Waterguide - Ammonium und Ammoniak

Was ist Ammonium und Ammoniak?

Ammoniak ist ein stechend riechendes, wasserlösliches giftiges Gas mit der Summenformel NH3 (Atommasse 17 g/mol). In wässrigen Lösungen bildet sich aus Ammoniak in einer Säure-Base-Reaktion das Kation Ammonium NH4+ (Atommasse 18 g/mol).

Das Gleichgewicht zwischen Ammoniak und Ammonium ist abhängig von dem pH-Wert der wässrigen Lösung, wie die folgende Grafik zeigt.

Wie wird Ammoniak hergestellt?

Hergestellt wird das Ammoniak durch das Haber-Bosch-Verfahren, benannt nach den Entwicklern Fritz Haber und Carl Bosch.

Notwendig für die Herstellung sind:

  • Stickstoff und Wasserstoff – Verhältnis 1:3
  • Druck 250 – 350 Bar
  • Temperatur 450 – 550 °C
  • α – Eisen als Katalysator

Reaktionsgleichung:

Wie kommen Ammonium und Ammoniak in der Natur vor?

In der Natur kann Ammoniak (bzw. Ammonium) aus dem Stickstoff der Luft synthetisiert werden. Diese sogenannte Stickstofffixierung wird enzymatisch katalysiert, da sie einen sehr energieaufwendigen Prozess darstellt. Mehrere Bakterienarten verfügen über die Fähigkeit, Stickstoff aus der Luft zu fixieren, beispielsweise Cyanobakterien, Clostridium und Knöllchenbakterien in Symbiose mit Schmetterlingsblütlern.

Außerdem entsteht Ammonium als Endprodukt bei dem Abbau von Proteinen aus abgestorbener Biomasse (pflanzlich oder tierisch). Dieser Abbau wird von Destruenten (Bakterien oder Pilzen) durchgeführt.

Ammonium wird in Gewässern von Bakterien unter Sauerstoffverbrauch zuerst zu Nitrit und dann weiter zu Nitrat oxidiert. Diese sog. Nitrifikation ist ein wichtiger Selbstreinigungsmechanismus von Gewässern. Bei starkem Eintrag von Ammonium (z.B. aufgrund von übermäßiger Düngung) kann die Nitrifikation allerdings durch Anreicherung des toxischen Zwischenproduktes Nitrit oder aufgrund de hohen Sauerstoffzehrung zu Fischsterben führen.

Ammoniak selbst ist für Fische schon in geringer Konzentration toxisch. Je nach pH-Wert des Wassers gelten Ammoniumkonzentrationen von über 0,5 bis 1 mg/l als kritische Grenze.

Zu welchen Problem führt das in der Technik?

Besonders bei Membranverfahren sorgt das Ammonium/Ammoniak – Gleichgewicht für Probleme. Membranen können geladene Teilchen zurückhalten, sind aber durchlässig für Gase. Sollte das zu reinigende Wasser Ammonium enthalten und der pH-Wert im alkalischen Bereich liegen, passiert das gasförmige Ammoniak die Membran und liegt im Permeat vor. Dies sorgt für eine zu hohe Leitfähigkeit des gereinigten Wassers.

Lösung: pH-Wert vor der Umkehrosmose senken und Ammonium als Salz an der Membran abfangen. Anschließend pH-Wert wieder erhöhen, um die gewünschte Leitfähigkeit zu erhalten.

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