Biozide für Kühltürme

Chlor wird seit vielen Jahren als Desinfektionsmittel eingesetzt, um Geschmacks- und Geruchsprobleme im Wasser zu beseitigen. In seiner letztgenannten Eigenschaft ist es das wirksamste aller Halogene. Die Menge des in einem offenen Kühlwassersystem notwendigen Chlors wird von einer Reihe von Faktoren bestimmt. Dazu zählen Chlorbedarf, Kontaktzeit, pH-Wert und Wassertemperatur. Wenn Chlorgas mit Wasser in Kontakt kommt, hydrolisiert es und bildet unterchlorige Säuren und Salzsäuren.

 Cl₂ + H₂0   ==>  HOCl + HCl

Unterchlorige Säure ionisiert dabei nach der hier folgenden reversiblen Reaktion:

HOCl   <==>   H⁺ + OCl^- 

HOCL  <==>  HCl  + (O)

Die biozide Wirksamkeit wird durch die Konzentration der unterchlorigen Säure bestimmt, während das Hypochlorit-Ion darauf nur einen geringen Einfluss hat. Die mikrobiozide Wirkung des Chlors in Form der unterchlorigen Säure beruht auf ihrer chemischen Einwirkung auf Fermente. Die mikrobiozide Wirkung des Hypochlorit-Ions beträgt im Vergleich zur unterchlorigen Säure nur noch ca. 1-2%. Dies ist dadurch bedingt, dass die undissoziierte Form (HOCl) wesentlich besser als das Hypochlorit-Ion (OCl^-) die Zellmembran durchdringen und die Fermente oxidieren kann. Außerdem wirkt natürlich der atomare Sauerstoff oxidierend. Der Chlorbedarf bezieht sich auf die zur Reaktion mit Verunreinigungen benötigte Chlormenge. Organische Substanzen, wie Algen, Schleim, Kühlturmholz und Chemikalien, wie z.B. Schwefelwasserstoff benötigen eine bestimmte Chlormenge, deren Bedarf erst gedeckt werden muss, bevor ein ausreichender Chlorüberschuss im Wasser erreicht werden kann. Die Menge des für eine wirksame Kontrolle notwendigen frei verfügbaren Restchlorgehalts ist abhängig vom pH-Wert. Bei einem pH-Wert zwischen 6.0 und 8.0 genügen normalerweise 0,2 mg/l freies Restchlor. Wenn der pH-Wert zwischen 8.0 und 9.0 liegt, muss der Restchlorgehalt auf 0,4 mg/l erhöht werden, und bei einem pH-Wert zwischen 9.0 und 10.0 werden 0,8 mg/l Chlorüberschuss benötigt. Chlor ist ein ausgezeichnetes Algizid und Sporizid,und freie Restchlormengen von 0,5 mg/l oder etwas höher genügen im Normalfall, um die meisten Arten von mikrobiologischen Bewuchs wirksam zu bekämpfen. In den meisten Anwendungsbereichen zeigt Chlor auch eine ausgezeichnete bakterizide Wirkung, wobei jedoch einige Stämme der Aerobacter, Pseudomonas und Desulfovibrio eine erhebliche Widerstandsfähig entwickeln können. Durch die Oxidation mit Chlor können andere Probleme aufgrund organischer Inhaltsstoffe (Farbe, Geruch) beseitigt werden, dabei entstehen aber Trihalogenkohlenwasserstoffe (THM), die im Verdacht stehen karzinogen zu sein. Die Desinfektion mit Chlorgas kann außerdem zu erheblichen Geschmacksbeeinträchtigungen führen, wenn das Wasser Phenole enthält, aus denen Chlorphenole gebildet werden. Generell wird Chlor im Vorlauf kurz vor den Wärmetauschern eingespeist, da Chlor durch Sonnenlicht zerstört wird und beim Durchgang durch den Kühlturm durch die Belüftung verloren geht. Die Chloreinspeisung erfolgt kontinuierlich oder periodisch. Die Stoßchlorung wird allerdings bevorzugt, weil sie eine wirksame und kostengünstige Desinfektion garantiert.

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Cl₂  +  2 NaClO₂  ==>  2 NaCl  +  2 ClO₂

In kleineren Anlagen kann Chlordioxid durch Mischen von Salzsäure und Natriumhypochlorit produziert werden:

HCL  + HOCl  +  2 NaClO₂  ==>  2 ClO₂ +  2 NaCl  +H₂O

Die Dosiermenge an Chlordioxid bei der Entkeimung beträgt max. 0,4 g/m³ Wasser, je nach Gehalt an organischer Substanz. Die Kontaktzeit sollte wenigstens 30 Minuten betragen. In mit Ammoniakstickstoff und Phenolen verunreinigten Kühlwasseranlagen kann es jedoch durchaus in Betracht gezogen werden, da es mit organischen Verbindungen weniger stark reagiert als viele andere oxidierende Mikrobiozide. Ein weiterer Vorteil von Chlordioxid ist, dass es im Gegensatz zu Chlor im Wasser nicht mit Ammoniak reagiert und somit keine unerwünschten und giftigen Chloramine bildet.

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Chlorisocyanurate

Diese organischen Chlorverbindungen werden in kleineren Industrieanlagen sehr geschätzt, wenn ein oxidierendes Mikrobiozid eingesetzt wird, jedoch die mit dem Chlordosierungsgerät verbundenen Investitionskosten nicht tragbar sind. Die Chlorisocyanurate sind feste Chlorverbindungen in Granulat- oder Tablettenform, die sich im Wasser auflösen und langsam Chlor und Cyanursäure freigeben. Es wurde zuerst zur Hygienebehandlung in Schwimmbädern verwendet. Dabei zeigte sich, dass Cyanursäure als Chlorstabilisator den Chlorverlust durch photochemische Reaktionen mit ultraviolettem Licht verringert. Dieser zusätzlich stabilisierende Faktor zusammen mit ihrer langsamen Löslichkeit machte diese Säure zu einem idealen Mittel bei der Anwendung in Kühlwasseranlagen.

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Ozon findet als starkes umweltfreundliches Oxidationsmittel bereits vielseitige Verwendung in der Wasseraufbereitung. Es ist ein stark oxidierendes und instabiles Gas und wird direkt am Einsatzort aus Luft oder Sauerstoff durch stille elektrische Entladung hergestellt. Das in so genannten Ozongeneratoren produzierte Ozon wird dann in das zu entkeimende Wasser injiziert. In Lösung behält es seine stark oxidierenen Eigenschaften und ist in vielen Reaktionen mit Chlor vergleichbar. Es reagiert ähnlich wie andere oxidierende Mikrobiozide, in dem es sich mit Eiweiß verbindet und die zur Zellatmung notwendigen reduzierenden Enzyme inaktiviert. Ozon neigt zur ständigen Abspaltung eines Sauerstoffatoms. Hierauf beruht auch die hohe Oxidationswirkung:

O₃  ==>  O₂ +  (O)

Nach erfolgter Ozonbehandlung untersuchte Bakterienzellen scheinen aufgebrochen zu sein und haben das lebenserhaltende Zytosplasma verloren. Ähnlich wie Chlor kann auch Ozon durch Temperatur organische Substanzen, Lösungsmittel und angesammelte Reaktionsprodukte beeinflußt werden, wobei der Einfluss des pH-Wertes geringer ist als es bei Chlor der Fall ist. Ein weiterer Vorteil des Ozons liegt darin, dass es Bakterien und Viren schneller abtötet als Chlor und dass durch die Ozonbehandlung keine Nebenprodukte (z.B. THM) gebildet werden, außer der freiwerdende Sauerstoff, doch der ist in vielen Fällen erwünscht. Im Gegensatz zu Chlor trägt es jedoch nicht zu einem erhöten Chlorgehalt des Wassers bei. Ozon zerfällt relativ rasch zu reinem Sauerstoff. Dieser verbleibende Sauerstoff ist nicht umweltrelevant und für Wasserorganismen harmlos. Wenn Ozon schädliche Bakterien oder Verschmutzungsstoffe inaktiviert oder oxidiert gibt es im Allgemeinen keine Nebenerscheinungen oder Nebenprodukte, im Gegensatz zu anderen Desinfektionsmitteln wie z.B. Chlor. Der normale Ozonüberschuss liegt bei 0,1 - 0,5 mg/l in einem Kühlwassersystem, das entweder kontinuierlich oder periodisch behandelt wird. 

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Eine Reihe von organischen Schwefelverbindungen sind für den Gebrauch in Kühltürmen erhältlich, z.B. Methylene-bis-thiocyanate (MBT). Die Mechanismen ihrer mikrobioziden Aktivität sind einander ähnlich. Die pH-Bereiche, die ihre Wirksamkeit beeinflussen, sind jedoch unterschiedlich. Organischen Schwefelverbindungen wirken allgemein als Mikrobiozide, in dem sie entweder kompetetiv oder nichtkompetetiv das Wachstum eines Mikroorganismus hemmen. Die kompetetiv-hemmenden organischen Schwefelverbindungen entfernen das Fe³⁺-Ion aus einer essentiellen Reaktion zur Energieerzeugung, in dem sie es als Eisensalz komplexieren. Diese Beseitigung des Eisenions beendet die Energieübertragung vom Zytochrom und verursacht so den sofortigen Tod der Zelle. Die durch bestimmte organischen Schwefelverbindungen verursachte nichtkompetetive Hemmwirkung besteht darin, dass die Zelle dazu veranlasst wird eine bestimmte chemische Substanz zu akzeptieren, die schließlich zu seiner Zerstörung führt.

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