Wasseraufbereitung durch Gasaustausch

Es wird im Wesentlichen unterschieden zwischen:

• Druckentgasung (Überdruck oder Vakuum)
• Membranentgasung
• chemischer Entgasung

Bei der Druckentgasung und der Vakuumentgasung werden im Reaktionsraum Temperatur und Druck so gewählt, dass die im Wasser absorptiv gelösten Gase (siehe Absorption) automatisch in die Dampfphase übergehen (siehe Desorption) und nach außen abgeführt werden können. Druckentgasungsverfahren werden z.B. in Kesselspeisewasserkreisläufen zur Entfernung von Kohlendioxid (CO₂) und zum Austrag von Sauerstoff zur Vermeidung von Korrosion durchgeführt. Auch die Entfernung von flüchtigen organischen Stoffen ist mit dieser Form der Entgasung möglich.

Die Membranentgasung ist eine Variante der Vakuumentgasung und ein noch recht junges Verfahren. Dabei wird an einer wasserabweisenden (hydrophoben) Membran gasseitig ein Vakuum angelegt. Die im Wasser enthaltenen Gasmoleküle reichern sich an der Membranoberfläche an, diffundieren in die Membran und werden durch das Vakuum abgesaugt. Das Verfahren ist abhängig von der Gasdurchlässigkeit der Membran und der Höhe des Vakuums. Es wird z.B. als Vorstufe zur Sauerstoffentfernung bei der Reinstwasseraufbereitung für die Halbleiterindustrie in Betracht gezogen.

Bei der chemischen Entgasung von Kesselspeisewasser wird der im Wasser enthaltene Sauerstoff durch Zugabe eines Reduktionsmittels (z.B. Natriumsulfit oder Hydrazin) chemisch gebunden. Das Kohlendioxid wirkt nicht in der Dampfphase, sondern erst im Kondensat aggressiv, indem es den pH-Wert stark verringert. Es wird in der Regel durch Zugabe von Aminen neutralisiert, indem es in ein nicht korrosives Aminbikarbonat überführt wird.

Eine andere Form der chemischen Entgasung, die insbesondere zur Sauerstoffentfernung eingesetzt wird, ist diejenige mithilfe eines Katalysatorharzes. Dabei bilden sich aus dem im Wasser vorhandenen Sauerstoff unter Zugabe von Wasserstoff (H₂) oder Hydrazin (N₂H₄) an einer Palladiumoberfläche als Katalysator Wassermoleküle.

Die Begasung hat das Ziel, ein oder mehrere Gase im Wasser durch Absorption (siehe Absorption) anzureichern. Der Stoffaustausch erfolgt umso effektiver, je größer die Kontaktzeit und die Phasengrenzfläche zwischen Gasphase und Flüssigkeitsphase sind. Beide Parameter lassen sich je nach Anwendungsfall durch einen entsprechenden apparativen Aufwand bei den Begasungs-/Belüftungseinrichtungen steuern.

Die Begasung wird in der Wasseraufbereitung beispielsweise eingesetzt, um den Sauerstoffgehalt im Wasser zu erhöhen und Metallionen wie Eisen oder Mangan zu oxidieren und auszufällen. Bei der Trinkwasseraufbereitung wird dem Wasser durch Belüftung ein besserer Geschmack verliehen und Korrosion in den Metallleitungen vorgebeugt. Bei der biologischen Abwasserbehandlung wird eine Begasung mit Luft oder reinem Sauerstoff durchgeführt, um den Schadstoffabbau durch aerobe Bakterien zu ermöglichen. Der Gaseintrag erfolgt im Allgemeinen über Druckbelüftung (Düsen, Membranen, Keramikkörper) oder mechanisch als Oberflächenbelüftung (Belüfterkreisel).

Beim Strippen werden dem Wasser durch ein Stripgas (i.d.R. Luft oder Stickstoff) ein oder mehrere gasförmige Bestandteile entzogen. Der Stoffaustausch erfolgt durch Diffusion aufgrund der unterschiedlichen Konzentrationen des zu entfernenden Gases im Wasser und im Übertragungsmedium in Richtung Stripgas bis zu einem Gleichgewichtszustand hin. Wichtig für einen guten Stoffaustausch ist eine möglichst große Phasengrenzfläche zwischen der Flüssigkeits- und der Gasseite. Dies wird im Allgemeinen dadurch erreicht, dass das Wasser versprüht und über Füllkörperschüttungen oder andere Einbauten geleitet wird.

Eingesetzt wird dieses Verfahren z.B. zur Entfernung von Schwefelwasserstoff bei der Trinkwasseraufbereitung, zur Entfernung von CO₂ bei der Entsalzung oder auch zur Elimination flüchtiger organischer Bestandteile wie z.B. von Lösemitteln aus dem Grundwasser.