Aufbereitung von Prozess- und Speisewasser durch Entsalzung

Bei der klassischen Enthärtung werden lediglich die Härtebildner Calcium und Magnesium gegen Natriumionen ausgetauscht. Der Gesamtsalzgehalt bleibt dabei nahezu unverändert.
Die Entkarbonisierung führt dagegen zu einer echten Teilentsalzung des Wassers. Dabei werden die Hydrogenkarbonatsalze (Karbonathärte) von Calcium und Magnesium gezielt entfernt. Das Verfahren arbeitet mit drei Schritten: 

Kationenaustausch ⇒ Bildung von Kohlensäure ⇒ Entgasung

Kationenaustausch:
Die Teilentsalzung erfolgt mittels eines schwach-sauren Kationenaustauscherharzes, das mit Wasserstoffionen (H⁺) beladen ist. Dieses Harz bindet die Erdalkali-Ionen (Ca²⁺, Mg²⁺) der Karbonathärte und gibt im Gegenzug H⁺-Ionen an das Wasser ab.

Bildung von Kohlensäure:
Die freigesetzten H⁺-Ionen reagieren mit den im Wasser gelösten Hydrogenkarbonat-Ionen (HCO₃^-) zu Kohlensäure (H₂CO₃). Diese dissoziiert anschließend in Wasser (H₂O) und gelöstes Kohlendioxid (CO₂).

Entgasung:
Das entstandene, gelöste Kohlenstoffdioxid wird in einem nachgeschalteten Riesler (Kohlensäureentgaser) mechanisch aus dem Wasser ausgetrieben.

Hinweise:
Aufgrund ihrer hohen Wirtschaftlichkeit bei karbonatharten Wässern wird die Entkarbonisierung häufig einer Enthärtungsanlage, Umkehrosmose oder Vollentsalzungsanlage vorgeschaltet. Dadurch lassen sich Chemikalienverbrauch und Betriebskosten deutlich reduzieren.

Die Regeneration des erschöpften Harzes erfolgt wirtschaftlich und vorzugsweise mit Salzsäure (HCl).

Bei der Vollentsalzung werden nahezu sämtliche im Wasser gelösten Salze (Kationen und Anionen) entfernt. Dies geschieht durch die Kombination von Kationen- und Anionenaustauschern.

1. Stufe: Kationenaustausch
In der ersten Entsalzungsstufe wird das Rohwasser über einen stark sauren Kationenaustauscher geleitet. Dabei werden sämtliche Kationen (z. B. Na⁺, Ca²⁺, Mg²⁺) gegen Wasserstoffionen (H⁺) ausgetauscht.
Die Konzentration der Anionen bleibt unverändert. Dadurch entsteht ein stark saures Wasser, da sich die Anionen mit den H⁺-Ionen zu Mineralsäuren wie Salzsäure (HCl), Salpetersäure (HNO₃) und Schwefelsäure (H₂SO₄) sowie Kohlensäure (H₂CO₃) verbinden.
Die Regeneration des erschöpften Kationenaustauschers erfolgt vorzugsweise mit Salzsäure (HCl).

2. Stufe Anionenaustausch
Der saure Ablauf aus der ersten Stufe wird anschließend über einen Anionenaustauscher geführt. Dabei werden die Säure-Restionen gegen Hydroxidionen (OH^-) ausgetauscht. Der eingesetzte Harztyp bestimmt die erreichbare Wasserqualität.

- Variante A: Schwachbasischer Anionenaustauscher
Schwachbasische Harze entfernen die Anionen starker Mineralsäuren wie Chlorid, Sulfat und Nitrat. Schwache Säuren wie Kieselsäure (SiO₂) und Kohlensäure werden von diesem Harztyp nicht gebunden.

- Variante B: Starkbasischer Anionenaustauscher
Starkbasische Harze entfernen neben den Anionen starker Mineralsäuren auch schwache Säuren. Dadurch wird dem Wasser auch die für Hochdruckkessel und Turbinen kritische Kieselsäure (SiO₂) entzogen.

Die Wasserstoffionen (H⁺) aus der ersten Stufe und die Hydroxidionen (OH^-) aus der zweiten Stufe reagieren zu Wasser (H₂O). Es entsteht vollentsalztes Wasser (Deionat).

Die Regeneration der Anionenaustauscher erfolgt mit starken Basen, üblicherweise mit Natronlauge (NaOH).

Optimierung in der Praxis
Beim Einsatz eines starkbasischen Anionenaustauschers entsteht im Kationenaustauscher Kohlensäure (H₂CO₃), die im Gleichgewicht mit gelöstem Kohlendioxid (CO₂) steht. Um den Verbrauch an Natronlauge zu reduzieren und die Standzeit des Anionenaustauschers zu erhöhen, wird zwischen Kationen- und Anionenaustauscher häufig ein Kohlensäureentgaser (CO₂-Riesler) angeordnet. Dieser entfernt das freie Kohlendioxid physikalisch aus dem Wasser, bevor es den Anionenaustauscher unnötig belastet.