Heizungswasser im Labor prüfen

Aluminium ist das Metall mit dem häufigsten Vorkommen auf der Erde. Aluminium löst sich in natürlichem und saurem Wasser als positiv geladenes Ion (Kation) insbesondere als Al3+ und kommt in neutralen oder alkalischen Bedingen meist als Aluminiumhydroxid Al(OH4)- vor. Im Trinkwasser spielt Aluminium keine Rolle von Bedeutung, ist meist nur in Spuren vorzufinden und hat nach der deutschen Trinkwasserverordnung eine Mengenbegrenzung von 0,2 mg/. Übermäßiger Konsum von Aluminium wird in Zusammenhang mit mit der Alzheimer-Krankheit gebracht, wissenschaftliche Belege fehlen derzeit noch.

Bei der Verwendung in der Heizung bildet Aluminiummetall durch Reaktion mit Sauerstoff an seiner Oberfläche schnell eine Deckschicht aus Aluminiumoxid, welche das Metall vor einer weiteren Reaktion mit Wasser schützt. Bei einer Schädigung der Deckschicht, beispielsweise durch einen alkalischen pH-Wert, durch Erosion oder andere Reaktionen gelangen einerseit die unlöslichen Aluminiumverbindungen, wie Aluminiumoxid und Aluminiumhydroxid ins Waser, andererseits können in Folge Inhaltsstoffe aus dem Wasser mit dem Aluminiummetall reagieren, wodurch sich Aluminium im Wasser löst und durch eine Heizungswasseranalyse nachweisbar wird.

Wenn in der Heizung ein Aluminiumbauteil vorhanden ist und gelöstes Aluminium nachgewiesen werden kann, ist dies ein Zeichen für Korrosionsvorgänge an Aluminiummetall.

Die Carbonathärte, auch Karbonathärte, wird nach ursprünglichen Vorstellungen durch die gebundene Kohlensäure ausgemacht, die gewöhnlich an Calcium und Magnesiun in Form von Hydrogencarbonat gebunden ist. Diese Vorstellung lässt jedoch außer Acht, dass Kohlensäure auch an Natrium gebunden sein kann. Dies ist besonders bei enthärtetem Wasser, in kohlensäurefreien Oberflächenwässern oder in wärmeren Ländern der Fall.

Der Begriff der Karbonathärte (Carbonathärte) wird insbesondere in Deutschland verwendet und hat International keine Bedeutung. Nach aktuellem Stand des Buches "Wasser - Nutzung und Kreislauf - Karl Höll" lebt der Begriff der Carbonathärte in Deutschland weiter fort, jedoch als Synonym für die Säurekapazität des Wassers bis pH 4,3 (m-Wert).

Chlorid ist ein negativ geladenes Ion (Anion) welches hauptsächlich durch Auswaschung aus Mineralgestein im Boden oder durch Trinkwasseraufbereitung in das Wasser gelangt. Zusammen mit Natrium kommt Chlorid als Kochsalz (NaCl) in fast allen Lebensmitteln und auch im Wasser vor. Chlorid gilt unter Korrosiongesichtspunkten als kritisches Salz, da es bei Lochfraßkorrosion an Kupfer und sogar an Edelstahl maßgeblich beteiligt ist. Im Heizungswasser wird daher eine geringe Chloridkonzentration von <50 mg/l angestrebt.

Die Konzentration an gelöstem Eisen ist im Trinkwasser und somit im Füllwasser für Heizungsanlagen sehr gering und durch die Trinkwasserverordnung auf einen geringen Wert von 0,2 mg/l beschränkt. Gemäß gängigen Richtlinien zum Betrieb von Heizungsanlagen sollte das Heizungswasser einen Wert von <0,1 mg/l aufweisen.

Im Heizungswasser kann sich eine höhere Konzentration an Eisen nur durch Korrosionsaktivitäten bilden. Gelöstes Eisen kann bei ausreichender Konzentration und Belüftung zu FeOOH (Eisen-Oxid-Hydroxid) oxidiert und dehydriert werden. Im Rahmen der Heizungswasseranalyse dient verfärbtes Wasser und das Vorkommen an gelösten Eisen-Ionen als Indiz für Korrosion an Eisenwerkstoffen.

Die elektrische Leitfähigkeit von Wasser ist ein Wert dafür, wie gut das Wasser elektrischen Strom leiten kann. Neutrales Wasser ohne gelöste Salze ist nur ein sehr schlechter elektrischer Leiter. Salzhaltiges Wasser, wie zum Beispiel Mineralwasser, leitet elektrischen Strom sehr gut. Der Wert der elektrischen Leitfähigkeit des Wasser ist der Kehrwert des ohmschen Widerstands.

Je mehr gelöste Salze im Wasser vorhanden sind, umso höher ist die elektrische Leitfähigkeit. Jedoch steigt die Leitfähigkeit des Wassers nicht linear mit zunehmendem Salzgehalt, sondern in Abhängigkeit vom Typ der sich im Wasser lösenden Salze, beeinflusst über deren spezifischen Äquivalentleitfähigkeit.

Über die elektrische Leitfähigkeit kann eine Aussage darüber getroffen werden, wie schnell Korrosionsvorgänge ablaufen können. Unter dem Gesichtspunkt eines Korrosionsschutzes der Metalle in der Heizung ohne Chemikalieneinsatz sollte eine möglichst geringe Leitfähigkeit angestrebt werden.

Wir empfehlen unabhängig von Systemkonfigurationen und Richtlinienanforderungen eine elektrische Leitfähigkeit <200 µS/cm. Generell fördert bzw. beschleunigt eine hohe elektrische Leitfähigkeit des Heizungswassers Korrosionsvorgänge, insbesondere bei Anwesenheit gelösten Sauerstoffs. Nach der Richtlinie SWKI muss ein Wasser mit einer Leitfähigkeit von mehr als 500 µS/cm als systemgefährdend bezeichnet werden. Entsprechend der Richtlinie VDI 2035 kann eine Leitfähigkeit von >100 µS/cm nur toleriert werden, wenn eine sehr geringe Sauerstoffkonzentration (<0,02 mg/l) vorliegt. Chemische Inhibitoren, pH-Wert Stabilisatoren und andere Dosiermittel erhöhen die Leitfähigkeit. Ein Leitwert von über 1.000 µS/cm gilt nach heutiger Auffassung aber auch unter Einsatz von Inhibitoren als Risiko, besonders wenn diese nicht korrekt dosiert sind.

Frostschutz im Wasser dient dazu, den Gefrierpunkt des Wassers herabzusetzen. Der Gefrierpunkt natürlichen Wassers liegt bei 1 bar Umgebungsdruck bei 0°C. In Heizungsanlagen die über längere Zeiträume nicht in Betrieb sind, wie zum Beispiel in Ferienhäusern, wird oftmals ein erniedrigter Gefrierpunkt im Wasser benötigt, damit die Leitungen nicht einfrieren und keinen Schaden nehmen. Eine Herabsetzung des Gefrierpunktes wird durch im Wasser gelöste Stoffe hervorgerufen. Meerwasser mit 0,5 mol/l NaCl (gelöstem Kochsalz) hat bereits einen um 1,8°C erniedrigten Gefrierpunkt (Höll - Wasser - de Gruyter Verlag).

In Heizungsanlagen und anderen wasserführenden Kreisläufen wird der Frostschutz durch Mischen des Wassers mit glykolhaltigen Flüssigkeiten herbeigeführt. Je nach Bedarf wird meist eine Absenkung des Gefrierpunktes auf -20°C und mehr durch Mischen des Wassers mit dem Frostschutzmittel eingestellt.

Die Gesamthärte eines Wassers wird durch die Menge an Calcium und Magnesium bestimmt. Dabei wird die Gesamthärte weitläufig in die Carbonathärte, auch temporäre Härte, und die Nicht-Carbonathärte, auch permanente Härte, unterteilt.

Wenn die Gesamthärte in temporäre Härte und permanente Härte unterteilt betrachtet, so wird die temporäre Härte durch den Anteil von Calcium und Magnesium bestimmt, welcher an Hydrogencarbonat (gelöste Kohlensäure) gebunden ist. Die permanente Härte ist der Anteil von Calcium und Magnesium, welcher hingegen an Salze, wie Chloride, Sulfate oder Nitrate, gebunden ist.

Wird ein Wasser auf über 50°C erhitzt, so wird das Löslichkeitsvermögen von Gasen im Wasser herabgesetzt. Das Hydrogencarbonat zerfällt in Kohlendioxid und das Carbonat-Ion, welches zusammen mit Calcium als sichbarer Kalkstein zurückbleibt. Aufgrund der sehr guten Löslichkeit des Magnesiumcarbonat in Wasser ist dieses nur in sehr geringem Maße an diesem Vorgang beteiligt.

Die Gesamthärte des Heizungswassers gibt grundsätzlich Auskunft darüber, ob Schäden durch Steinbildung (Kalkstein) zu erwarten sind. Analog zur elektrischen Leitfähigkeit sollte sich auch die Gesamthärte des Anlagenwassers in einem niedrigen Niveau befinden. Nur so können Schäden durch Steinbildung in Heizungsanlagen vorgebeugt werden.

Unter Hydrogencarbonat werden die Salze der Kohlensäure verstanden, die sich als Hydrogencarbonat-Ion HCO₃^- im Wasser lösen. Als Anion dient das Hydrogencarbonat den Erdalkalimetallen Calcium und Magnesium unter Bildung von Calciumhydrogencarbonat und Magnesiumhydrogencarbonat als Dissoziationspartner. Das Hydrogencarbonat kommt allerdings auch als Natriumhydrogencarbonat vor, insbesondere bei Aufbereitung von Trinkwasser durch Enthärtung.

Oberhalb einer Temperatur von 50°C zerfällt das Hydrogencarbonat in Wasser und Kohlenstoffdioxid, wobei das an dem Hydrogencarbonat gebundene Erdalkalimetall, z.B. Calcium und Magnesium, unter Bildung eines unlöslichen Carbonats zurückbleibt. Im Falle von Calcium ist dies das im Wasser schlecht lösliche Calciumcarbonat, auch Kalkstein oder Kesselstein genannt.

Magnesium ist ein wichtiger Mineralstoff der im Trinkwasser stets vorzufinden und für die menschliche Ernährung von großer Bedeutung ist, insbesondere für Nervenfunktionen und Muskelbewegungen.

Wie Calcium, so dissoziiert auch Magnesium mit dem Salz der Kohlensäure zu Magnesiumhydrogencarbonat und mit anderen Salzen zu Magnesiumchlorid, Magnesiumsulfat oder Magnesiumnitrat und ist damit ein wichtiger Bestandteil der Gesamthärte.

Unter dem Blickwinkel der Bildung von Kesselstein (Kalkstein) spielt das nach dem Zerfallen des Hydrogencarbonat im Wasser verbleibende Magnesiumcarbonat nur eine untergeordnete Rolle, was der vergleichweise guten Löslichkeit von Magnesiumcarbonat geschuldet ist.

Magnesium kann im Wasser auch als Magnesiumhydroxid vorkommen und dient als Puffer für den pH-Wert. Bei Einsatz von Magnesiumanoden bzw. Magnesiumelektroden zur elektrochemischen Wasserbehandlung in Heizungsanlagen wird sich unter anderem diesem Effekt zur Pufferung des Wassers gegen Säurereaktionen bedient.

Der Einheit µS/cm steht für Mikrosiemens pro Zentimeter und ist die Maßeinheit der elektrischen Leitfähigkeit. Die elektrische Leitfähigkeit von Wasser wird je nach Höhe auch in mS/m (Millisiemens pro Meter) angegeben. Die Umrechnung ist hierbei 10 µS/cm = 1 mS/m.

Die elektrische Leitfähigkeit ist der Kehrwert des ohmschen Widerstandes von Wasser. Hierbei gilt die Formel "1 / elektrische Leitfähigkeit µS/cm = MOhm / cm (Mega Ohm pro Zentimeter)".

Natrium kommt als Natriumchlorid (Kochsalz) in den meisten Lebensmitteln und so auch im Trinkwasser vor. Nach Trinkwasserverordnung hat Natrium einen Grenzwert von 150 mg/.

Im unbehandelten Heizungsfüllwasser liegt die Konzentration von Natrium meist unterhalb der von Calcium und Magnesium. Wenn das Heizungsfüllwasser enthärtet wird, werden Calcium und Magnesium gegen Natrium ausgetauscht, wodurch die Natriumkonzentration ansteigt.

Das Natrium kommt dann in den Formen Natriumhydrogencarbonat, Natriumchlorid, Natriumsulfat und weiteren Formen vor.

Bei der Verwendung eines Heizungsfüllwassers mit einer hohen Konzentration an Natriumhydrogencarbonat besteht immer das Risiko eines hohen pH-Wertes >10. Sobald das Wasser auf eine Temperatur >50°C erhitzt wird, zerfällt das Hydrogencarbonat und Natriumcarbonat verbleibt im Wasser, wo es als Base stark alkalisch reagiert und zu einer Anhebung des pH-Wertes führen kann. Dies kann beispielsweise in solchen Anlagen problematisch werden, bei denen Aluminiumbauteile vorhanden sind

Nitrat kann von Mikroorganismen gebiltet werden zählt aber zu den anthropogen Verunreinigungen im Trinkwasser (vom Menschen verursacht). Nitrat gelangt meist als Dünger in das Wasser. Unter Korrosionsaspekten spielt Nitrat insbesondere an Kupferwerkstoffen bei der Lochfraßkorrosion eine Rolle.

Nitrit ist in erhöhter Konzentration für viele Lebewesen giftig. Durch chemische Reduktion kann Nitrat unter anderem an verzinkten oder zinkhaltigen Bauteilen zu Nitrit reduziert werden. In geschlossenen Brauchwassersystemen können Nitritverbindungen auch als Korrosionshemmer für Eisenwerkstoffe eingesetzt werden, da es als kräftiges Oxidationsmittel auch bei Abwesenheit von Sauerstoff dazu in der Lage ist, Deckschichten auf den Metallen aufzubauen. Wenn die Deckschichtenbildung nur unvollständig erfolgt, kann die Anwesenheit des Nitrit jedoch zu einer unerwünschten Steigerung der Korrosionsrate führen. Daher wird Nitrit zu der Klasse der gefährlichen Inhibitoren gezählt.

Phosphat ist ein natürlicher Mineralstoff, der in Lebensmitteln und im Wasser vorkommt. Wie Nitrat kann auch eine gesteigerte Phosphatmenge im Wasser durch Dünger verursacht werden. In Heizungsanlagen gelangen Phosphate durch Wasserbehandlung, da Phosphatverbindungen zur Stabilisierung des pH-Wertes, aber auch als anodische Inhibitoren Verwendung finden. In falscher Konzentration können auch Phosphate unerwünschte Einflüsse auf Korrosionsprozesse einnehmen und je nach Verbindungen zu Schlammbildung in geschlossenen Wasserkreisläufen beitragen.

Die Bestimmung des pH-Wertes im Heizungswasser ist ein wichtiger Faktor. Für Wasser mit einem pH-Wert von <7 gilt die Bezeichnung "sauer" und für Werte >7 - 14 "basisch". Heizungswasser muss im basischen Bereich liegen und gilt als nicht korrosionsbegünstigend im Bereich von min. pH 8,2 bis ca. pH 10. Der pH-Wert beeinflusst die sogenannten Deckschichten, welche sich auf den Metallen in der Heizungsanlage zum natürlichen Korrosionsschutz bilden. Durch Kenntnis des pH-Wertes lässt sich daher auf mögliche Schadensursachen zurückschließen. Eine Sonderstellung nimmt der Werkstoff Aluminium ein. Die Deckschichten auf Aluminiumbauteilen können bereits ab einem pH-Wert von 8,5 und regulär zu erwartender Stoffmengenkonzentration geschädigt werden. Eine Schädigung der Deckschichten ist bei ungünstige Strömungsverhältnisse oder aufgrund zirkulierender Partikel trotz idealem pH-Wert im Heizungswasser häufig anzutreffen.

Idealerweise ist das Heizungswasser frei von Rückständen und Schwebstoffen. Die Korrosionsprodukte, z.B. Magnetit, andere Rostpartikel oder Schwebstoffe, weisen auf Korrosionsvorgänge oder eine sonstige Schädigung metallischer Werkstoffe hin und können selbst Schäden oder Leistungseinbußen verursachen, beispielsweise durch Erosion, Blockaden in beweglichen Bauteilen oder Verschlammung. Im Wasser können auch andere Schwebstoffe, wie zum Beispiel Kalkpartikel, vorhanden sein und Probleme verursachen. Die Heizungswasseranalyse sollte das Vorhandensein von Rückständen und Partikeln betrachten und hinsichtlich der Menge bewerten.

Die Säurekapazität des Heizungswassers zeigt einerseits auf, welche Pufferwirkung das Wasser gegenüber Säuren besitzt, bis sich der pH-Wert ändert. Andererseits lässt sich aus der Säurekapazität zwischen KS8,2 und KS4,3 die Konzentration an Hydrogencarbonat berechnen, deren Konzentration in unbehandelten Wässern in Zusammenhang mit Erdalkalien (Calcium und Magnesium) steht. Da durch diese Ionen Schäden durch Kalkstein entstehen können wird im Heizungswasser einerseits ein geringer Wert der Säurekapazität angestrebt, jedoch ausreichend, um eine entsprechende Pufferwirkung gegenüber etwaigen Säurereaktionen zu bieten.

Der Geruch und der optische Eindruck des Heizungswassers fließen mit in die Beurteilung einer Heizungswasserprobe ein. Beide Parameter können Auskunft darüber geben, ob beispielsweise Chemikalienzusätze im Wasser vorhanden sind oder Korrosionsprozesse stattfinden.

Silikate sind die Salze der Kieselsäure. Die Untersuchung des Heizungswassers kann Hinweise auf die Anwesenheit von silikatbasierenden Korrosionsinhibitoren geben. Andererseits können Silikate Ablagerungen verursachen, die sich effizienzmindernd auswirken können, und durch abrasive Vorgänge Schäden in der gesamten Heizungsanlage verursachen.

Sulfat gehört zu den natürlich vorkommenden Wasserinhaltsstoffen und gelangt durch Auswaschungen aus dem Boden in das Trinkwasser. Eine erhöhte Konzentration kann sich beispielsweise durch den Einsatz von Streusalz im Winter oder durch Düngereinsatz ergeben. Sulfat hat Auswirkungen auf Lochfraßkorrosion.

Sulfat-Ionen können in Heizungsanlagen zu Schwefelwasserstoff reduziert werden, insbesondere bei Anwesenheit von sulfatreduzierenden Bakterien, die gerade in sauerstoffarmen Wässern gute Lebensbedingungen vorfinden. Der gasförmige Schwefelwasserstoff führt einerseits zur Bildung von Luftpolstern und Fließgeräuschen, hat aber mit Wasser eine sehr saure und korrosive Wirkung. Vernimmt man beim Entlüften der Heizung einen Geruch nach "faulen Eiern", so ist dies auf Schwefelwasserstoff zurückzuführen.

Schwefelwasserstoff kann sich auch in Anlagen bilden, bei denen Natriumsulfit als Sauerstoffbindemittel zugegeben wird.

Im Wasser liegt Sulfid (Schwefelwasserstoff) nicht in der gasförmigen Phase, sondern im Wesentlichen als Hydrogensulfid (HS-) und Sulfid (S^2-) vor. Neben der Bildung von Gasen in der Heizung haben Sulfide Einfluss auf Korrosionsschäden im Sinne von Wanddurchbrüchen unter Bildung dicker Metallsulfidschichten.

Sulfit ist ein Salz der Schwefelsäure und wird als starkes Reduktionsmittel eingesetzt. Besonders weit verbreitet ist der Einsatz in Form von Natriumsulfit als Sauerstoffbindemittel, wobei das Sulfit bei diesem Vorgang in Sulfat umgewandelt wird. Das Sulfat im Heizungswasser kann wiederum bei Anwesenheit von Bakterien in Schwefelwasserstoff umgewandelt werden, wobei eine korrosive Umgebung entsteht.

TOC steht für den Englischen Begriff "Total Organic Carbon" und ist ein Summenparameter für alle organischen Verbindungen im Wasser, bei denen es sich in den meisten Fällen um Huminstoffe handelt. Organische Verunreinigungen im Wasser können einen Einfluss auf das Korrosionsverhalten der Metalle ausüben, wobei hier insbesondere der Werkstoff Kupfer zu nennen ist. Aus diesem Grund spielt der TOC-Gehalt des Wassers auch für den Betrieb von Heizungsanlagen eine Rolle.

Die Trübung des Heizungswassers wird meist in Begriffen wie klar, trüb, sehr trüb etc. angegeben, kann aber auch mit dem NTU-Wert durch Messung des Streulichtes quantitativ bewertet werden. Die Trübung des Heizungswassers fließt in die Beurteilung von möglichen Korrosionsvorgängen in der Heizung ein, denn normales Heizungswasser sollte klar und ohne sichtbare Verunreinigungen sein.