Grundlagen der physikalischen Wasserbehandlung

Grundlagen der
physikalischen
Wasserbehandlung
Das Kristallisationsverhalten
von Kalziumkarbonat unter
dem Einfluß magnetischer
Felder
we rden, we be ! die W irksamkeit e iniger dieser Gerete mir mehr als fragwü rdig erschei nen. Diese Grü nde
haben mich da zu vera nla ßt, die W irkungsweise der
physikalische n Wasse rbehandlung , insbesondere die
Einwirkung pe rma nen tma gn et ische r Felder au f das
Kolk - Kohlensäure - Gl eichgewicht des W a sser s zu
erfo rschen.
Als Ergebnis w urde von mir dieser Beitrag verfcßt.
wo rin ich mittels phy sika lisch - che mischer Gesetzmößlqkeuen die meiner Me inung na ch richtige
Erklä rung Fü r die ses Phän omen besch reibe .
Einleitung :
Die Beschreibung beinhaltet :
Zur Vermeidung der unerwü nschten Kesselsteinbildung in was sert öhrenden A nlog en w ird in zuneh-
• des chemische Verholten des Kolk - Kohlensa ure-
mende m Maße eine Technik a ngewand t, die du rch
ihre Unerklörbo rkei t von vielen W issenschaftlern in
den Bereich der Mystik o bq eschoben wird . l edig lich
die Stud ie "V ibrierend es Naß" von Dr. Klaus Kronen-
berg beschreibt a nnähernd di e mögl iche Funktionsweise, allerdings lä ß t sich das ch emisch - physika lische Verhalten der beteiligten W asserinhaltsstoffe im
M agnetfeld noch meiner Auffassung in d er in dieser
Studie beschri eb enen Form nicht durch entspre chen-
Gleichgewic hts
• die physikalisch - ch emischen Gru ndlagen der
Ma gnetbe ha nd lung
• und die technisch e Anwend ung d er pe r rno nen tmagnetischen W a sse rbeha nd lung
Entstehung der
Kalciumkarbonatkristallisation
de Gese tzmäß ig keit erklä ren . Bei di eser Technik
handel t es sich um d ie physi ka lische Wa sserb ehandlung , e in Verfah ren , bei dem e inige Inhaltsstoffe des
Wassers nach Durchs trömen magnetischer oder elek·
trische r fe lder ein g eä ndertes Krista lli sationsverho lten
zeigen.
Dabei inte ressier t besonders do s Verh olten der
sfein bilden d en Me~ '- Carbonate; als wich tigster Vertrete r dieser Gattung wird in d iese m Ber icht dos Kristclllscüonsve rhclten des Ka lziumcarbo nates be hc ndeh. Durchs trömt nä mlich e in kclziumhyd -oq eocorbonothaltige s Wasser ein fachge recht angeord netes
ma g net isches od e r elektrisc he s Feld , dann
~ ri s ta l l i s i e r t dos entstehen d e Kalz iumcarbo na t nicht
mehr in der typisch steinbildend en Struktur a uf, sondern es bild et nur noc h d ünn e Sch ichten a n d en
Wä nden d er wessetfüh renden Anlogen cvs, der
Rest fällt al s kletnknstclllner Sch la mm a n, d er sich
le icht au s d en beha ndelten Systeme n entferne n läß t.
Mit der in einem natü riich vo rkommenden W a sser
imme r vorha nd en en Kohlens a ure bildet das schwerlösliche Ka lciumco rbo nat le icht lö sliche s Kclciumhvdrogencarbonat .
Mittlerweile w urde dieses Verho lten bei praktisch en
Versuch en o ft festgestellt, ei ne pla usible wissenscha ftliche Erklä rung w urde o be r noch nicht gefunden .
Ce] HCO J
Da s ha t dazu geführt, daß c of dem Markt e ine Vielze hl physi kal ischer Behondlunqsgercte angeboten
:!.. ~ Co{HCO ,),
Kohlensä ure
Ein W as ser, in dem diese Kalziumhydrogencorbone te in gelöster Form vo rlieg en, befind et sich im Kc lk Kchlensöcre-Gletc hgew ich t•
Um die Gle ichg ewichtskohlensäure zu entfernen ,
genü gt scho n das Stehenlassen des Wassers an
der luft, e rhitz! mon o be r zusätzlich dos Wasser, beschleunigt sich dies er Vorga ng erhe blich.
Aus einem gelösten Stoff (Kalzium hydrog enca rbo nol)
entsteht dabe i ein Feststoffkristall(Kalz iumccrbo na t).
)1
•
~ CaCO ) + H1 0
ci
+ C0 1
Kohlensä ure
Vorbed ingun g für eine Krista llisa tion ist
01 eine üb ersättig te Lösung
b] die Bildung en tspre chender Krista ilke ime
Die Übersättigu ng ist gegeben, we nn bei Entfernen
der Kohlensä ure aus dem Gleichgewicht di e Ma sse
des Kalziumcarbonates = 0 ,0' 4 g/ Uter Wasser bei
25°C übe rschreitet. Bei wärmeren W a ssertempe raturen ist die lö sung bei geringeren Kclz tumccrbcnot.
konzentrafionen übersä ttig t.
Das Problem de r Kesselsteinkrustation beginnt bei
d er Keimbild ung . Die Keimbildung ist Für eine KristelIisa tion von entscheidender Bedeutung .
W ic htig bei der Kristallisation ist zunächst die
Keim bildung shäv figkeit, das hei ßt, die Zahl der ie
Zeit- und Volumeneinheit gebildeten Keime .
Kinetisch wird die Keimbildungshäufigkeit durch
zwe i Faktoren bestimmt;
I. durch die Keimb ildungsarbeil, da s ist die Arbeit,
die notwendig ist, um de n Keim aus seinen Bavsteinen ( Atomen , Ionen, Molekülen ) au fz uba uen,
w enn die se bereits am Ort de s Keims präsent
sind
2. durch Diffusion der Bausteine z um Ort des Keims
Auch hierzu bedarf es e ine r Ak tivierung senergie 'I
Werde n bei Erreichen de s Übersättigung szustandes
gleich zeitig viele Keime in der freien lösung
g ebildet, w ör e das Prob lem gelöst. Aufgrund der o rtgleich e n Bindungs pole wachse n a n diesen Ke imen
die Krista llba usteine we iler a uf, es e ntstehen dadurc h
viele Minikristalle, die sich als feiner, a ussp ühlbarer
Fes tkörperschla mm absetzen.
Fehlen a ber die se Keime, da nn suchen sich die Bindung steilchen .Ersotaketme" zur Kristallisati on. Als
Ersa tzkeime können a lle mit dem W a sser in Berührung stehenden Anlageteile angesehen werden .
Bevorzug t werden die Stellen, be i de nen d urch erhöle Tem pe raturen o d er geän d e rte Druckverhältnisse
a ndere, die Kristallisation fö rd e rnde Gleich g ewichtslag en vorlieg en. Als Beis piele sind hier zu nennen:
W ä rme ta uscherro hre, Perlatore n, Sprüh. od er
Duschköpfe usw .
Damit sind an d iesen Stellen d ie ar tgleichen Bindung spole z ur Aulkrtstolllsotlcn des Ka lziumcarbonates vo rha nd en und es komml z u der uner-w ünschten
Kess elsteinbildung , die ganze Systeme außer Betrieb
setzen kann und d eren Entfernun g oder Ver·
hinderung mit erheblichen Kosten ve rbund en sind.
Verhind ern läß t sich d iese Krista ll isatio n du rch
physika lische Wasserbe ha ndlu ng mittels permonentmagn etischer Felder
Physikalische
Wasserbehandlung mittels permanentmagnetischer Felder
Beim lesen dieser Überschri ft stellt sich na türlich sofort d ie Frag e :
Wie können permanentmag netische Felder mit ihre r
schwach en Energ ie Einfluß auf e in chemisch e s
Gle ichgewicht a usüb en?
Zur Klärung dieser Frag e muß man zu rückscha uen
in das Jahr 1820. Dama ls entd eckte d er
dän ische Physiker Cbrtsucn O ersted zuFällig d en Effekt, daß eine Ma g netna del, die neb en e inem
stromdurchAossenen Draht stand , abge lenkt wurde .
Das war der Beweis, daß elektrische Ströme Krä fte
a uf Magnete ausüben .
Üben Ströme Kräfte auf M ag ne ten aus, muß nach
dem allgemein en Wechse lwirkungsgesetz auch die
Um kehrung gelten:
Magne le müssen also auch Krä fte auf Ströme ausüben
Dab ei gilt:
Elektrische Felde r üben Kräfte a uf a ll e la d ungen a us,
magn etische Felder können ab er nur Kräfte
a uf Ströme a usüben, also nur auf beweg te
la dungen. Das bede utet, daß ouf jed e sich
bewegende ladung im Magnetfeld eine Kra ft
einwirkt.
Bewegte Ladung sträg er in magnetische n Feldern werden in Kreisba hnen um die mag netischen Feldlinien
durch e ine a uf sie einwirke nde Kraft abge lenkt. Diese Kra ft nennt man Lorentz - Kra h .
In einem ma gnetischen Feld wer de n o lle ge ladenen
Teilchen ab g elenkt, egal in welchem Me d ium sie sich
beltnden. da s g ilt a uch Für wäßrig e lö sung en.
Eine mit der Geschwindig keit v bewegte Ladung Q
erfährt im Ma gnetfeld der Induktion B die Kraft F: 21
F '" Q v B sin
Die Kraft steht se nkrecht au f d er Geschwindig keit
und der Induktion. Geschwindigkeit, Feld und Kra ft
bilden in dies er Reihenfolge e in Rechtssystem bei positiver la dung , e in Li nkssystem bei negativer la d ung.
•
Lösen eines feste n Kalziumcorbonatfestkörpers.
(K,;,'alll
"Erfolgreiche" Zusammenstöße bedeutet Für unser
Gleichg ewicht : Kalzium - und Hydrcqencorboncuonen prallen im richtigen Winkel und richtig er A ktivierungsenergie aufeinander und bilden kurzzei tig unter
Abspoltung des Protons am Hydrocarbonation ein
.. Kclcium-lcn 2+
W ird die Gleichgewichtsla ge durch Ausübe n ein es
öußeren Zwanges a uf das System verändert, dann
stellt sich ein neues Gleichg ewicht ein . Do s Gl eichg ewi cht weicht dem äußeren Zwang aus.
(Prinzi p von l e Chefeller und Braun). Bei Anheb ung
der Temperatur od er der Konzen tration de r
Ausgangsstoffe verschiebt sich dos Gleichgewic ht in
der gezeigten Formel nach rechts.
ungelö stes Kalziumca rbonatmolekül.
Bei unveränderten äußeren Bedingungen ist diese
Bindung allerdings nicht stcbll und wird nach kurzer
Zeit wieder in den Ausgangszustand zu rückge bildet.
Damit ist das Gleichgewicht wieder he rgestellt.
Die Bindungsteikhen der Krista llpartner gera ten bei
Temperaturerhöh ung immer mehr in Schwing ung en,
dad urch erhöht sich die Wahrscheinlichkeit für erfolgreiche Zusammenstöße, das Gl eichgewic ht verschiebt sich noch rechts. Gleiches wird durch d ie Er-
l ösungsgleichung
Gleichgewicht
Co " +
2 HCO J-
+
H,O
C0 1·+CO)1. + HCOl -+ HlO'
Krista llpartner
Dieses Gl eichgewicht hat aber nur Bestand, wenn in
der Zeiteinheit nicht mehr Bindungen
entstehen, als ge löst w erden .
;If
H2CO J + HJO .. C01 + 2H20
höhung der Blndunqstellchend tchte (Konzentra tion)
erreicht. Hohe Teilchendichte innerh alb eines Raumsektors in der l ösung erhöht ebenfa lls die Wahrscheinlichkeit für erfo lgre iche Zusammenstöße und
dam it die Bild ung vo n ung elösten Kalzi umcarbonatkristallen (Keimen).
A
~
~emM
Die Aussagen über Betrog und Richtung der Kraft
Die magnet ische Kraft verschwtndet also .
können in einfachster und üb ersichtlichster Form in
Das Teilchen wird daher nicht aus seiner Bahn abgelenkt, es bleibt genou auf den Geraden . ~I
Vektcrschrelbwelse a ngegeben werden . Dann hat
man zu setzen :
F-QvXB
Dieses Kraftgesetz nennl man die Lorentz - Kraft.
Diese physika lischen Ges e tzrn ößlgkelten, die in der
Praxis vielfach Anwendung finden , beispielsweise in
Massenspektog rophen, Bl as enkammern, Zyklotrone n
usw. , sind auch im chemischen Bereich anwendbar.
Geladene Teilchen in wäßrigen Lösungen
verhalten sich ähnlich wie geladene
F
i
Teölchen( IO N EN )
in anderen Medien I
B
Bewegt man eine wäßrige Lösung durch e in
+ }----J~v
+}--
F
B
-
_.. v
B
Magnetfeld, werden alle in der Lösung befindlichen Ladungsträger je nach Ladungsvorzeichen durch die auf sie einwirkende
Lorentz - Kraft unterschiedlich abgelenkt.
Bewegen sich die positiven und negativen
Ladungsträger vor Eintritt in das
Magnetfeld auf Parallelkurs, werden sie im
Magnetfeld 50 abgelenkt, daß sie sich aufeinander zubewegen.
F
Bild ma Ter ia l
entnommen Oul
} - - -_..v
}--
-
.. v
"Oe' Weg
l '" m~
d ernen Phylik •
von Sex!, Roo b
und ßethse
B
F
Bewegte Ladung im Magnetfeld
(Bildmaterial entnommen aus A. Recknagel,
"Physik, Elektrizität und Magnetismus ")
Auf ruhende Ladungen übt das Magnetfeld
keine Kraft aus. Diese entsteht erst durch
Bewegung und i5' proportional der
Geschwindigkeit.
Im Gegensatz dazu beeinflussen elektrische Felder
auch ruhende ladungen . 1m rein magnetischen Feld
wird keine Arbei t an den l a d ung strä g ern verr ichtet.
Diese haben konstante Geschwindig keit.
Im homogenen Magnetfeld sind die Feldlinien Geraden . Bewegt sich ein Teilchen zufä llig einma l in
Richtung einer Feldhole. dann gilt sin "" 0 .
Gelad ene Teilchen im Magnetfeld einer Blasenkammer. Durch die lorentz - Kraft werden sie in
Kreisbahnen abgelenkt.
Der Einfluß der Lorenf% - Kraft auf das
Kalk - Kohlensäuregleichgewicht.
W ird ein Sa lz in Wasser gelößt, a lso vom festen in
ionoien Zustan d überführt, werden beim l ösungsvorgang die einz elnen Ionen von einer Wasserhülle umschlosse n. Diese Wasserhüllen bilden mit de n resrl ichen Wassermolekülen einen Puffer zw ischen den lonen und verhindern weitgehend , da ß es zu
"erfolgreichen" Zusammenstößen kommt.
Durch Einwirkung der Lorent:z: • KraFt auF
bewegte Teilchen in einer Lösung w erden
genou diese Einflüsse erreicht I
hen, alle im Wasser vorhandenen Ka tionen nach
rechts und alle im Wa sser vorha ndenen Anionen
nach hnks abgelenkt, wa s bedeudet, daß sich die
gegenpolig geladenen Ionen aufeinander zubewegen. Die Bewegungsgeschw indigkeit und somit die
A ufprallenergie ist durc h die Fließgeschwindigkeit
der l ösung vor gegeben, das M agnetfeld hot darauf
keinen Einfluß.
Dab ei ist entscheidend, in welcher Anordnun g die
magnetischen Feldlin ien vorliegen.
Einfluß der magnetischen
Feldlinien
Die dadu rch entstehende hohe Teilchendichte
(Konzentration) in bestimmten Raumsektoren der
lösung läßt sich noch durch die A nordnung der magnetischen Felder verstärken .
Bei richtiger Anordnung der magnetischen Felder
läßt sich neben der dan n wec hselnden hohen
Teilchendich te auch eine Ionenschwingung erzeugen, die praktisch einer Temperaturerhöhung
gleicht.
Wenn die Kraft senkrecht au f der Geschwindigke it
und der Induktion steht, bil det Feld und Kraft in dieser Re ihenfolge ein Rechtssystem bei positiver
l adung, ein llnkssystem bei nega tiver l adu ng. Dce
heißt, in einem statischen M ag netfeld, (N ordpol unten), wer den, von oben in Strömungsrichtung gese-
Die cis Dipole vorliegenden W assermolekiJle werden im Magnetfeld, je nach vorliegender Ausrichtung, en/·
weder nicht bewegt, oder in eine Drehrich tung um ihre eigene Achse gezwungen.
1. Magnetfeld
x
1. Magnetfeld
+
(j
CJ.
a
H,o-D;pol
Nordpol un ten
cu s Pepierebene
Verhalten von Wassermolekülen im Magnetfeld
Dieses Verhalten führt zur Schw ächung der Hyd rathüllen, die Jonen we rden dadurch weitaus beweg licher und di e Bindungsfähig keit erhöht sich. Bei der
Bindung w ird dos Proton ( H-IO N ) des Hydrog enearbonoj-lcns zu einem eigenständigen Kation ( H30+ I
und durch die einwi rkende Lorenrz . Kraft in eine andere Richtung abg elenkt. Dos bei einer solchen Bindung entstehende Kalziumcarbona tmolekül passiert
cis ungeladener Festkörper da s Magnetfeld ohne
+
Südpol unten .',"
aus Papierebene
w eitere Ab lenkung . Je mehr Kalziumcarbonatmoleküle dabei im M agnetfeld gebild et werden, desto
größ er ist di e Anz ahl der Krls tclllscflcnske'me und
desto feinteilig er ist der sich bildende Kristollschle mm. Eine Rücklösung der Kristalle und somit eine Verschiebung des Gleichge wich tes auf di e Seite
der Ausgangssto ffe ist möglich und von verschiedenen Faktoren ab hängig, beispielsw eise Hydrolyse
oder andere Gl eichg ewichtsreaktionen in der
lösung . Es handel t sich hier allerdings um eine Reaktion, die je nach einw irkenden Parametern eine
gewisse Zeit in Anspruch nimmt, bis sie cbgeschlc sse n ist.
Das Verhalten von strömenden
Teilchen im Magnetfeld.
Fließrichtung
~.,.----------------
----------------------------_._-_._--
-----------------------------------------------+ - Ion
___________
Wassermolekül
- -fon
----------------4t
Keim
Anordnung : Nordpol aus Papierebene kommend.
Zusammenfassend läßt
sich sagen:
Durchströmt ein Ko/ciumhydrogencarbonatholtiges
Wasser, (übersöttigter Zustand For Kalziumcarbonat),
mit der entsprechenden Fließgeschwindigkeit fachgerecht angeordnete Magnetfelder, so werden in ausreichendem Maße die Teilchen gebildet, die als
Kernbildungszentren Für die weitere Kris/cf/isation
des Kolciumcarbonofes dienen .
Dieser Merbatz zusammen mit dem nachfolgenden
Vergleichsdiagramm der Kristallkeimbi ldung
erklären treffend den Einfluß magnet ischer Felder auf
des Kristallisationsverhol ten des
Kclclumccrbonotes.
Erklärung des Diagramms :
Erinnern w ir uns, die Keimbil dungshäufi gkeit ist abhängi g von der Keimbil dungsorbeil. Das ist di e Arbeit, die notwendig ist, um den Keim aus seinen Bausteinen (A tomen, Ionen, Molekülen) aufzubauen,
wenn diese bereits om Ort des Keims präsent sind.
Sollen gleichzei tig viele stabile Keime in einer übersättigten Läsung entstehen , ist es nOI'Nend ig, da ß der
Ostwald • Miers • Bereich durch einen hohen
Energieeinfluß (Keimb ildungsarbei t) möglic hst schnell
überbrückt w ird. Der Ostwald . Miers . Bereich
ist die Zone zwischen Söttigung sgrenze und dem Bereich, wo spontane stabile Keimb ild ung einsetzt. In
diesem Bereich werden bereits Keime geb ildet, sie
sind ober aufgrund fehlend er Akt ivierungsenergie instabil und können nur auf bereits präsenten, stabil en
Keimen oder Kristallen aufwachsen.
Kristallkeimbildung
Unbehondeltes Wasser · Magnetbehandeltes Wasser
a.....m~ .. ~"'n ..
.",bi., Koombikiung
_-_.._ - - - - - - -
..
/~ ,
------- -----.------
""boh<>"d~ ...
wo._
- - - "'Q9n.o.nondobl Wo,...
Die fehlende Aktivierungsenergie (Keimb ildung sorbeif zur Überbrückung des Ostwcld • Miers Bereiches in den Bereich der spontanen, stab ilen
Keimb ildung w ird durch die Fließgeschw indigkeit
des Wassers und den Einfluß der Lorentz - Kraft
auf die Keimbi ldungsteilchen innerhalb fachgerecht
angeordneter Magnetfelder hervorgerufen.
Beim Aufwac hsen der instabil en Keime an den stabilen Keimen oder Kristallen geht das System vom un-
g eord neten in den geordn eten , stabil eren Zustand
über, w as einen Gesamtenergi everlust zur Fo lge hat.
Fehlt all erd ings die entsprechende Akrivie runqsenergie zur Überbrückung des Ostwald - Miers Bereiches , wie es bei unbehandeltem Wasser der
Fall isl, w achsen die bei Übersättigung entstehenden
instabi len Keime an bereits vorhandenen Kristallen
a uf, die Folge ist die unerw ünschte Kesselsteinbi ldung in den wasserführenden Anlagen .
Physikalische Wass erbehandlungsg eräte verändern
nicht die Wasserzusammensetzung und enthär ten
som it auch nicht da s Wasser, wie vielfach a ngenommen w ird . Bei fachg erechter Konstruktion und richtigem Einsatz verhindern sie w irksa m Inkrustationen
kesselsteinbildender Sal ze in wasserführenden An lagen .
Schlußbemerkung
Anwendung der
Magnetbehandlung
der Praxis
In
G erä te mit fachg erecht angeordneten, a uf den Wa$serdurc hRuß ab gestimmten Magnetfelde rn, können
überall dort eingesetzt werden, wo ein Wa sser verwendet w ird , das z u Inkrusta tionen nei gt. Bei Heißw osseranlogen sollte a llerd ing s ein zusätzliches
G erä t kont inuierlich im Bypass betri eben we rd en, da
durch di e entstehende Hydrolyse der pH - Wert des
Wassers gesenkt w ird und eine Rücklösung der im
Magnetfeld g eb ild eten Kalz iumcarb onatke ime erfolgen kann . Auch Systeme, in denen das Wasser einige Zeit aufbewahrt oder umg ew äl zt w ird , sollten
ähnl ic h behandelt werden .
Da sich in einer strömend en l ö sung d ie Teilchendic hte innerhalb eines Magnetfeldes erhöht und somit eine Gleichgewichtsverschiebung a uslö st, d ie durch
Anpass ung der Feldlinienstörke auc h noch steuerbar
ist, wöre es überleg ensw ert, diese Erkenntni sse auch
auf andere Gebiete zu übertragen.
Denkbar wäre zum Beispiel im med iz inischen Bereich elektrolytische W irkstoffe mit dem strömenden
Blut on entsprechenden Stellen z u transportieren und
dort im Mag netfeld o ufzukonzentrieren.
(Beispi elsweise Kittsubstanzen be i Skelettkrankheiten).
Zusammenfassung der
Erkenntnisse
Für olle phy sika lischen Wa sserheh andl ungssysteme
gel ten ähnliche G esetzmäßigkeiten bei entsprechender Anordnung .
Die Ionenb eweglichkeit in einer w äß rigen l ösung
w ird durch den EinRuß der Lorentz - Kraft in
Magnetfeldern auf die Wassermolek üle d er Hydrathülle w esenf il ch erhöht.
Die lorentz - Kraft w irkt in einer strömenden l ösung mit der glei chen Intensitä t au f alle Ionen im Magnetfeld, denn nur d ie Fließgeschwindigkeit der l ösung bestimmt die Bewegungsenergi e der abg elenkten Teilc hen.
C hemische Gl eichg ewich te in wäßrigen lösung en
kö nnen sich bei m Durchströ men von M ag netfeldern
verändern.
1) W ill KI.b.,
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2) A. Recknag~
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