Zusammenfassend

Die Löslichkeit von Kalkablagerungen beruht auf einem chemischen Gleichgewicht zwischen Kohlendioxid und Calciumionen. Der katalytische Kalkentferner frenaCal verändert dieses Gleichgewicht, sodass der Kalk in Wasser spontan auskristallisiert und nicht an Oberflächen haftet, sondern als Nanokristalle auf dem Wasser schwimmt.

Was ist hartes Wasser?

Wasser wird als hartes Wasser bezeichnet, wenn sich darin Kalkablagerungen befinden. Kalk ist in reinem Wasser unlöslich. Wird Wasser Kohlendioxid zugesetzt, entsteht Kohlensäure (Hydrogencarbonat, HCO₃⁻), und das Wasser löst den Kalk. Je mehr Kohlensäure das Wasser enthält, desto mehr Kalk kann es lösen, bis maximal 16,6 g pro Liter Wasser. Der Kalk liegt im Wasser als Calciumhydrogencarbonat, Ca(HCO₃)₂, vor.

Die Gesamthärte des Wassers setzt sich aus Calcium- und Magnesiumionen zusammen, wobei Calciumionen 80 % der Härte ausmachen. Magnesium verhält sich chemisch ähnlich wie Calcium, daher gilt Calcium als repräsentativ für die Gesamthärte.

Wie gelangt Kalk ins Trinkwasser?

Kohlendioxid (CO₂) aus der anaeroben Zersetzung organischer Substanz im Boden durch Mikroorganismen löst sich im Regenwasser in Form von Hydrogencarbonat (HCO₃⁻) und bildet Kohlensäure (H₂CO₃), die durch den porösen Kalkstein sickert.

CO₂ H₂O ⇄ H₂CO₃

Gelöstes Calcium (Calciumbicarbonat Ca(HCO₃)₂) entsteht durch die Verwitterung von Kalkstein (CaCO₃) durch die Einwirkung von eindringendem, kohlensäurereichem Wasser.

Wie löst sich Kalk im Trinkwasser und wie entstehen Kalkablagerungen?

Gelöstes Calciumhydrogencarbonat Ca(HCO₃)₂ steht im Gleichgewicht mit gelöstem Kohlendioxid (Hydrogencarbonat HCO₃⁻). Ob Kalkablagerungen gelöst bleiben oder Kristalle bilden, hängt von der Hydrogencarbonat-Konzentration im Wasser ab. Verringert sich die Hydrogencarbonat-Konzentration, bilden sich Kalkkristalle. Wird Hydrogencarbonat hinzugefügt, lösen sich die Kalkkristalle auf.

Hydrogencarbonat (HCO₃⁻) reagiert als schwache Base mit Wasser unter Bildung von Hydroxid und instabiler Kohlensäure. Es stellt sich ein chemisches Gleichgewicht ein:

HCO₃⁻ H₂O ⇄ H₂CO₃ OH⁻

Um Calciumhydrogencarbonat (Ca(HCO₃)₂) in Lösung zu halten, ist eine bestimmte Konzentration der sogenannten „assoziierten Kohlensäure“ erforderlich. Chemisch unterscheidet sich diese nicht von anderer Kohlensäure; entscheidend ist ihr Anteil. Die assoziierte Kohlensäure steht im Dissoziationsgleichgewicht mit den vorhandenen Hydrogencarbonat-Ionen und hält den pH-Wert des Wassers gerade so niedrig, dass der Anteil der Carbonationen, der vom pH-Wert und der Calciumkonzentration abhängt, das Löslichkeitsprodukt von Calciumcarbonat nicht überschreitet.

Ist mehr freie Kohlensäure als gebundene Kohlensäure in der Lösung vorhanden, spricht man von „Überschusskohlensäure“. Diese kann mit weiterem Kalkstein reagieren und diesen auflösen. Der Anteil dieser Kohlensäure, der zusätzlichen Kalk löst und in Calciumhydrogencarbonat umgewandelt wird, wird als „calciumaggressive Kohlensäure“ bezeichnet. Die verbleibende Überschusskohlensäure erhöht die Menge der gebundenen Kohlensäure auf ein neues, höheres Niveau.

CaCO₃ CO₂ H₂O ⇄ Ca²⁺ (aq) 2 HCO₃⁻

Daher existiert Calciumhydrogencarbonat in wässriger Lösung nur in Gegenwart äquivalenter Mengen an Calcium- und Hydrogenhydrogencarbonat-Ionen.

Wann bilden sich Kalkablagerungen?

Kalkablagerungen entstehen, wenn Kohlendioxid aus dem Wasser entweicht. Dies geschieht, wenn:

Infolgedessen verschiebt sich das Dissoziationsgleichgewicht der Kohlensäure zurück in Richtung der Carbonationen, also nach links in der Reaktionsgleichung:

CaCO₃ CO₂ H₂O ⇄ Ca²⁺ (aq) 2 HCO₃⁻

Dadurch wird das Löslichkeitsprodukt von Calciumcarbonat überschritten, wodurch sich unlöslicher Kalk bildet, beispielsweise an Duschwänden, Wasserleitungen, Heizkesseln und Duschköpfen. Dieser Effekt lässt sich im Haushalt beobachten:

Warum lassen sich manche Kalkflecken in der Dusche oder im Waschbecken so schwer entfernen?

Die Kalkablagerungen, die sich beim Kontakt mit Seife bilden, bestehen chemisch nicht aus Calciumcarbonat (CaCO₃), sondern aus Calciumseifen. Diese Calciumseifen entstehen bei der Reaktion von hartem Wasser mit Seife und sind Calciumsalze der in der Seife enthaltenen Fettsäuren, wie beispielsweise Calciumoleat (C₃₆H₆₆CaO₄), das Calciumsalz der Ölsäure, oder Calciumstearat (C₃₆H₇₀CaO₄), das Calciumsalz der Stearinsäure. Sie sind wasserunlöslich und lösen sich nur mit starken Säuren auf, was ihre Entfernung erschwert und herkömmliche Entkalker weitgehend wirkungslos macht.

Sollten wir Kalkablagerungen im Trinkwasser vollständig beseitigen?

Es ist nicht ratsam, Kalk vollständig aus dem Trinkwasser zu entfernen. Kalzium und Magnesium sind für den menschlichen Körper essenzielle Mineralstoffe; außerdem ist kalkfreies Wasser aggressiv gegenüber Rohrleitungen und kann Korrosion verursachen. Wasseraufbereitungsanlagen liefern „standardisiertes Wasser“, indem sie den Kohlensäuregehalt an den Kalkgehalt im Trinkwasser anpassen, sodass sich das Dissoziationsgleichgewicht der Kohlensäure leicht in Richtung der Carbonationen verschiebt, also in der Reaktionsgleichung nach links.

CaCO₃ CO₂ H₂O ⇄ Ca²⁺ (aq) 2 HCO₃⁻

Dadurch bildet sich eine dünne Kalkschicht auf den Rohren, die Korrosion verhindert. Um eine übermäßige Verringerung des Rohrinnendurchmessers zu vermeiden, muss der Kohlensäuregehalt ständig angepasst werden.

Wie verhindert frenaCal durch seinen Kalkschutz die Bildung von Ablagerungen?

Der Schutz vor Kalkablagerungen beruht auf dem Prinzip, dass bei sinkendem Druck Kohlendioxid freigesetzt wird und sich kleine Aragonitkristalle bilden, die auf dem Wasser schwimmen.

Im Kalkschutzsystem durchströmt Wasser einen spiralförmigen Katalysator und gerät in Wirbel. Innerhalb dieser Wasserwirbel entstehen Unterdruckzonen. In diesen Zonen wird Kohlendioxid freigesetzt, und es bilden sich Kalknanokristalle im Wasser.

Kalkablagerungen können in verschiedenen Formen mit unterschiedlichen Eigenschaften kristallisieren: Kalzit und Aragonit. Bei langsamer Kristallisation (im Warmwasserbereiter, Duschkopf oder an den Duschwänden) bildet sich Kalzit, der fest haftet. Erfolgt die Kristallisation hingegen schnell im Kalkschutzsystem, entsteht Aragonit.

Aragonit bildet kleine kristalline Nadeln, die nicht haften, sondern im Wasser schwimmen und durch Abfließen entfernt werden.

Wie entfernt frenaCal Kalkschutz vorhandene Ablagerungen?

Das zuvor gebundene und im Katalysator freigesetzte Kohlendioxid wird zu überschüssigem Kohlendioxid und verschiebt das chemische Gleichgewicht. Dadurch lösen sich vorhandene Ablagerungen auf.

CaCO₃ CO₂ H₂O ⇄ Ca²⁺ (aq) 2 HCO₃⁻