Scaling (auf Deutsch: Ablagerungen oder Verkalkungen) bezeichnet die Bildung von festen, kristallinen Ablagerungen auf Oberflächen, die mit Wasser in Kontakt stehen. Diese Ablagerungen entstehen durch die Übersättigung bestimmter gelöster Salze im Wasser, die unter spezifischen thermodynamischen Bedingungen ausfallen. Scaling ist ein häufiges Problem in industriellen Anlagen wie Wärmetauschern, Rohrleitungen, Kühltürmen, Kesseln und Membransystemen und kann die Effizienz und Lebensdauer dieser Systeme erheblich beeinträchtigen.

Ursachen von Scaling

Die Hauptursache von Scaling ist die Übersättigung von Salzen im Wasser, die zu deren Kristallisation führt. Folgende Faktoren tragen zur Scalingbildung bei:

Chemische Zusammensetzung des Wassers

• Härtebildner:
  • Calcium- und Magnesiumionen sind die Hauptverursacher von Scaling.
  • Beispiele: Calciumcarbonat (CaCO₃), Calciumsulfat (CaSO₄).
• Weitere scalingverursachende Stoffe:
  • Silikate: Bildung von Kieselsäureablagerungen (SiO₂).
  • Barium- und Strontiumverbindungen: Bariumsulfat (BaSO₄) und Strontiumsulfat (SrSO₄).

Temperatur

• Mit steigender Temperatur nimmt die Löslichkeit vieler Salze (z. B. Calciumcarbonat) ab. Dies führt in wärmeintensiven Prozessen wie in Kesseln oder Wärmetauschern zur Ausfällung von Salzen.

pH-Wert

• Ein Anstieg des pH-Werts erhöht die Bildung von Calciumcarbonat, da mehr Carbonationen verfügbar sind.

Druck

• In Hochdrucksystemen, wie z. B. Umkehrosmoseanlagen, kann die erhöhte Konzentration an Salzen durch Druckeinwirkung zu einer Übersättigung und damit zu Scaling führen.

Verdunstung

• In Kühltürmen und geschlossenen Kreisläufen erhöht die Verdunstung den Salzgehalt im Wasser, was die Übersättigung begünstigt.

Auswirkungen von Scaling

Scaling hat gravierende Auswirkungen auf den Betrieb und die Effizienz von Anlagen:

Wärmeübertragung

• Ablagerungen in Wärmetauschern und Kesseln wirken als Isolatoren, was den Wärmeübergang verschlechtert und den Energieverbrauch erhöht.

Hydraulik

• Scaling reduziert den Querschnitt von Rohrleitungen und Kanälen, was den Druckverlust erhöht und die Durchflusskapazität verringert.

Schäden an Anlagen

• Harte Ablagerungen können Korrosion fördern, indem sie lokale Konzentrationszellen schaffen.
• Scaling kann Membranen in Umkehrosmoseanlagen verstopfen und irreversibel beschädigen.

Wartungsaufwand und Kosten

• Regelmäßige Reinigung und Entkalkung führen zu erhöhten Betriebskosten und längeren Stillstandszeiten.

Erkennung und Überwachung von Scaling

1. Visuelle Inspektion:

   • Erkennung von Ablagerungen in Rohrleitungen oder Wärmetauschern durch Sichtkontrolle.

2. Analyse der Wasserchemie:

   • Bestimmung der Härte (Calcium- und Magnesiumkonzentration) und anderer scalingrelevanter Ionen (z. B. Sulfate, Silikate).
   • Messung des pH-Werts und der Alkalinität.

3. Indizes zur Skalierungsbewertung:

   • Langelier-Sättigungsindex (LSI):
     • Gibt an, ob Wasser zur Scalingbildung neigt.
     • Positive Werte deuten auf Scalingneigung hin.
   • Ryznar-Stabilitätsindex (RSI):
     • Bewertet die Stabilität von Calciumcarbonat im Wasser.

4. Online-Monitoring:

   • Einsatz von Leitfähigkeits-, Trübungsmessgeräten oder Ionensensoren zur Echtzeitüberwachung.

Vermeidung und Kontrolle von Scaling

1. Wasseraufbereitung

Enthärtung

Eine der grundlegendsten Maßnahmen zur Vermeidung von Scaling ist die Entfernung von Härtebildnern (Calcium- und Magnesiumionen) aus dem Wasser.

• Ionenaustauschverfahren:

  • Härtebildner werden durch Ionenaustauscherharze entfernt und gegen Natriumionen ausgetauscht.
  • Vorteil: Effektive Reduktion von Calcium- und Magnesiumionen, die Scaling verursachen.
  • Anwendungsbereich: Kühlwassersysteme, Kesselanlagen und Prozesswasserkreisläufe.

• Kalk-Soda-Verfahren:

  • Zugabe von Kalkmilch (Ca(OH)₂) und Natriumbicarbonat (NaHCO₃) zur Fällung von Calcium- und Magnesiumcarbonaten.
  • Vorteil: Besonders geeignet für große Wassermengen, wie sie in der Flusswasseraufbereitung vorkommen.

Membranverfahren

Membranverfahren wie Nanofiltration (NF) und Umkehrosmose (RO) sind hocheffiziente Technologien zur Entfernung von scaling verursachenden Salzen.

• • Nanofiltration (NF):

    • Entfernung von zweiwertigen Ionen wie Calcium und Magnesium, die Hauptursachen für Scaling sind.
    • Typische Anwendung: Vorbehandlung von Prozesswasser für Kühl- oder Kesselkreisläufe.

  • Umkehrosmose (RO):

    • Entfernt nahezu alle gelösten Salze, einschließlich schwer löslicher Verbindungen wie Calciumsulfat (CaSO₄).
    • Herausforderung: Membranen sind besonders anfällig für Scaling und erfordern den Einsatz von Antiscalants wie ALMA AQUA Mem.