Was ist Antiscalant? Warum wird es in Umkehrosmoseanlagen eingesetzt?

Antiscalant ist eine bereits in sehr niedriger Konzentration wirksame Chemikalie gegen Scaling, die verzögert, dass gelöste Salze in einer übersättigten wässrigen Lösung auskristallisieren und sich an Oberflächen ablagern. In der Umkehrosmoseanlage besteht seine eigentliche Aufgabe darin, in dem Bereich der Konzentratseite, in dem die Löslichkeitsgrenze überschritten wird, das Wachstum von Kristallen aus Calciumcarbonat, Calciumsulfat, Bariumsulfat, Strontiumsulfat und Silica auf der Membranoberfläche zu verhindern. Die Chemikalie löst das Salz nicht auf; sie verzögert den Übergang des Salzes in den festen Zustand.

Antiscalant und Enthärtung sind verschiedene Dinge. Eine Wasserenthärtungsanlage entzieht dem Wasser die Härte physikalisch mit Harz; Antiscalant entzieht dem Wasser keine Härte, sondern verhindert nur deren Ausfallen. Deshalb sind beide keine Alternativen zueinander, sondern meist Lösungen für unterschiedliche Größenordnungen. Bei kleinen Volumenströmen und sehr hartem Wasser wird die Vorenthärtung bevorzugt, bei industriellen Umkehrosmoseanlagen mit hohem Volumenstrom tritt Antiscalant wegen der Salz- und Regenerationskosten in den Vordergrund. Zum allgemeinen Funktionsprinzip einer Umkehrosmoseanlage finden Sie Details in unserem ausführlichen Ratgeber. (Details: Was ist ein Umkehrosmose-System (RO)? Wie arbeiten industrielle RO-Systeme?)

Dass Antiscalant wirkt, liegt an einem Missverhältnis der Konzentrationen. Ein mit 3 ppm dosiertes Antiscalant arbeitet auf der Konzentratseite gegen eine Härte in der Größenordnung von hunderten ppm. Das zeigt, dass die Chemikalie nicht wirkt, indem sie das Salz bindet, sondern indem sie punktuell in den Kristallbildungsprozess eingreift. Ein Antiscalant-Molekül macht weit mehr Kristallkeime unwirksam, als es selbst Moleküle gibt; das nennt man Schwellenwerthemmung und ist Thema des nächsten Abschnitts.

Die einsätzige Antwort auf die Frage, wozu Antiscalant in der Umkehrosmose eingesetzt wird, lautet: Es schützt die Membran vor Scaling und verlängert ihre Lebensdauer. In der Umkehrosmosekette zwischen Vorfiltration und Hochdruckpumpe kann Antiscalant der einzige chemische Zusatz sein; Schwebstoffe hält der Filter zurück, die gelösten Scaling-Salze dagegen kontrolliert allein das Antiscalant. Deshalb wird die Antiscalant-Einspeisung in jeder Umkehrosmose-Membranlinie mit positiver Scaling-Neigung praktisch zur Pflicht, sobald die Rückgewinnung 50 % übersteigt; ohne Scaling-Schutz kann die Membran den vorgesehenen Volumenstrom und Salzrückhalt nicht halten.

Die Funktionsweise von Antiscalant besteht aus dem Zusammenwirken dreier Effekte: Schwellenwerthemmung, Kristalldeformation und Dispergierung. Diese drei Effekte greifen in unterschiedliche Phasen des Prozesses ein, in dem sich Salz in einer übersättigten Lösung zu Kristallen umwandelt. Weil eine einzige Molekülgruppe alle drei Aufgaben zugleich erfüllt, wirkt Antiscalant bereits in sehr niedriger Konzentration.

Die Schwellenwerthemmung ist der Effekt, der die Keimbildungsphase des Kristalls blockiert. In einer übersättigten Lösung entstehen zuerst mikroskopisch kleine Kristallkeime, dann wachsen diese Keime. Antiscalant-Moleküle haften an der Oberfläche der noch entstehenden Keime und stoppen das Wachstum. Daher stammt der Name: Die Chemikalie hält das Wasser auch nach Überschreiten der Löslichkeitsschwelle eine Zeit lang kristallfrei. So wird das übersättigte Wasser entlang der Membran ohne Kristallbildung bis zum Konzentratausgang transportiert.

Die Kristalldeformation ist der Effekt, der die Form der Kristalle stört, die sich dennoch bilden. Fällt Scaling als gleichmäßige, harte Schicht aus, haftet es fest an der Membranoberfläche. Antiscalant-Moleküle lagern sich in das Kristallgitter ein und machen das Wachstum unregelmäßig; die entstehende Struktur wird zu einer weichen, spröden und nur schwach haftenden Ablagerung. Diese deformierten Kristalle werden vom Konzentratstrom leicht mitgerissen und können sich auf der Membranoberfläche nicht festsetzen. Das heißt: Auch wenn Scaling sich nicht vollständig verhindern lässt, wird es unschädlich gemacht.

Die Dispergierung ist der Effekt, der verhindert, dass die Ablagerung und die Schwebstoffe aneinanderhaften. Antiscalant-Moleküle überziehen die Partikeloberflächen mit negativer Ladung; gleich geladene Partikel stoßen einander ab und können nicht verklumpen. So bleiben sowohl die Scaling-Kristalle als auch die kolloidale Verschmutzung im Wasser in Schwebe und werden mit dem Konzentrat ausgetragen, ohne sich in der Membran abzulagern. Der Dispergiereffekt verlangsamt besonders bei eisen- und aluminiumhaltigen Wässern auch die Membranverschmutzung.

Die chemischen Stoffklassen, die diese drei Effekte bewirken, sind verschieden. Phosphonate sind bei Calciumcarbonat- und Sulfat-Scaling stark. Polyacrylate und Polymaleinsäure-Derivate treten bei der Dispergierung und der Silica-Kontrolle in den Vordergrund. Am Markt erhältliche Antiscalant-Produkte sind meist Mischungen dieser Stoffklassen und werden nach der Analyse des Quellwassers ausgewählt. Das richtige Produkt richtet sich nach der aus der Wasseranalyse berechneten Scaling-Neigung; deshalb ist der nächste Schritt die Indexberechnung.

Der LSI, also der Langelier-Sättigungsindex, ist eine Zahl, die zeigt, ob ein Wasser zur Ausfällung oder zur Auflösung von Calciumcarbonat neigt. Ist der LSI positiv, neigt das Wasser zur Scaling-Bildung; ist er negativ, ist das Wasser korrosiv und löst Scaling auf; liegt er nahe null, herrscht ein Gleichgewichtszustand. In der Umkehrosmose wird der LSI nicht für das Rohwasser, sondern für das aufkonzentrierte Wasser auf der Konzentratseite berechnet, denn dort entsteht das Scaling.

Die LSI-Berechnung ist die Differenz zweier Werte: LSI gleich gemessener pH-Wert minus Sättigungs-pH-Wert. Der Sättigungs-pH-Wert hängt von der Wassertemperatur, der Calciumhärte, der Gesamtalkalität und der Gesamtmenge der gelösten Feststoffe ab und wird aus Standardtabellen oder aus der Projektierungssoftware des Membranherstellers abgelesen. Beispiel: Für ein Konzentratwasser mit gemessenem pH 7,8 und einem Sättigungs-pH-Wert von 7,2 ergibt sich LSI gleich 7,8 minus 7,2 gleich plus 0,6; dieser Wert bedeutet eine deutliche Scaling-Neigung durch Calciumcarbonat.

Die Schwellenwerte sind klar. In einer Umkehrosmoseanlage ohne Antiscalant wird angestrebt, den LSI des Konzentrats unter null zu halten. Beim Einsatz von Antiscalant verschiebt sich diese Grenze nach oben: Ein Antiscalant auf Phosphonatbasis kann den LSI des Konzentrats bis etwa plus 2,5 sicher beherrschen. Steigt der LSI über plus 2,8, reicht Antiscalant allein nicht aus; dann sind Säuredosierung oder eine Senkung der Rückgewinnungsrate erforderlich. Diese Entscheidung bestimmt unmittelbar Dosierung und Betriebskosten.

Es gibt zwei Mechanismen, die den LSI auf der Konzentratseite erhöhen. Der erste ist der Konzentrationsfaktor: Mit steigender Rückgewinnung werden Calcium und Alkalität aufkonzentriert, und der LSI steigt. Der zweite ist die Temperatur: Die Löslichkeit von Calciumcarbonat nimmt mit der Temperatur ab, deshalb ergibt eine Quelle mit 25 °C in den Sommermonaten einen höheren LSI. Mit Ihrer Quellwasseranalyse und Ihrem Rückgewinnungsziel können wir den LSI des Konzentrats gemeinsam berechnen. (Details: unsere Kontaktseite)

Der S&DSI, also der Stiff-Davis-Sättigungsindex, ist ein Index, der die Calciumcarbonat-Scaling-Neigung in Wässern mit hoher Salzkonzentration genauer angibt als der LSI. Der LSI ist bei Wässern mit einer Gesamtmenge gelöster Feststoffe unter etwa 10.000 mg/L zuverlässig; bei salzhaltigen Wässern wie Meerwasser, Brackwasser und Konzentrat mit hoher Rückgewinnung führt der LSI dagegen in die Irre, und der S&DSI wird verwendet. Die Logik beider Indizes ist dieselbe, aber der S&DSI berücksichtigt die Ionenstärke.

Der Unterschied liegt in der Korrektur der Ionenstärke. In stark salzhaltigen Wässern senkt die Dichte der gelösten Ionen die Aktivität der Calcium- und Carbonat-Ionen; das Wasser neigt also weniger zu Scaling, als der LSI anzeigt. Der S&DSI berücksichtigt diesen Effekt über einen Korrekturterm und liefert die tatsächliche Ausfällungsneigung. Wer bei der Umkehrosmose von Meerwasser nach dem LSI entscheidet, landet bei mehr Antiscalant als nötig oder bei unnötiger Säuredosierung.

Die Auswahlregel zwischen den beiden Indizes ist eindeutig. Liegen die gesamten gelösten Feststoffe auf der Konzentratseite unter 10.000 mg/L, wird der LSI verwendet, darüber der S&DSI. Der größte Teil der gewerblichen Umkehrosmoseanlagen mit Brunnen- und Leitungswasser als Quelle wird mit dem LSI projektiert; die Rückgewinnung von Meerwasser und stark salzhaltigem industriellem Abwasser wird dagegen mit dem S&DSI bewertet. Beide Indizes gelten nur für Calciumcarbonat; Sulfat- und Silica-Scaling werden getrennt über das Löslichkeitsprodukt geprüft.

Bei einem Indexwert ist neben dem Vorzeichen auch die Größe aussagekräftig. Ein LSI zwischen plus 0,5 und plus 1,5 ist eine mittlere Scaling-Neigung und lässt sich mit einem Standard-Phosphonat-Antiscalant problemlos beherrschen. Ein LSI zwischen plus 1,5 und plus 2,5 ist eine hohe Neigung; in diesem Bereich wird die Dosis ans obere Ende gelegt, und das Produkt wird speziell für Carbonat ausgewählt. Über plus 2,5 reicht Antiscalant allein oft nicht aus, und es kommen Säuredosierung oder eine Senkung der Rückgewinnung zum Einsatz. Für den S&DSI gilt eine ähnliche Schwellenwertlogik; lediglich die Zahlengrenzen unterscheiden sich wegen der Ionenstärke etwas. Deshalb bestimmt nicht nur, dass der Index positiv ausfällt, sondern auch, in welchem Bereich er liegt, die Entscheidung über Dosis und Verfahren.

Auf der Umkehrosmosemembran gibt es drei Haupttypen von Scaling: Calciumcarbonat (CaCO3), Calciumsulfat (CaSO4) und Silica (SiO2). Alle drei entstehen unter verschiedenen Bedingungen, wachsen unterschiedlich schnell und werden mit unterschiedlichen Verfahren gereinigt. Die Auswahl des Antiscalants setzt voraus, diese Unterschiede zu kennen, denn eine einzelne Chemikalie beherrscht nicht alle drei Scaling-Typen mit gleicher Wirksamkeit.

• Calciumcarbonat (CaCO3) – Entstehungsbedingung: hoher pH-Wert, hohe Alkalität und Calcium; es ist der häufigste Scaling-Typ. Kontrolle: wird über LSI/S&DSI überwacht und mit Phosphonat-Antiscalant und bei Bedarf mit Säuredosierung verhindert. Reinigung: löst sich mit einer sauren Spülung bei niedrigem pH-Wert und ist vergleichsweise einfach.
• Calciumsulfat-Scaling (CaSO4) – Entstehungsbedingung: hohe Calcium- und Sulfatkonzentration; besonders wenn die Säuredosierung mit Schwefelsäure erfolgt, steigt das Risiko, weil Sulfat hinzukommt. Kontrolle: wird über das Löslichkeitsprodukt überwacht; erforderlich ist ein speziell für Sulfat entwickeltes Antiscalant. Reinigung: hart und schwer löslich, widersteht der sauren Spülung.
• Silica (SiO2) – Entstehungsbedingung: Überschreitet die Kieselsäurekonzentration auf der Konzentratseite die Grenze von etwa 120-150 mg/L, polymerisiert sie und fällt aus. Kontrolle: spezielles Silica-Antiscalant, Temperaturerhöhung und Senkung der Rückgewinnung. Reinigung: das am schwersten lösliche Scaling; erfordert hohen pH-Wert und lange Kontaktzeit.
• Barium- und Strontiumsulfat – Entstehungsbedingung: Selbst eine Spur Barium fällt wegen der sehr niedrigen Löslichkeit schnell aus. Kontrolle: Antiscalant mit Sulfat-Inhibitor. Reinigung: in der Praxis nicht lösbar, Vorbeugung ist der einzige Weg.

Die praktische Schlussfolgerung aus dieser Aufstellung lautet: Welches Ion im Quellwasser überwiegt, bestimmt, welches Antiscalant gewählt wird. In Brunnenwässern überwiegen meist CaCO3 und Silica; im Meerwasser treten die Sulfate in den Vordergrund. Zu erkennen, mit welchem Scaling-Typ die Membran verstopft ist, bestimmt auch das Reinigungsverfahren; zu Ursachen und Diagnose der Membranverstopfung finden Sie Details in unserem ausführlichen Ratgeber. (Details: Warum verstopft eine RO-Membran? 10 Wege, die Membranlebensdauer zu verlängern)

Die Rückgewinnungsrate gibt an, wie viel Prozent des Rohwassers als Permeat gefiltert werden, und sie bestimmt die Antiscalant-Dosierung unmittelbar. Steigt die Rückgewinnung, trägt das auf der Konzentratseite verbleibende Wasser in geringerem Volumen mehr Salz; es wird also aufkonzentriert. Diese Aufkonzentrierung erhöht das Scaling-Risiko und damit die erforderliche Antiscalant-Menge. Rückgewinnung und Dosierung werden immer gemeinsam bewertet.

Der zahlenmäßige Ausdruck dieses Zusammenhangs ist der Konzentrationsfaktor. Konzentrationsfaktor gleich 1 geteilt durch (1 minus Rückgewinnungsrate). Bei 50 % Rückgewinnung ergibt sich der Faktor 1 geteilt durch (1 minus 0,5) gleich 2; das heißt, alle Salze auf der Konzentratseite liegen in doppelter Konzentration des Rohwassers vor. Bei 75 % Rückgewinnung beträgt der Faktor 4, bei 80 % beträgt er 5. Hat das Rohwasser eine Calciumhärte von 300 mg/L, erreicht dieser Wert auf der Konzentratseite bei 80 % Rückgewinnung 1500 mg/L.

Deshalb wirkt eine höhere Rückgewinnung doppelt. Weil mehr Wasser zurückgewonnen wird, steigt die Ausbeute, doch das Scaling-Risiko im Konzentrat wächst rasch. Der Sprung von 50 % auf 80 % hebt den Konzentrationsfaktor von 2 auf 5 und damit die treibende Kraft des Scalings auf das Zweieinhalbfache. Dieser Anstieg wird entweder durch eine höhere Antiscalant-Dosierung oder dadurch ausgeglichen, dass die Rückgewinnung auf einer vertretbaren Grenze gehalten wird. Die meisten gewerblichen Anlagen arbeiten einstufig im Bereich von 50-75 %.

Das klare Urteil lautet: Das Rückgewinnungsziel wird rückwärts aus dem berechneten LSI auf der Konzentratseite, dem Sulfat-Löslichkeitsprodukt und der Silica-Grenze bestimmt, nicht willkürlich gewählt. Beträgt das Silica im Quellwasser 30 mg/L und wird die Konzentratgrenze mit 130 mg/L angesetzt, liegt der zulässige Konzentrationsfaktor bei etwa 4,3 und die entsprechende maximale Rückgewinnung bei etwa 77 %. Silica ist in dieser Anlage das Ion, das die Rückgewinnung begrenzt; zur Logik der Membranauswahl finden Sie Details in unserem Ratgeber. (Details: Wie wählt man eine RO-Membran? Was ist der Unterschied zwischen 4040 und 8040?)

Die Antiscalant-Dosierung wird in ppm angegeben und typischerweise auf den Rohwasservolumenstrom bezogen im Bereich von 2-5 ppm festgelegt. Die Antwort auf die Frage, wie viel ppm Antiscalant es sein sollten, ist keine einzelne Zahl: Der genaue Wert hängt von der auf der Konzentratseite berechneten Scaling-Neigung und vom Dosierbereich ab, der auf dem Etikett der verwendeten Chemikalie angegeben ist. Bei Anlagen mit niedrigem LSI und niedriger Rückgewinnung genügen 2-3 ppm, bei Anlagen mit hoher Rückgewinnung und hohem Sulfatgehalt können 4-6 ppm erforderlich sein. Die Dosis wird als ppm des Rohwassers angegeben, nicht bezogen auf das Permeat.

Um die Dosis in ppm in die Einstellung der Dosierpumpe in l/h umzurechnen, müssen zunächst Rohwasservolumenstrom und Konzentration der Stammlösung bekannt sein. Die Beziehung lautet: Dosiervolumenstrom (l/h) gleich Rohwasservolumenstrom (l/h) mal Zieldosis (mg/L) geteilt durch Stammlösungskonzentration (mg/L). Wird das Antiscalant-Produkt unverdünnt, also als Konzentrat, dosiert, richtet sich die Stammlösungskonzentration nach Dichte und Reinheit des Produkts. In der Regel gibt das Produktetikett die Dosis auch direkt in ml/m³ an.

Rechnen wir ein Beispiel. Der Rohwasservolumenstrom betrage 2 m³/h, also 2000 l/h. Die Zieldosis sei 4 ppm, also 4 g/m³ gleich 8 Gramm/Stunde reines Antiscalant. Ist das Produkt zu etwa 100 % aktiv und hat eine Dichte von 1,2 kg/L, entsprechen 8 Gramm Produkt etwa 6,7 ml; die stündliche Dosierung beträgt dann 6,7 ml/h. Weil dieser Volumenstrom sehr klein ist, wird das Produkt meist auf das 10-Fache verdünnt: Mischt man 1 Liter Produkt mit 9 Litern Wasser, fördert die Dosierpumpe 67 ml/h, und die Einstellgenauigkeit steigt.

Die Entscheidung zur Verdünnung ist wichtig, weil sehr kleine Dosiervolumenströme unter den stabilen Arbeitsbereich der Pumpe fallen. Eine Dosierpumpe dosiert im Bereich von etwa 10 bis 100 % ihrer vollen Skala genau; unterhalb dieses Bereichs wird das Hubvolumen unregelmäßig. Statt einer Pumpe, die 6,7 ml/h fördern soll, ist eine verdünnte Lösung mit 67 ml/h sowohl stabiler als auch leichter einzustellen. Wird als Verdünnungswasser Permeat verwendet, verhindert das Scaling-Bildung im Lösungsbehälter.

Der Dosierbereich hat eine Unter- und eine Obergrenze. Unterhalb der Untergrenze kann Antiscalant nicht genügend Keime unwirksam machen, und das Scaling beginnt. Oberhalb der Obergrenze bildet eine Überdosierung, besonders bei Produkten auf Phosphonatbasis, eine Calciumphosphonat-Ablagerung und wird so selbst zur Scaling-Quelle; das nennt man Scaling durch Überdosierung. Deshalb wird die Dosis nicht blind erhöht, sondern innerhalb des vom Produkt empfohlenen Bereichs eingestellt.

Antiscalant wird vor den Membranmodulen mit einer Dosierpumpe kontinuierlich und proportional in die Rohwasserleitung eingespeist. Der richtige Einspeisepunkt ist die Niederdruckleitung nach der Vorfiltration und vor dem Saugstutzen der Hochdruckpumpe. Diese Position sorgt dafür, dass sich die Chemikalie gut mit dem Rohwasser vermischt, und garantiert, dass der Hochdruckpumpe gleichmäßig dosiertes Wasser zugeführt wird. Die Chemikalie gelangt immer vor der Membran ins Wasser.

Die Installationsreihenfolge besteht aus folgenden Elementen: Antiscalant-Vorratsbehälter, Saugsieb und Fußventil, Dosierpumpe, Pulsationsdämpfer, Dosierventil und Injektionsdüse am Mischpunkt. Die Injektionsdüse wird so montiert, dass sie die Chemikalie in die Mitte des Rohrquerschnitts abgibt; eine Einspeisung nahe der Rohrwand schwächt die Durchmischung und erzeugt lokale Überdosierung. Hinter dem Einspeisepunkt verbessern ein statischer Mischer oder eine gerade Rohrstrecke von mindestens 10 Rohrdurchmessern die Durchmischung.

Die Dosierpumpe muss proportional arbeiten. In Anlagen mit wechselndem Rohwasservolumenstrom wird die Pumpe über das Impulssignal eines Durchflussmessers proportional dosiert; in Anlagen mit konstantem Volumenstrom arbeitet die Pumpe mit konstantem Hub und konstanter Hubfrequenz. Eine nicht proportionale Dosierung bedeutet bei sinkendem Volumenstrom eine Überdosis und bei steigendem eine Unterdosis; beides verursacht Probleme. Damit die Speisepumpe der Umkehrosmose und die Dosierpumpe gleichzeitig anlaufen und gleichzeitig abschalten, wird eine elektrische Verriegelung ausgeführt.

Bei der Auswahl der Dosierpumpe werden Volumenstrom und Druck gemeinsam betrachtet. Die Pumpe muss den berechneten Dosiervolumenstrom im mittleren Bereich ihrer vollen Skala fördern und gegen einen höheren Druck als den der Speiseleitung fördern können; liegt der Druck in der Leitung am Einspeisepunkt bei 2-4 bar, muss die Pumpe mindestens diesen Druck überwinden. Membran-Dosierpumpen sind hierfür Standard. Zur Auswahllogik von Dosierpumpen und zur Abstimmung von Volumenstrom und Druck finden Sie Details in unserem Ratgeber. (Details: Was ist eine Dosierpumpe? Wo wird sie eingesetzt und wie wählt man sie aus?)

Ein Ausfall des Einspeisesystems verläuft meist unbemerkt. Wirkt die Pumpe, als ob sie läuft, fördert aber keine Chemikalie, tritt Antiscalant nicht in Aktion, und das Scaling beginnt unbemerkt. Lufteinschluss in der Saugleitung, eine verstopfte Injektionsdüse und ein leerer Vorratsbehälter sind die häufigsten Ursachen. Zur Diagnose des Problems, dass die Dosierpumpe läuft, aber keine Chemikalie fördert, lesen Sie dazu unseren eigenen Ratgeber. (Details: Wie wählt man eine Chlor-Dosierpumpe aus? Ratgeber für Schwimmbad und Wasseraufbereitung)

Antiscalant und Säuredosierung sind zwei Verfahren, die beide Calciumcarbonat-Scaling verhindern, aber auf unterschiedlichen Wegen wirken. Die Säuredosierung senkt durch Zugabe von Säure zum Wasser pH-Wert und Alkalität; so wird der LSI ins Negative gezogen und Calciumcarbonat bleibt gelöst. Antiscalant dagegen verzögert die Kristallbildung, ohne den pH-Wert anzutasten. Die Entscheidung richtet sich nach der Chemie des Quellwassers und der gewünschten Betriebssicherheit.

• Wirkmechanismus – Säuredosierung: senkt pH-Wert und Alkalität und zieht den LSI ins Negative; Antiscalant: verzögert die Kristallkeimbildung durch Schwellenwerthemmung
• Wirksam gegen Scaling – Säuredosierung: nur Calciumcarbonat; wirkungslos gegen Sulfat und Silica, erhöht bei Schwefelsäure das Sulfat; Antiscalant: Carbonat, Sulfat und teilweise Silica
• Betriebssicherheit – Säuredosierung: birgt das Risiko eines Vorrats an konzentrierter Säure und von Dosierfehlern; sinkt der pH-Wert, gerät die Membran in Gefahr von Korrosion und Hydrolyse; Antiscalant: Überdosierung nur begrenztes Risiko, großer Sicherheitszuschlag
• Kostenpositionen – Säuredosierung: günstige Chemikalie, erfordert aber pH-Regelung, Sensorik und Sicherheitsausrüstung; Antiscalant: hoher Stückpreis, aber einfache Installation und niedrige Dosierung
• Passt zu wem – Säuredosierung: große Anlagen mit hoher Alkalität, niedrigem Sulfatgehalt und Bedienpersonal; Antiscalant: gleichzeitig hohe Carbonat- und Sulfatwerte, Anlagen ohne Bediener oder kleine bis mittlere gewerbliche Anlagen

Das praktische Urteil ist eindeutig. In kleinen und mittleren gewerblichen Umkehrosmoseanlagen und in Installationen ohne Überwachung durch Bedienpersonal wird Antiscalant bevorzugt, weil das Risiko einer Überdosierung deutlich geringer ist als bei der Säuredosierung. Nur bei Wässern mit sehr hoher Alkalität und in Betrieben mit erfahrenem Betriebspersonal ist die Säuredosierung wirtschaftlich im Vorteil. In manchen Anlagen mit hohem LSI werden beide zusammen eingesetzt: Die Säure bringt den LSI auf ein vertretbares Niveau, das Antiscalant deckt das Restrisiko und das Sulfat-Silica-Scaling ab.

Gemeinsam ist beiden Verfahren eine proportionale und zuverlässige Dosierung. Ob Säure oder Antiscalant eingespeist wird, der stabile Betrieb der Dosierpumpe und die Überwachung des Vorratsbehälters sind Pflicht. Für Dosierchemikalien und Verbrauchsmaterial der Wasseraufbereitung sehen Sie sich die Chemikalienkategorie von Pomeka an. (Details: Chemikalien zur Wasseraufbereitung)

In einer Umkehrosmoseanlage ohne Antiscalant und mit positiver Scaling-Neigung überzieht sich die Membran im Zeitraum von Tagen bis Wochen mit Scaling, und ihre Leistung sinkt. Die Scaling-Schicht auf der Umkehrosmosemembran beginnt zuerst an den letzten Membranelementen, also dort, wo das Konzentrat am stärksten aufkonzentriert ist, und schreitet dann entlang der Linie fort. Das kann bis zu einem irreversiblen Membranschaden gehen.

Der Leistungsabfall hat drei messbare Anzeichen. Das erste ist der Rückgang des Permeatvolumenstroms bei gleichem Speisedruck; Scaling verkleinert die aktive Membranfläche. Das zweite ist der Anstieg des Druckverlusts zwischen den Membranen (Differenzdruck); Scaling verstopft den Strömungsquerschnitt. Das dritte ist der Anstieg des Salzdurchgangs, also der Leitfähigkeit des Permeats. Verschlechtert sich einer dieser drei Werte gegenüber dem Anfangswert um etwa 15 %, ist das ein Zeichen, dass es Zeit für eine Reinigung oder einen Eingriff ist.

Hat sich Scaling gebildet, ist die Lösung die chemische Reinigung (CIP). Calciumcarbonat wird mit einer sauren Lösung bei niedrigem pH-Wert gelöst; Sulfat und Silica sind deutlich schwieriger, und manchmal ist ein Membranwechsel erforderlich. Jeder Reinigungszyklus verkürzt die Lebensdauer der Membran und legt die Anlage still. Deshalb ist Antiscalant eine Art Absicherung, die Reinigungskosten und Stillstände verhindert. Ein richtig dosiertes Antiscalant verlängert das Membranwechselintervall auf eine Größenordnung von Jahren.

In einer Wasseraufbereitung einer gewerblichen Küche in Istanbul Kadıköy haben wir in einer Umkehrosmoseanlage, die mit Brunnenwasser mit einer Härte von etwa 32 °dH und 75 % Rückgewinnung arbeitete, beobachtet, dass sich der Differenzdruck innerhalb von drei Wochen verdoppelte, als die Antiscalant-Einspeisung ausfiel. Nachdem die Antiscalant-Dosierung auf 3,5 ppm eingestellt und die Injektionsdüse gereinigt worden war, kehrte die Anlage zum normalen Druckverlust zurück. Dieser Fall zeigt, dass Antiscalant mit einer kleinen Kostenposition einen großen Schaden verhindert.

Antiscalant und Wasserenthärtungsanlage sind in den meisten Umkehrosmoseanlagen alternative Lösungen; beide zusammen einzusetzen ist in der Regel überflüssig. Das Enthärtungsharz nimmt Calcium und Magnesium aus dem Wasser auf und tauscht sie gegen Natrium aus; ist die Härte weitgehend entfernt, entfällt das Risiko von Calciumcarbonat- und Sulfat-Scaling nahezu, und der Antiscalant-Bedarf sinkt. Diese beiden Verfahren lösen dasselbe Problem in zwei verschiedenen Größenordnungen.

Die Wahl richtet sich nach Volumenstrom und Härte. Bei kleinen Volumenströmen und sehr hartem Wasser ist die Vorenthärtung praktisch und günstig; das Harz entzieht die Härte, und die Umkehrosmose wird mit sauberem Wasser gespeist. In industriellen Anlagen mit hohem Volumenstrom werden Salzverbrauch und Kosten für das Regenerationswasser der Enthärtung sehr groß; in dieser Größenordnung ist Antiscalant wirtschaftlicher. Zu Funktionsweise und Auswahl der Wasserenthärtungsanlage finden Sie Details in unserem Ratgeber. (Details: Was ist eine Wasserenthärtungsanlage? Hilft sie wirklich gegen kalkhaltiges Wasser?)

Es gibt Sonderfälle, in denen beide zusammen eingesetzt werden. Bei einer Quelle, in der Silica überwiegt, entfernt die Enthärtung das Silica nicht; in diesem Fall nimmt die Enthärtung Sulfat und Carbonat auf, während das Silica mit einem speziellen Antiscalant beherrscht wird. Außerdem bietet Antiscalant ein Sicherheitsnetz in Momenten, in denen die Enthärtungsanlage bei der Regeneration Härte durchlässt. In einer Standardinstallation ist es jedoch sowohl in Bezug auf die Kosten als auch auf die betriebliche Komplexität überflüssig, beide zusammen einzusetzen; zuerst wird die Wasseranalyse betrachtet.

Die Vorbehandlungskette wird als Ganzes betrachtet. Antiscalant ersetzt keine gute Vorfiltration; Schwebstoffe und kolloidale Verschmutzung müssen mit separaten Filtern entfernt werden. Sandfilter, Aktivkohle und Kartuschenfilter schützen die Membran vor physikalischer Verschmutzung; Antiscalant verhindert dagegen chemisches Scaling. Das sind unterschiedliche Aufgaben, die sich gegenseitig ergänzen. Zur Auswahl der Filtrationsstufen finden Sie Details in unserem Ratgeber. (Details: Sandfilter oder Aktivkohlefilter? Was leistet welcher Filter in der Wasseraufbereitung?)

Die Antiscalant-Stammlösung wird angesetzt, indem das Produkt konzentriert oder mit Permeat verdünnt in einen Dosierbehälter gegeben und von dort mit der Pumpe eingespeist wird. Als Verdünnungswasser wird nicht hartes Leitungswasser, sondern möglichst Permeat oder enthärtetes Wasser verwendet; hartes Wasser kann im Behälter mit dem Antiscalant reagieren und eine Calciumablagerung bilden. Der Behälter muss geschlossen und vor Licht geschützt sein.

Das Verdünnungsverhältnis richtet sich sowohl nach der Dosiergenauigkeit als auch nach der Haltbarkeit der Lösung. Üblich ist eine Verdünnung des Produkts um das 5- bis 10-Fache; das sorgt dafür, dass die Dosierpumpe im stabilen Bereich arbeitet, und ermöglicht zugleich, einen Vorrat für mehrere Wochen anzusetzen. Stark verdünnte Lösungen sind anfällig für mikrobielles Wachstum und sollten nach dem Ansetzen innerhalb weniger Tage verbraucht werden. Der konzentrierte Vorrat dagegen hält über die vom Hersteller angegebene Haltbarkeit.

Bei der Lagerung gelten drei Regeln. Die erste ist der Frostschutz; viele Antiscalants frieren unter null Grad ein, und nach dem Auftauen lässt die Leistung mancher Produkte nach, deshalb wird die Lagertemperatur über 5 °C gehalten. Die zweite ist, verschiedene Chemikalien nicht im selben Behälter zu mischen; Antiscalant zusammen mit Chlor oder Säure in einen Behälter zu geben, kann Ablagerungen und Gas freisetzen. Die dritte ist die regelmäßige Überwachung des Behälterfüllstands; ein leerer Behälter lässt das Scaling unbemerkt beginnen.

Das Volumen des Dosierbehälters richtet sich nach Verbrauch und Nachfüllhäufigkeit. Beispiel: Eine Anlage, die mit 4 ppm Dosis 2 m³/h Rohwasser speist, verbraucht pro Stunde 8 Gramm und pro Tag etwa 192 Gramm reines Antiscalant. Bei einer um das Zehnfache verdünnten Lösung entspricht das etwa 1,6 Litern Lösung pro Tag; ein Behälter mit 50 Litern liefert Vorrat für etwa einen Monat. Das Behältervolumen nach dem wöchentlichen oder monatlichen Nachfüllziel zu wählen, verringert den Betriebsaufwand.

Die Auswahl von Antiscalant beruht auf einer vollständigen Analyse des Quellwassers; das Produkt wird nicht blind, sondern nach der aus den Analysewerten berechneten Scaling-Neigung bestimmt. Die in der Analyse betrachteten Hauptparameter sind die Konzentrationen der Scaling bildenden Ionen und die Werte, die das chemische Gleichgewicht des Wassers bestimmen. Ein mit unvollständiger Analyse ausgewähltes Antiscalant reicht entweder nicht aus oder verursacht unnötige Kosten.

• Calcium und Gesamthärte – in mg/L CaCO3 oder °dH; Haupttreiber des Calciumcarbonat- und Sulfat-Scalings
• Alkalität und pH-Wert – Eingangsgrößen für die LSI- und S&DSI-Berechnung; hohe Alkalität erhöht das Risiko von Carbonat-Scaling
• Sulfat, Barium, Strontium – bestimmen das Risiko von Sulfat-Scaling; schon eine Spur Barium bedeutet schnelle Ausfällung
• Silica (SiO2) – in mg/L; Konzentratgrenze etwa 120-150 mg/L, das Ion, das die Rückgewinnung am stärksten begrenzt
• Eisen und Mangan – in mg/L; verursachen bei Oxidation Membranverschmutzung und erfordern ein Antiscalant mit Dispergierwirkung
• Gesamtmenge gelöster Feststoffe (TDS) – in mg/L; entscheidet, ob über 10.000 mg/L der S&DSI und darunter der LSI verwendet wird
• Temperatur – in °C; verändert Löslichkeiten und Dosierbedarf im Jahresverlauf

Diese Parameter werden in die Projektierungssoftware des Membranherstellers eingegeben, und bei der Ziel-Rückgewinnung wird der Sättigungsgrad jedes Ions auf der Konzentratseite in Prozent berechnet. Die Software zeigt, welches Scaling an der Grenze liegt und welcher Antiscalant-Typ erforderlich ist. Die Analyse wird jahreszeitlich wiederholt, weil sich die Chemie von Brunnen- und Leitungswasser im Jahresverlauf ändert; Härte und Temperatur im Sommer können das Scaling-Risiko erhöhen.

Der in der Analyse am häufigsten ausgelassene Parameter sind Barium und Strontium. Auch wenn diese beiden Ionen im Rohwasser nur in Spuren vorkommen, zum Beispiel bei sehr niedrigen Werten wie 0,05 mg/L, fallen sie bei hoher Rückgewinnung rasch aus, weil ihre Löslichkeit um ein Vielfaches niedriger ist als die von Calciumsulfat. Ein Standard-Wasseranalysepaket enthält sie oft nicht; deshalb sollten bei einer sulfathaltigen Quelle Barium und Strontium zusätzlich angefordert werden. Ein weiterer kritischer Punkt ist die korrekte Probenahme: Die Probe muss das Labor erreichen, ohne dass sich Scaling bildet, und pH-Wert und Alkalität sollten möglichst vor Ort gemessen werden, denn in einer stehenden Probe verändern sich diese Werte durch das Entweichen von CO2, und die Indexberechnung führt in die Irre.

Eine richtige Analyse verhindert auch unnötige Kosten. Bei einer Quelle mit niedrigem Silica-Gehalt ein spezielles Silica-Antiscalant einzusetzen, ist Geldverschwendung; bei einer Quelle mit hohem Sulfatgehalt nur einen Carbonat-Inhibitor einzusetzen, kostet dagegen Membranen. Mit Ihrer Quellwasseranalyse und Ihrer Ziel-Rückgewinnung können wir den richtigen Antiscalant-Typ und die richtige Dosis gemeinsam bestimmen. Sie können sich unsere Produktgruppe Wasseraufbereitung ansehen. (Details: Wasseraufbereitung)

Die Antiscalant-Dosierung ist kein fester Wert; sie wird nach Wassertemperatur, jahreszeitlicher Veränderung der Quellchemie und Rohwasservolumenstrom angepasst. Weil die Löslichkeit von Calciumcarbonat mit der Temperatur abnimmt, steigt der LSI in den Sommermonaten, und es kann eine höhere Dosis erforderlich sein. Ändert sich der Volumenstrom, muss die Pumpe proportional dosieren, damit die Dosis als ppm des Rohwassers konstant bleibt.

Die Anpassung an den Volumenstrom erfolgt auf zwei Wegen. In Anlagen mit konstantem Volumenstrom wird die Pumpe auf konstantem Hub und konstanter Frequenz belassen; da sich der Volumenstrom ohnehin nicht ändert, bleibt die Dosis in ppm konstant. In Anlagen mit veränderlichem Volumenstrom wird die Dosierpumpe dagegen vom Impulssignal eines Durchflussmessers in der Rohwasserleitung angesteuert, und die Pumpe ändert ihre Hubfrequenz proportional zum Volumenstrom. So bleibt die Dosis in ppm auch dann erhalten, wenn der Volumenstrom auf die Hälfte sinkt.

Für die jahreszeitliche Anpassung wird der LSI an zwei Punkten berechnet: im kältesten und im wärmsten Monat. Ist die Differenz klein, wird das ganze Jahr über eine einzige Dosis verwendet; ist sie groß, wird für den Sommer eine höhere Dosis eingestellt. Beispiel: In einer Anlage mit einem Winter-LSI von plus 1,8 und einem Sommer-LSI von plus 2,4 genügen im Winter 3 ppm, im Sommer kann eine Erhöhung auf 4 ppm erforderlich werden. Diese Einstellung wird durch die Veränderung in der Konzentratanalyse bestätigt.

Dass die Dosis stimmt, wird durch die Beobachtung der Scaling-Indikatoren auf der Konzentratseite bestätigt. Differenzdruck, Permeatvolumenstrom und Permeatleitfähigkeit werden regelmäßig aufgezeichnet; sind diese Werte stabil, stimmt die Dosis. Verschlechtern sich die Werte, wird zuerst geprüft, ob das Dosiersystem arbeitet, danach wird die Dosis schrittweise erhöht. Statt die Dosis blind zu erhöhen, ist die messwertbasierte Einstellung sowohl hinsichtlich der Kosten als auch der Sicherheit der richtige Ansatz.

In Anlagen mit stark schwankendem Volumenstrom wird die Einstellung zweilagig aufgebaut. In der unteren Ebene ändert die Dosierpumpe über den Impuls vom Rohwasser-Durchflussmesser ihre Hubfrequenz proportional und hält die Dosis in ppm konstant. In der oberen Ebene aktualisiert der Bediener in bestimmten Abständen das Ziel-ppm, indem er die jahreszeitliche LSI-Veränderung beobachtet. Arbeiten beide Ebenen zusammen, werden sowohl momentane Volumenstromschwankungen als auch langsame jahreszeitliche Verschiebungen aufgefangen. Dieser Aufbau verhindert Überdosierung und Unterdosierung zugleich; die in jedem Messzeitraum aufgezeichneten Konzentratwerte gehen in die Dosisentscheidung des nächsten Zeitraums ein, und die Anlage pendelt sich mit der Zeit auf eine auf die eigene Quelle kalibrierte Dosiskennlinie ein.