Wasser

Wasser der Urquell des Lebens - Wasserstoff / Sauerstoff

Die Wasserstoffbrücken sie u.a. verantwortlich für Anomalie des Wassers, die hohe Schmelzwärme des Wassers und die hohe Verdampfungswärme des Wassers.

Anomalie des Wasserstoff
Unter der Anomalie des Wassers versteht man die Tatsache, dass Wasser im Gegensatz zu anderen Flüssigkeiten seine höchste Dichte bei 4 °C aufweist. Bei fast allen anderen Flüssigkeiten steigt die Dichte linear mit der Temperaturverringerung. Nicht so bei Wasser. Sowohl Wasser mit 6 °C, als auch Wasser mit 2 °C sind leichter als Wasser mit 4 °C. 4 °C kaltes wird also mit kälterem und wärmeren Wasser überdeckt. Da Eis eine geringere Dicht als Wasser hat gefrieren Gewässer, eine hinreichende Tiefe vorausgesetzt auch in strengen Wintern niemals bis zum Grund. So bleibt ein Rückzugsraum für Wasserbewohner, die sonst im Eis den Winter nicht überleben würden.

Wasserstoffbrückenbindung

Schmelzen uns Verdampfen
Wird Eis erwärmt, so steigt die Temperatur kontinuierlich an bis 0 °C erreicht sind. Trotz weiterer Wärmezufuhr erhöht sich die Temperatur nicht bis alles Eis vom festen in den flüssigen Zustand übergegangen ist (=Schmelzen). Wird weiter Wärme zugeführt, so steigt die Temperatur wiederum kontinuierlich an bis 100 °C erreicht sind und das Wasser in die dampfförmige Phase übergeht (=Verdampfen). Nun verharrt die Temperatur trotz Wärmezufuhr wiederum bei 100 °C bis alles Wasser verdampft ist.

Die Energiemenge, die nötig ist um einen Feststoff in eine Flüssigkeit zu verwandeln wird Schmelzwärme genannt, die Energiemenge für die Umwandlung einer Flüssigkeit zu einen Gas Verdampfungswärme. Für Wasser beträgt die Schmelzwärme 333 J/g und die Verdampfungswärme 2256 J/g. Im Vergleich dazu sind zum Verdampfen von Ethanol nur 854 J/g notwendig.

Genau dieser Effekt der Umwandlung eines Stoffes von flüssig nach dampfförmig wird auch bei der Wärmepumpe genutzt, um gespeicherte Sonnenenergie aus der Umwelt zu gewinnen.

Wasservorkommen und Wasserverbrauch

Wasserverbrauch
Jede Inanspruchnahme von Wasser durch den Menschen wird als Wasserverbrauch bezeichnet. Dazu zählt nicht nur die als Trinkwasser und zur Nahrungsmittelzubereitung, sowie zur Hygiene genutzte Menge, sondern auch die in der Landwirtschaft, Gewerbe und Industrie eingesetzte. Den höchsten Wasserbrauch pro Kopf haben die hoch industrialisierten Länder. So haben Japan und die USA einen täglichen Verbrauch von fast 300 l pro Kopf. In Deutschland liegt der Wasserverbrauch bei ca. 130 l täglich. Der größte Wasseranteil wird dabei von der Landwirtschaft und der Industrie verbraucht. Sehr viel Wasser wird bei der Eisen- und Stahlerzeugung verbraucht, in der Chemischen Industrie, bei der Papiererzeugung und in der Nahrungsmittelindustie.

Wasserverbrauch im Haushalt

Wasseraufbereitung
Bis auf Grundwasser, das in der Regel keiner Aufbereitung bedarf, wird Quell- und Oberflächenwasser je nach Zusammensetzung und Verwendungszweck aufgearbeitet. Diese Aufarbeitung kann sehr Aufwand- und Kostenintensiv sein. Je besser die Qualität des Rohrwassers ist, um so geringer ist der Behandlungsbedarf. Eine Sonderform der Wasseraufarbeitung ist die Meerwasserentsalzung. Hier kommen vor allem die Umkehrosmose und thermische Verfahren zum Einsatz.

Abwasser
Verbrauchtes Wasser muss natürlich auch wieder entsorgt werden. Vor einer Einleitung in Seen und Flüsse muss es daher gereinigt werden um die natürlichen Ressourcen zu schonen und das Entstehen von Krankheiten durch verschmutztes oder vergiftetes Wasser zu verhindern.

Wasseraufbereitung: Trinkwasser

Die Desinfektion kann mit Chlor oder Ozon durchgeführt werden. Ozon wirkt schneller, aber Chlor hat eine länger andauernde Wirkung. Bei großen Leitungsnetzen wird dem Wasser deshalb oft Chlor zugesetzt, um eine Verkeimung in den Leitungen zu verhindern. Gesundheitsschädigende Schwermetallionen wie Blei müssen mit Ionenaustauschern entfernt werden. Ionenaustauscher binden die gelösten Metallionen und ersetzen sie durch Wasserstoffionen.

Für bestimmte Einsatzzwecke muss das Wasser zusätzlich aufbereitet werden. Allen Autofahrern ist das Batteriewasser bekannt. Das ist demineralisiertes (entmineraliesiertes) Wasser, dem durch Ionenaustauscher die Kat- und Anionen entzogen wurden. Dadurch wird die elektrische Leitfähigkeit des Wassers vermindert. Demineralisiertes Wasser wird auch oft in chemischen Labors zu analytischen Zwecken verwendet.

In entmineralisiertem Wasser können jedoch noch organische Substanzen gelöst sein, die bei analytischer, pharmazeutischer und industrieller Verwendung unerwünscht und störend wirken. Deshalb erfolgt eine Destillation, um hoch reines Wasser zu erhalten. Dabei wird das wird das Wasser verdampft und der Dampf wieder kondensiert. Die unerwünschten Substanzen bleiben als Rückstand im Destillationssumpf zurück. Solch hoch reines Wasser wird in der Pharmazie zur Herstellung von Infusions- und Injektionslösungen verwendet.

Steht in wasserarmen, meernahen Gegenden kein oder zu wenig Grund- oder Oberflächenwasser in entsprechender Qualität als Rohwasser zur Verfügung, kann die Meerwasserentsalzung zum Einsatz kommen., die jedoch sehr energieintensiv ist. Zwei Methoden sind weit verbreitet. Die Destillation, bei der wie bei der Herstellung von hoch reinem Wasser verdampft und kondensiert wird, und die Umkehrosmose. Dem Trinkwasser, das durch Destillation gewonnen wird muss hinterher wieder eine bestimmte Menge Salz zugesetzt werden, da der Genuss größerer Mengen destillierten Wassers den Elektrolythaushalt des menschlichen Körpers stört und schwere gesundheitlich Schäden verursacht. Bei der Umkehrosmose wird das Rohwasser mit hohem Druck durch eine semipermiable (halb durchlässig) Membran gepresst. Entgegen dem natürlichen osmotischem Druck wandert das Lösungsmittel nach außen und die gelösten Bestandteile verbleiben innerhalb der Membran.

Abwasser muss gereinigt werden

Häusliches und gewerbliches Abwasser wird heute durch die Kanalisation Kläranlagen zur Reinigung zugeführt. Dort wird das Abwasser durch mechanische, physikalische, chemische und biologische Verfahren gereinigt, um einen Zustand zu erreichen, der dem natürlichen Wassers gleich kommt.

In einer ersten mechanischen Reinigungsstufe wird das Abwasser in den Abwasserreinigungsanlagen durch rechenartige Schmutzfänger von groben Feststoffen wie Toilettenpapier, Kondomen und ähnlichen Festkörpern befreit. Daran schließt sich ein Absetzbecken an, in dem kleine Feststoffe wie Sand, die von dem Rechen nicht erfasst werden können, zu Boden sinken.

Nach der mechanischen Reinigung erfolgt die biologische. In der biologischen Reinigungsstufe werden die abbaubaren organischen Bestandteile zu anorganischen Produkten wie Sulfaten, Phosphaten, Kohlendioxid, Nitrat und Wasser umgesetzt.

Eine sich daran anschließende chemische Reinigung ist je nach Zusammensetzung optional.

Der bei dem Prozess der Reinigung von Abwasser anfallende Klärschlamm wird in Faulbehältern durch anaerobe (sauerstofffreie) Behandlung weiter verarbeitet. Dabei entsteht durch den Einsatz von geeigneten Bakterien ein dem Gas aus Biogasanlagen ähnliches brennbares Gemisch aus Methan und Kohlendioxid, das nach der Entfernung von schwefelhaltigen Bestandteilen zur Nutzung in Blockheizkraftwerken zur Verfügung steht. Der Feststoffanteil kann, sofern frei von belastenden Bestandteilen, als Dünger in der Landwirtschaft dienen. Ansonsten muss er in Müllverbrennungsanlagen verbrannt, oder auf Deponien verbracht werden.

Sind Anwesen oder einzeln liegende Gehöfte nicht an eine Kanalisation angeschlossen, sind andere Verfahren zur Abwasserentsorgung notwendig. In Kleingartenanlagen kommen auch heute noch Sammelgruben zum Einsatz, die den Anforderungen dem Stand der Technik entsprechen müssen. Diese Sammelgruben werden je nach Füllstand durch entsprechende Entsorger abgepumpt und deren Inhalt einer fachgerechten Entsorgung zugeführt. Eine andere Möglichkeit bieten Kleinkläranlagen.

Osmose und Umkehrosmose

Auf der hypotonischen Seite der Membran befindet sich eine harnstofffreie aber salzhaltige Flüssigkeit, in die der Harnstoff der hypertonischen Seite hinein diffundiert. Der Salzgehalt ist so eingestellt, dass andere Blutbestandteile die Membran nicht durchdringen.

Umkehrosmose
Der umgekehrte Prozess heißt Umkehrosmose. Bei der Umkehrosmose wird die hypertonische Flüssigkeit unter hohem Druck durch die Membran gepresst. Dabei diffundiert das Lösungsmittel durch die Membran und die gelösten Stoffe konzentrieren sich auf der hypertonischen Seite auf. Dazu muss natürlich der Druck der normalen Osmose überwunden werden. Bei Trinkwasser liegt der osmotische Druck je nach Zusammensetzung bei ca. 2 bar. Für eine Umkehrosmose von Trinkwasser werden Drücke von 4-30 bar verwendet.

Umkehrosmose

Weite Verwendung findet die Umkehrosmose bei der Meerwasserentsalzung. Wegen der hohen Salzgehalte von Meerwasser sind hier Drücke von 60-80 bar notwendig. Das entstehende Konzentrat muss permanent abgeführt werden. Ansonsten würde der osmotische Druck gleich dem zugeführten Druck und der Prozess käme zum Stillstand. Da das durch Meerwassentsalzung gewonnene Wasser sehr arm an Ionen und gelösten Stoffen ist sollten vor einer Verwendung als Trinkwasser wieder Salze zugesetzt werden. Dazu kann ultrafilitriertes Rohwasser verwendet werden. Durch die Ultrafiltration wird das Rohwasser von Mikroorganismen befreit. Dadurch wird sichergestellt, dass das Trinkwasser gesundheitlich unbedenklich ist. Auf Grund der hohen Drücke benötigt die Meerwasserentsalzung sehr viel Energie.