Vergleich der Vor- und Nachteile der Verwendung von Natriumcarbonat oder Natriumhydroxid zur pH-Wert-Einstellung für Kesselspeisewasser

1. Kesselspeisewasser zur Einstellung des pH-Werts aus diesem Grund

Heutzutage verwenden die meisten Kessel in China Umkehrosmose-entmineralisiertes Wasser oder Natriumionenaustauscher-enthärtetes Wasser. Der pH-Wert beider Wassertypen ist meist niedrig und sauer. Der pH-Wert von Umkehrosmose-entmineralisiertem Wasser liegt in der Regel zwischen 5 und 6, der von Natriumionenaustauscher-enthärtetem Wasser zwischen 5,5 und 7,5. Um die Korrosion von Kesseln und Rohrleitungen durch das saure Wasser zu verhindern, muss der pH-Wert des Kesselwassers gemäß der nationalen Norm BG/T1576-2008 angepasst werden. Diese Norm schreibt einen pH-Wert zwischen 7 und 9 für das Kesselwasser und einen pH-Wert zwischen 8 und 9,5 für das demineralisierte Wasser vor.

2. Das Grundprinzip der Zugabe von Natriumcarbonat zum Kesselspeisewasser zur Einstellung des pH-Werts

Natriumcarbonat, auch bekannt als Soda, Sodaasche oder Waschlauge, zählt zu den Salzen und ist keine Lauge. Seine chemische Formel lautet Na₂CO₃. Normalerweise liegt es als weißes Pulver oder feines Salz vor. Das Grundprinzip der Zugabe von Natriumcarbonat zum Kesselspeisewasser zur pH-Wert-Einstellung beruht darauf, dass sich Natriumcarbonat in Wasser löst und alkalisch wirkt. Dadurch kann es das Kohlendioxid im sauren Speisewasser neutralisieren und die Korrosion von Kessel und Rohrleitungen durch saures Enthärtungswasser oder Salzwasser verhindern. Natriumcarbonat ist ein schwacher Elektrolyt. In Wasser gelöst bildet es eine Pufferlösung aus Natriumcarbonat und Natriumhydrogencarbonat. In dieser Lösung herrscht ein Elektrolytgleichgewicht. Durch den Verbrauch von Elektrolythydroxid verschiebt sich das Gleichgewicht nach rechts, sodass sich der pH-Wert der Reaktion nur geringfügig ändert.

Primärhydrolyseprozess von Natriumcarbonat:

Natriumcarbonat (Na₂CO₃) + Wasser (H₂O) = Natriumhydrogencarbonat (NaHCO₃) + Natriumhydroxid (NaOH)

Sekundärhydrolyseprozess von Natriumcarbonat:

Natriumhydrogencarbonat (NaHCO₃) + Wasser (H₂O) = Kohlensäure (H₂CO₃) + Natriumhydroxid (NaOH)

Primäre Hydrolysegleichung für Natriumcarbonat:

(CO3) 2-Kohlensäure + H2O Wasser = HCO3- Bicarbonat + OH- Hydroxid

Sekundäre Hydrolysegleichung für Natriumcarbonat:

HCO₃⁻ Bicarbonat + H₂O Wasser = H₂CO₃ Kohlensäure + OH⁻ Hydroxid

3. Das Grundprinzip der Zugabe von Natriumhydroxid zum Kesselwasser zur Einstellung des pH-Werts

Natriumhydroxid wird auch Ätznatron genannt, meist weiße Flocken, chemische Formel NaOH, Natriumhydroxid ist stark alkalisch und extrem ätzend.

Ionisationsgleichung für Natriumhydroxid: NaOH=Na++OH-

Durch die Zugabe von Natriumhydroxid zum Kesselwasser kann der Schutzfilm auf der Metalloberfläche stabilisiert, der pH-Wert des Kesselspeisewassers und des Ofenwassers verbessert und somit die Korrosion des Kessels und der Rohrleitungen durch saures enthärtetes oder demineralisiertes Wasser verhindert und die Metallausrüstung vor Korrosion geschützt werden.

4. Die Vor- und Nachteile der Verwendung von Natriumcarbonat oder Natriumhydroxid zur pH-Wert-Einstellung des Kesselspeisewassers werden verglichen.

4.1 Die Geschwindigkeit, mit der der pH-Wert des Kesselspeisewassers mit Natriumcarbonat und Natriumhydroxid erhöht wird, und die Zeit, die der Nutzungseffekt anhält, sind unterschiedlich.

Die Zugabe von Natriumcarbonat zum Kesselwasser zur pH-Wert-Erhöhung verläuft langsamer als die von Natriumhydroxid. Da Natriumcarbonat eine Pufferlösung bildet, weist der pH-Wert geringe Schwankungen auf, ist relativ stabil und lässt sich leicht einstellen. Der Einstellbereich ist jedoch begrenzt. Um denselben pH-Wert zu erreichen, wird daher mehr Natriumcarbonat als Natriumhydroxid benötigt. Die Wirkung hält lange an, und der pH-Wert des Wassers sinkt nicht so leicht.

Natriumhydroxid ist eine starke Base und ein starker Elektrolyt. Aufgrund seiner hohen Flüchtigkeit lässt es sich leicht zur pH-Wert-Einstellung verwenden. Nach Zugabe von Wasser steigt der pH-Wert von Natriumhydroxid schnell an, wodurch die pH-Wert-Einstellung schneller und direkter erfolgt. Allerdings ist auch eine Überdosierung riskant; im Vergleich zu Natriumcarbonat benötigt man deutlich weniger, um den gewünschten pH-Wert zu erreichen. Das heißt, obwohl der pH-Wert durch Natriumhydroxid ansteigt, ist die zugegebene Menge an Natriumhydroxid gering, da die Fähigkeit des Wassers, die Säure der Hydroxidgruppen zu neutralisieren, nicht wesentlich zunimmt und der pH-Wert schnell wieder sinkt.

4.2 Der Schaden, der durch übermäßige Zugabe von Natriumcarbonat und Natriumhydroxid zur Erhöhung des pH-Werts des Kesselspeisewassers entsteht, ist unterschiedlich.

Eine zu hohe Zugabe von Natriumcarbonat zum Kesselwasser zur pH-Wert-Einstellung erhöht den Salzgehalt und die Leitfähigkeit des Kesselwassers. Dadurch erhöht sich der Anteil an Bicarbonat-Ionen im Kesselwasser, die sich beim Erhitzen leicht in Kohlendioxid zersetzen. Dieses CO₂ gelangt mit dem Dampf in den Wärmetauscher und das Kondensat. Natriumcarbonat kann den pH-Wert von Dampf und Kondensat nicht nur nicht einstellen, sondern senkt ihn sogar, was zu Korrosion im Wärmetauscher und in der Kondensatleitung führt. Dies ist der Grund, warum die Eisenionenkonzentration im Kondensat die zulässige gelbe oder rote Färbung überschreitet.

Wird dem Ofenwasser zur pH-Wert-Einstellung zu viel Natriumhydroxid zugesetzt, steigt der pH-Wert des Kesselwassers zu stark an, und es bilden sich Wasser und Soda. Die Natriumhydroxidmenge ist schwer zu kontrollieren, und überschüssiges freies NaOH führt zu einer hohen relativen Alkalität. Alkaliversprödung kann zudem Korrosion an den Anlagen verursachen. Der Autor hat bei einem Anwender einen stark beschädigten, glasfaserverstärkten Kunststoff-Entsalzungsbehälter gesehen, der durch die Verwendung von Natriumhydroxid zur pH-Wert-Regulierung korrodiert und perforiert war. Natriumhydroxid eignet sich nicht zur pH-Wert-Einstellung von Dampf und Dampfkondenswasser und kann die Korrosion der Anlagen und Rohrleitungen im Dampf- und Dampfkondenswassersystem nicht verhindern.

4.3 Die Sicherheit von Natriumcarbonat und Natriumhydroxid, die im Kesselspeisewasser zur Erhöhung des pH-Werts verwendet werden, ist unterschiedlich.

Natriumcarbonat ist relativ mild, gehört zu den lebensmittelgeeigneten Stoffen, reizt die Haut nur geringfügig, ist leicht korrosiv und kann normalerweise mit den Händen berührt werden; bei längerem Kontakt sollten jedoch Handschuhe getragen werden.

Natriumhydroxid ist ein gefährlicher, ätzender Stoff. Spritzer seiner Lösung oder seines Staubs auf die Haut, insbesondere auf die Schleimhäute, können weiche Krusten verursachen und in tiefere Gewebeschichten eindringen. Es kann zu Verbrennungen mit Narbenbildung kommen. Gelangt Natriumhydroxid ins Auge, schädigt es nicht nur die Hornhaut, sondern auch das tieferliegende Augengewebe. Daher muss der Anwender eine neutrale und wasserabweisende Salbe auf die Haut auftragen und Arbeitskleidung, Atemschutzmaske, Schutzbrille, Gummihandschuhe, Gummischürze, Gummistiefel und weitere Schutzausrüstung tragen, um einen ausreichenden persönlichen Schutz zu gewährleisten.

Anwendungsbeispiele und Tests zeigen: Die abwechselnde oder gemischte Verwendung von Natriumhydroxid und Natriumcarbonat ist wirtschaftlicher und wirksamer als die alleinige Verwendung eines pH-Regulators. Bei zu niedrigem pH-Wert des Kesselspeisewassers kann Natriumhydroxid bedarfsgerecht zugegeben werden, um den pH-Wert schnell zu erhöhen. Nach vollständiger Auflösung des Natriumhydroxids kann Natriumcarbonat hinzugefügt werden, um den Carbonatgehalt im Wasser zu erhöhen. Dies kann den Abfall des pH-Werts im Speisewasser abmildern. Da Natriumcarbonat in größeren Mengen zugegeben werden kann, ist seine Fähigkeit, den Carbonatgehalt im Wasser zu halten, höher. Daher wird Natriumcarbonat üblicherweise zur pH-Wert-Regulierung von Speisewasser und Kesselwasser verwendet. Nur bei zu niedrigem pH-Wert empfiehlt der Autor die Verwendung von Natriumhydroxid zur schnellen pH-Wert-Erhöhung. Die abwechselnde Verwendung beider Regulatoren ist wirtschaftlich und effektiv.