Waterguide - Kohlenstoffdioxid
Was ist Kohlenstoffdioxid?
Kohlenstoffdioxid (Symbol CO2, Atommasse 44 g/mol, Dichte 1,98 g/cm3 ) ist unter Normalbedingungen ein farbloses und säuerlich riechendes Gas. Unter einem hohen Druck ist CO2 flüssig und kann in Druckgasflaschen gelagert werden. Das Molekül ist eine Verbindung aus Kohlenstoff und Sauerstoff. In der Wasserchemie ist das CO2 eine wichtige Komponente für das Kalk-Kohlensäure-System.
Kohlenstoffzyklus und Klimawandel
Kohlenstoffdioxid kommt auf der Erde in der Atmosphäre, der Hydrosphäre, der Lithosphäre und der Biosphäre vor. Der Austausch zwischen diesen Erdsphären ist ein Teil des Kohlenstoffzyklus und erfolgt zum großen Teil durch Kohlenstoffdioxid. Die Konzentration an Kohlenstoff in der Atmosphäre schwankte im Verlauf der Erdgeschichte immer wieder, aber seit Beginn der Industrialisierung steigt die Konzentration insbesondere durch die Verbrennung fossiler Brennstoffe dramatisch an.
Weiterhin entsteht CO2 durch die Zellatmung von Bakterien, Tieren und Menschen, die Sauerstoff für die Oxidation von Nahrungsmitteln verbrauchen und CO2 ausatmen. Pflanzen wiederum fixieren CO2 aus der Luft und produzieren bei der Photosynthese Zucker und Sauerstoff.
Kohlenstoffdioxid in den Ozeanen
In Ozeanen kommt CO2 nur in gelöster Form und als Kohlensäure mit Hydrogencarbonaten und Carbonaten vor. Da die Löslichkeit von CO2 in Meerwasser, mit sinkender Temperatur zunimmt, hängt die Menge an gelöstem CO2 von der Jahreszeit und damit der Wassertemperatur ab. Das kalte, CO2-reiche Wasser sinkt in größere Tiefen ab.
Die Ozeane stellen eine wichtige Senke für Kohlenstoffdioxid dar und nehmen etwa ein Drittel der anthropogenen Kohlenstoffdioxidemissionen auf. Mit zunehmender Lösung von Kohlenstoffdioxid sinkt aber die Alkalinität des Salzwassers. Diese sog. Versauerung der Ozeane wirkt sich negativ auf viele Meeresbewohner aus, insbesondere auf Korallen und Muscheln.
Kohlenstoffdioxid in der Wasseraufbereitung
Als Gas ist Kohlenstoffdioxid membrangängig und wird daher durch eine Umkehrosmose nicht zurückgehalten. Es ist möglich, CO2 mit speziellen Verfahren (Membranentgasung) abzuscheiden oder auch durch Erhöhung des pH-Wertes (Zugabe von Natronlauge vor der Umkehrosmose) in Hydrogencarbonat umzuwandeln, das durch die UO-Membran zurückgehalten wird.
Falls der Umkehrosmose eine Elektrodeionisation (EDI) nachgeschaltet wird, sollte beachtet werden, dass die Konzentration an CO2 für die Auslegung berücksichtigt werden muss. Die Auslegung der EDI erfolgt anhand des sog. Feedwater Conductivity Equivalent (FCE), in dessen Berechnung sowohl Leitfähigkeit als auch die Konzentration an CO2 und SiO2 eingehen.
Falls beispielsweise in der Mikroelektronik oder im Labor- bzw. Pharmabereich Reinstwasser mit sehr niedriger Leitfähigkeit (deutlich unter 1 µS/cm) benötigt wird, muss neben der Entfernung von CO2 zum Beispiel durch Membranentgasung auch die Rücklösung von CO2 in Reinstwasserbehältern berücksichtigt werden. Durch Rücklösung von CO2 aus der Luft kann die Leitfähigkeit im Reinstwasser schnell ansteigen, sodass die Spezifikationen nicht mehr eingehalten werden. Daher werden Reinstwasserbehälter beispielsweise mit CO2-Filtern ausgerüstet oder bei sehr strengen Grenzwerten mit einer Stickstoffüberschichtung versehen, die die Rücklösung komplett verhindert.
Technische Verwendung von Kohlenstoffdioxid
- Sprudeleffekt bei Softdrinks oder Mineralwasser
- Triebmittel beim Backen (Freisetzung durch Hefe oder Backpulver)
- Schutzatmosphäre für Lagerung / Verpackung von Obst und Gemüse
- Löschmittel
- Kältemittel
- Schutzgas beim Schweißen
- Rohstoff in der chemischen Industrie