkeit unterschiedlicher ­Ionen herstellbar sind, besteht die Möglichkeit, Ionen selektiv an- oder abzureichern, solange entsprechende Lösemittel für die gewünschte Konzentrationsänderung verfügbar sind.

Anstelle der unterschiedlichen Konzentration kann die Ionentrennung auch durch unterschiedlichen Druck auf beiden Seiten der Membran in Gang gesetzt werden. Dieser Effekt ist unter dem Begriff Umkehr­osmose bekannt. Dabei wird ein Druck auf die konzentrierte Lösung ausgeübt, um den osmotischen Druck dieser Lösung zu überwinden. Das Lösemittel tritt wieder durch die Membran hindurch und alle gelösten Wasserinhaltsstoffe bleiben auf der Seite des Konzentrats zurück. Großtechnisch wird eine Umkehrosmoseanlage als Cross-Flow-Filtration betrieben. Dabei wird der Rohwasserzulauf aufgeteilt in ein Reinwasser, das Permeat mit einem Anteil von 75 bis 80 Prozent und einem Restsalzgehalt von etwa zwei Prozent. Alle anderen Wasser­inhaltsstoffe werden mit dem Konzentrat der Anlage kontinuierlich ausgeschleust.

Ein wesentlicher Teil einer Umkehrosmoseanlage ist die Vorbehandlung, um eine Belegung (Scaling) durch Calcium und Magnesium auf den Membranen zu verhindern. Dazu werden die Wasserenthärtung durch Ionenaustausch oder Härtestabilisierung mit einem Antiscalant eingesetzt.

Bei modernen Anlagen kann die Wasserausbeute durch den Einsatz beispielsweise einer Konzentratstufe gesteigert werden. Ferner kann durch den Einsatz von drehzahlgeregelten Pumpen die Permeat­leistung variabler angepasst werden. Mit solchen Maßnahmen und der Verwendung von speziellen Niederdruckmembranen lässt sich der Energiebedarf der Gesamt­anlage deutlich verbessern.

2.3 Mikrofiltration

Die Mikrofiltration (MF) hat die Aufgabe,­ alle Inhaltsstoffe im Wasser zurückzuhalten, die größer als die Membranporen sind. Mikrofiltrationsmembranen trennen Partikel oder kolloidale Suspensionen. Die Poren liegen im Bereich von etwa 0,05 µm bis 10 µm. Charakteristisch bei der Mikrofiltration ist die tangentiale Überströmung der Membran, die Cross-Flow-Filtration genannt wird. Das Wasser wird also nicht direkt durch die Membran gepresst, sondern fließt über die Membran hinweg. Bei dieser Art der Überströmung wird ein Reinigungseffekt auf der Membran erreicht und die Standzeit der Filtrationssysteme wird um ein Vielfaches vergrößert.

2.4 Ultrafiltration

Die Ultrafiltration (UF) ist ein Prozess, bei dem Wasser durch eine polymere Membran mit einer sehr feinen Porenstruktur ­filtriert wird. Gerade bei schwierigen Rohwässern, mit jahreszeitlich stark schwankender Partikelfracht, kann die Ultrafiltration mit ihrer definierten Trenngrenze und ihren individuellen Rückspülkonzepten ihre Vorteile ausspielen. Dazu ist die Verfahrenstechnik modular aufgebaut. Dies bedeutet, dass mit einer Ultrafiltrationsanlage flexibel auf Änderungen an die Bedarfsmengen und auf Schwankungen in der Rohwasserzusammensetzung reagiert werden kann. Die Ultrafiltration zeichnet sich im Wesentlichen durch die höhere Performance aus, was die Rückhaltung von Partikeln angeht. Im Vergleich zu einer Kiesfilteranlage zeigt sie eine deutlich bessere Abtrennung insbesondere von Kleinstpartikeln.

2.5 Elektrodeionisierung

Die Elektrodeionisierung (EDI) ist eine Technologie, bei der Ionenaustauscherharze und ionenselektive Membranen mit elektrischem Gleichstrom kombiniert werden, um Ionen aus dem Wasser zu entfernen. Dass der Ionenaustauscher nicht nur mit Säure und Lauge, sondern durch ein elektrisches Feld regeneriert werden kann, war eine revolutionäre Idee und legte den Grundstein für die Entwicklung von modernen Verfahren der Elektrodeionisierung.

Ein EDI-Modul besteht aus mehreren Kammern, die durch ionenselektive Membranen voneinander getrennt sind. Die Kammern sind mit Ionenaustauscherharzen gefüllt und zwischen zwei Gleichspannungs­elektroden angeordnet. Durch die angelegte Gleichspannung werden die Ionen des EDI-Speisewassers zur jeweiligen Elektrode abgelenkt: Kationen bewegen sich in Richtung Kathode und Anionen zur Anode. Aufgrund der gegensätzlichen Anordnung der ionenselektiven Membranen werden die Ionen in Kanälen zwischen den Kammern gesammelt und durch einen Teilstrom, das EDI-Konzentrat, aus dem Modul ausge­tragen.

Die Elektrodeionisierung wird bevorzugt nach der Umkehrosmose eingesetzt. Das entsalzte Wasser wird dabei nochmals aufbereitet. Die Wasserqualität zeichnet sich durch eine niedrige elektrische Leitfähigkeit und geringe Kieselsäurewerte aus.

2.6 Reinwasserkreislaufanlagen

Reinwasserkreislaufanlagen (RKA, Abb. 7) dienen zur Herstellung und Kreislaufführung von vollentsalztem Wasser (VE-Wasser). Durch Umkehrosmose werden dem Rohwasser mehr als 98 Prozent der unerwünschten Inhaltsstoffe entzogen. Das produzierte Permeat wird in einem Arbeitsbehälter bevorratet und kann bei Bedarf erwärmt werden. Die Kreislaufführung wird durch eine Kombination von Adsorberharz oder Aktivkohle­ und Ionenaustauschern durchgeführt. Partikel werden mit Filtersystemen bis < 0,2 μm herausgefiltert. Im Rücklauf wird das VE-Wasser mittels UV-Licht entkeimt, sodass Mikroorganismen im Wachstum gehindert werden. Durch die Verwendung von temperaturbelastbaren Harzen ist der Einsatz bis zu einer Kreislaufwasser-Temperatur von 70 °C möglich.

3 Einsatz von Wasser in der Industrie

3.1 Energietransport mit Wasser

Wasser wird für die Herstellung von Produkten seit langem in verschiedenen Aggregatzuständen eingesetzt; im gefrorenen und im flüssigen Zustand zur Kühlung sowie in flüssigem und gasförmigem Zustand zur Heizung. Grund für die umfangreiche Verwendung ist hauptsächlich die gute Verfügbarkeit von Wasser. In Bezug auf die reine Wärme­leitung, die bei Wasser relativ gering ist, erfolgt der Transport von Wärme aufgrund des hohen Energieaufnahmevermögens von Wasser sowie durch die gute Transportierbarkeit von Wasser. Ein weiterer Vorteil ist die Tatsache, dass Wasser für Organismen vollkommen ungiftig ist, wodurch keine Gefährdung durch Austritt von Wasser aus Heiz- oder Kühlsystemen zu ­befürchten ist.

Bei der Verwendung von Wasser in geschlossenen Kühlkreisläufen sind entstehende Ablagerungen weitgehend unkritisch. Sie führen in der Regel zu Deckfilmen in geringer Dicke, wobei die Bildung des Deckfilms vor allem von der Art und Menge der enthaltenen Stoffe abhängt. Beim Erwärmen von Wasser ändert sich die Löslichkeit der Bestandteile, wodurch Ausfällungen an den Innenwänden von Behältern und Rohrleitungen entstehen können.

Beim Einsatz von offenen Systemen ist die Bildung von Ablagerungen deutlich ausgeprägter, da laufend Wasser verdunstet und damit die Konzentration der enthaltenen Stoffe kontinuierlich steigt. Das Ausfallen der Stoffe beginnt bei Überschreiten der Grenze für das Lösungsvermögen, wobei insbesondere Kohlenstoffdioxid aus der Luft zur Bildung von zahlreichen schwerlöslichen Verbindungen wie Calciumcarbonat führt. Die Ablagerungen wachsen auf den Wänden der Behälter und Rohre als voluminöse Schicht auf und ergeben damit eine deutlich erkennbare Schicht.

Kritisch können derartige Ablagerungen insbesondere dann werden, wenn das Kühlsystem enge Durchmesser und einen komplexen Verlauf besitzt, wie dies für Werkzeuge zum Kunststoffspritzen oder auch für das Kühlen von elektronischen Komponenten der Fall ist. Ablagerung können hierbei die Kühlbedingungen aufgrund eines schlechteren Wärmeübergangs deutlich verändern [5]. Außerdem können im Gebrauch Ablagerungen durch das strömenden Kühlwasser abgerissen werden, sich an Engstellen oder Biegungen der Kühlkanäle­ ansammeln und zu partiellem oder vollständigem Versagen der Kühlung führen.

Ein weiterer kritischer Aspekt beim Einsatz von Wasser als Kühlmedium ist auf korrosionsrelevante Inhaltsstoffe zurückzuführen. Die novellierte Trinkwasserverordnung vom 21.05.2001 (TrinkwV 2001) legt nicht nur Anforderungen an die Beschaffenheit des Trinkwassers fest, sie enthält auch Regelungen, dass das Trinkwasser bei dessen Aufbereitung und Verteilung nicht durch die Werkstoffe und Materialien der mit dem Wasser in Berührung kommenden Anlagenteile in unzulässiger Weise beeinträchtigt wird. Die Trinkwasserverordnung nimmt dabei Bezug auf verschiedene Normen und technische Regelwerke. Beispielsweise werden die Wechselwirkungen zwischen metallischen Werkstoffen und dem Wasser in der DIN EN 12502, Teil 1 bis 5 (März 2005) sowie der DIN 50930, Teil 6 (Oktober 2013) in Form von Wahrscheinlichkeitsaussagen über die Korrosionsart und -erscheinungen beschrieben.

Zu betrachten sind Kenngrößen wie der pH-Wert des Wassers, der zwischen pH 6,5 und pH 9,5 liegen sollte, oder Gehalte an Chlorid (max. 250 mg/L), Nitrat (max. 50 mg/L), Sulfat (max. 500 mg/L) oder Aluminium (maxi. 0,2 mg/L). Im Sinne der Normen sollte bei Unterschreitung der Werte gegenüber Kupfer und Kupferlegierungen, schmelztauchverzinkten Eisenwerkstoffen, nichtrostenden Stählen sowie Gusseisen, unlegierten und niedriglegierten Stählen eine sehr geringe Korrosionswahrscheinlichkeit vorliegen; die Bildung von entsprechenden Schutzschichten wird zudem begünstigt [6].

Insbesondere bei offenen Kühlsystemen, also bei solchen, bei denen Wasser verdunsten kann und kontinuierlich nachgefüllt werden muss, können Inhaltsstoffe nachteilig wirken. So erfolgt hier eine Aufkonzentration der Stoffe einerseits und andererseits wird durch die Zugabe Sauer­stoff und Kohlenstoffdioxid zugeführt. Sauerstoff wirkt als Korrosionsmedium und Kohlenstoffdioxid führt zur Bildung von schwerlöslichen Verbindungen.

Darüber hinaus gelangen mit den Zugaben auch Bioorganismen in den Wasserkreislauf, die insbesondere an bereits vorhandenen Ablagerungen auf Behälter- und Rohrwänden sowie günstigen Wassertemperaturen (ca. 25 °C bis etwa 60 °C) zum Wachsen angeregt werden. Der organische Bewuchs reduziert den Wärmeübergang zwischen Wasser und Metall (des Kühlkörpers), führt zum Verstopfen von Kühlkanälen und ist Ursache von Biokorrosion [7].

3.2 Wasser als Produktionsmittel in der Oberflächentechnik

Für die nasschemische Metallverarbeitung, beispielsweise die Metallabscheidung auf galvanotechnischem Wege, ist Wasser die Ausgangssubstanz zur Erzeugung der Prozesslösungen. Durch Zugabe von Metallsalzen, Säuren und Laugen oder organischen Verbindungen wird die jeweilige Lösung für einen Prozessschritt zur Bearbeitung hergestellt. Je nach zuzusetzendem Stoff können unerwünschte Reaktionen auftreten. Kritisch kann beispielsweise gelöstes Kohlenstoffdioxid, Sulfat, Phophat oder auch Eisen sein. In neuerer Zeit stören zudem organische Inhaltsstoffe, die über Düngemittel in das Trinkwasser gelangen können.

In der nasschemischen Oberflächentechnik ist Wasser der primäre Trägerstoff für die Wirkstoffe. Dies beginnt bei der Vorbehandlung durch Entfetten oder Beizen, über die unterschiedlichen Elektrolyte zur Abscheidung von Metallen bis hin zur Nachbehandlung durch Passivieren oder auch zur Beschichtung mit Sol-Gel-Filmen. Zwischen den einzelnen nasschemischen Arbeitsstufen wird mehr oder weniger aufwendig gespült. Je nach den abzuspülenden Stoffen kann unbehandeltes Wasser (z. B. Stadt- oder Brunnenwasser) oder aber gereinigtes Wasser (zum Teil vollständig entmineralisiertes Wasser) eingesetzt werden. Neben den mineralischen Inhaltsstoffen oder den organischen Begleitstoffen in Wasser, wie es vom Wasserversorger geliefert oder aus eigenen Quellen verfügbar ist, kann enthaltenes Gas – vorwiegend Kohlenstoffdioxid –
zu Störungen im Prozess führen.

Störungen können beim Einsatz von Wasser in der nasschemischen Oberflächentechnik durch Reaktionen mit den zugegebenen Wirkstoffen auftreten. Beispielsweise reagiert gelöstes Kohlenstoffdioxid zu schwerlöslichem Carbonat und kann Metalle aus der herzustellenden Wirklösung entfernen oder zu unterwünschten Niederschlägen auf den Behälterwänden führen. In Gebrauch können dann Partikel entstehen, die auf den Oberflächen auch störende und zum Teil nicht mehr entfernbare Rückstände bilden können. Insbesondere bei der Verwendung von Edelmetallelektrolyten kann das Ausfällen oder das unerwünschte Reduzieren von gelöstem Goldsalz (Reduktion zu metallischem Gold) einen wirtschaftlichen Nachteil darstellen.  
Der Ansatz von Arbeitslösungen in der nasschemischen Oberflächentechnik beruht auf der Herstellung einer definierten Zusammensetzung aus gelöstem Metall, anorganischen Salzen zur Erzeugung der erforderlichen Leitfähigkeit und von anorganischen und organischen, gelösten Zusatzstoffen wie Netzmittel, Glanzbildner oder Einebner. Die richtige Mischung lässt sich in der Regel nur dann erzielen, wenn weitgehend reines Wasser für die Herstellung der Elektrolyte und Arbeitslösungen verwendet wird.

Relativ unkritisch sind die meisten wässrigen Medien zum Reinigen von Metallen, da diese darauf ausgerichtet sind, abgelöste Stoffe aufzunehmen. Dies betrifft sowohl die an erster Stufe stehenden wässrigen Entfettungslösungen und die (häufig) darauf folgenden Ätz- und Beizlösungen. Die Entfettungen werden in der Mehrzahl im alkalischen pH-Wert-Bereich betrieben, wodurch vor allem organische Bestandteile wie Fette oder Öle gebunden werden. Ätz- und Beizlösungen arbeiten im sauren pH-Bereich und lösen dadurch insbesondere Metalle und anorganische Anionen, wie sie in Deckschichten von Metallen (vor allem Oxide) vorhanden sind.
-wird fortgesetzt-

Literatur

[1] Hans Rudolf Christen, Gerd Meyer: Allgemeine und anorganische Chemie, Band 1, Salle + Sauerländer Verlag, 1994

[2] Daten zur Umwelt 2015; Umwelt Bundesamt; www.bundesumweltamt.de

[3] Umweltbundesamt: Wassereinsatz des verarbeitenden Gewerbes; Stand 16.10.2013

[4] BWV – Bodensee-Wasserversorgung; Trinkwasseranalyse 2014; www.bodensee-wasserversorgung.de

[5] B. Heine: Ein optimiertes Werkzeugkonzept ermöglicht eine wirtschaftliche Spritzgießfertigung; WOMag 11/2012; www.womag-
online.de

[6] BWV – Bodensee-Wasserversorgung; Korrosionschemische Beurteilung des Bodensee-Trinkwassers; www.bodensee-wasserversorgung.de

[7] M. G. Fontana, N. D. Green: Corrosion Engineering; MacGraw-Hill Book Company, New York, 1978

[8] Effizienzsteigerung bei der Funkenerosion; WOMag 9/2014