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- 27.11.2018

Das Kalk-Kohlensäure-Gleichgewicht

In der Natur hängen viele Komponenten direkt voneinander ab, so wie Kalk und Kohlensäure im Wasser. © Pixabay / www.pixabay.com
In der Natur hängen viele Komponenten direkt voneinander ab, so wie Kalk und Kohlensäure im Wasser. © Pixabay / www.pixabay.com

Wie wichtig es ist, dass sich Kalk und Kohlensäure im Gleichgewicht befinden, zeigt sich meistens aber erst, wenn dieses Gleichgewicht gestört ist. Die Folge ist eine Übersäuerung des Bodens und des darin enthaltenen Wassers, was zu einem Waldsterben führen kann. Dieser Fall tritt meist in kalkarmen Regionen auf. Doch wie kommt die Säure in den Boden und damit ins Wasser?

In der Atmosphäre befinden sich neben Stickstoff und Sauerstoff auch Spurengase wie Kohlenstoffdioxid (CO2). Zusätzlich können Stickoxide und Schwefeldioxid in der Atmosphäre vorhanden sein. Diese Gase gelangen aufgrund industrieller Aktivitäten in die Luft, wenn industrielle Abgase unzureichend behandelt werden bzw. gar keine Abgasreinigung stattfindet. Stickoxide und Schwefeldioxid reagieren bei Kontakt mit dem Wasser in der Atmosphäre zu Salpetersäure und Schwefelsäure. Der pH-Wert des Regenwassers sinkt ab.

Ist Kalk, der hauptsächlich aus Calciumcarbonat besteht, im Boden, so wird die im Wasser vorhandene Säure „neutralisiert“, da der Kalk im Boden in Lösung geht und im Wasser anschließend als Bicarbonat vorliegt. Der pH-Wert des Bodens fällt damit nicht ins Saure und bleibt bei Werten, die das Leben von Pflanzen und Bäumen nicht beeinträchtigen.

 

Korrodierende Wirkung bei Kohlensäureüberschuss

Das chemische Gleichgewicht zwischen der Kohlensäure und dem gelösten Calciumcarbonat wird als „Kalk-Kohlensäure-Gleichgewicht“ bezeichnet. In der Hydrochemie gibt es unter anderem Aufschluss über den pH-Wert, die Wasserhärte und die Pufferkapazität des Wassers. Die Wahrung des Kalk-Kohlensäure-Gleichgewichts ist daher für die gute Qualität des Wassers von großer Bedeutung.

Ist zu wenig Kalk in den Boden- und Gesteinsschichten vorhanden oder ist die Kontaktzeit zwischen saurem Regen und Kalk zu gering, kann das Gleichgewicht nicht entstehen. Die Folge ist ein Säureüberschuss, d.h. ein Abfall des pH-Wertes, sodass beispielsweise Bäume absterben. Es kommt also zu dem eingangs erwähnten Waldsterben. Idealerweise liegt der pH-Wert des Bodens bei 7. Wenn saurer Regen auf eine kalkarme Region trifft, kann die Säure aber nicht ausreichend neutralisiert werden und der pH-Wert sinkt unter 7. Der stark übersäuerte Boden kann dann zu einem Absterben der Bäume führen.

Um dem entgegenzuwirken, versuchen betroffene Regionen kalkarmen Boden mit zusätzlich ausgebrachtem Kalk zu neutralisieren. So kann ein akutes Waldsterben zwar verhindert werden, eine langfristige Lösung ist dies jedoch nicht. Denn die Ursache des Problems liegt nicht im Boden, sondern in der Luft.

In welcher Konzentration atmosphärisches CO2 im Wasser vorhanden ist, lässt sich leicht bestimmen. Bei einem Kohlenstoffdioxidüberschuss verändert sich das Wasser, wenn es mit Werkstoffen wie Metall in Kontakt kommt. Es nimmt wegen seiner korrodierenden Wirkung Giftstoffe wie Kupfer, Blei und Nickel aus den Wertstoffen auf. Tritt dieser Fall ein, kann der Korrosionsvorgang durch ein Anheben des pH-Werts oder ein Absenken des CO2-Gehalts im Wasser meist gestoppt werden.

 

Einsatzgebiet: Trinkwasseraufbereitung

Das Kalk-Kohlensäure-Gleichgewicht spielt in der Trinkwasseraufbereitung eine große Rolle. Neben der Tatsache, dass laut der deutschen Trinkwasserverordnung kein korrosiv wirkendes Wasser an den Verbraucher weitergeleitet werden darf, wird das Gleichgewicht auch für die Kontrolle von Entsäuerungsprozessen im Trinkwasser genutzt. Entscheidend ist hier der pH-Wert, denn er gibt Aufschluss darüber, wie sehr die Kohlensäure zersetzt wird. Bei einem pH-Wert von beispielsweise 8 befindet sich eine hohe Konzentration Kalk im Wasser, bei einem niedrigem pH-Wert mehr Kohlensäure und freies CO2.

Der pH-Wert von Trinkwasser darf laut Verordnung zwischen 6,5 und 9,5 liegen. Für eine eventuell notwendige Entsäuerung werden bestimmte Filterverfahren verwendet. So lässt sich Kohlensäure in einer chemischen Entsäuerung neutralisieren, indem das Wasser in Filterbehältern mit granulierten Materialien aus Calciumcarbonat in Kontakt gebracht wird.  Diese Filtermethode ist die einzige, bei der keine „Überentsäuerung“, also Übersättigung von Calciumcarbonat, stattfinden kann.

Quellen:
https://tu-dresden.de/bu/umwelt/hydro/ifw/ressourcen/dateien/lehre/praktikum-hydrochemie/info-entsaeuerung.pdf?lang=de
http://www.tzw.de/de/abteilungen/technologie/kalk-kohlensaeure-gleichgewich-505/
http://www.waterquality.de/hydrobio.hw/2CHEM.HTM
http://www.trinkwasserspezi.de/entsauer.htm
http://www.trinkwasserspezi.de/Kohlensaure.pdf
- 27.11.2018

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