In dit hoofdstuk willen we graag het gedrag van kalk laten zien als er een beetje zink in het water zit.
Omdat veel verklaringen te maken hebben met de chemie zelf, waarschuwen we ervoor dat kalk, in zijn diverse vormen niets anders is dan calciumcarbonaat, oftewel CaCO3.
Ook willen we het graag hebben over de eerste fasen van de vorming van calciumcarbonaat en de algemene factoren die deze fasen beïnvloeden, omdat de definitie ervan ons zal helpen de relatie met zink beter te begrijpen:
A) We noemen de “inductieperiode” de tijd die verstrijkt vanaf de vorming van het eerste calciumcarbonaat molecuul tot de vorming van de eerste kernen.
B) Later zal er “kiemvorming” ontstaan, wat de groei is van al deze kleine kernen.
C) De “kristalgroei” begint wanneer het grotere afmetingen krijgt.
Deze drie fasen zijn erg belangrijk omdat ze de sterkte en hardheid van iedere laag bepalen. Daarom zullen we, afhankelijk van de eerste omstandigheden van het water een bepaald resultaat krijgen.
Hieronder zullen we de parameters die deze vorming beïnvloeden, in volgorde van mate van belang met elkaar in verband brengen:
1) Calciumgehalte: dit is de meest belangrijke parameter van allemaal, hoe hoger het calciumgehalte, hoe groter de hoeveelheid aanslag.
De uiteindelijke hoeveelheid calciumcarbonaat die we hebben, zal echter beperkt worden door de hoeveelheid bicarbonaten, een molecuul waarmee calcium zich vooraf samenvoegt. Dus hoe groter de tijdelijke hardheid (en niet de totale hardheid, zie voor meer informatie de blog (link naar de blog ‘Wat is waterhardheid?’) hoe groter het niveau van verzadiging en hoe groter de hoeveelheid aanslag.
Ca2+ + 2HCO3– <=> CaCO3 + CO2 + H2O
2) pH: het effect van pH is belangrijker dan de temperatuur. Het is experimenteel aangetoond (1) dat een verhoging van de pH van 7 naar 8 vijf keer meer aanslag veroorzaakt dan een temperatuurverandering van 70ºC in monsters van gelijke hardheid.
Anderzijds, zijn sterk alkalische oplossingen vatbaarder voor de vorming van aragonietkristallen in plaats van calciet (2).
3) Temperatuur: hoe hoger de temperatuur, hoe meer CO2 vrijkomt en er dus meer aanslag ontstaat ten gevolge van onbalans in de voorafgaande reactie. Bij een hogere temperatuur wordt de inductieperiode verkort.
Dus als we een lage temperatuur hebben, hebben we een hoge pH of een hoog calciumgehalte (of beide tegelijk) nodig om de CaCO3 te versnellen.
Maar daarnaast is de temperatuur belangrijk voor andere redenen en dat is dat normaal gesproken de eerste kristallisatiefase begint met aragoniet, vooral bij hoge temperaturen, om vervolgens te herkristalliseren en calciet te vormen.
We zien dus dat calciet onder de 50ºC-60ºC het meest thermodynamisch stabiele kristal is. Boven deze grens zal zich het kristal aragoniet vormen en in diezelfde marge kunnen de twee kristallen aanwezig zijn (3).
Op deze manier is door korte tests in ketels vastgesteld dat bij hoge temperaturen aragonietafzettingen in de weerstanden kunnen ontstaan (4).
4) Watersnelheid: het is aangetoond dat de aanslag afneemt naarmate de snelheid van de waterstroom afneemt (5). We kunnen de logica van het bovenstaande ook beredeneren door te denken dat een hogere snelheid van de waterstroom resulteert in een grotere hoeveelheid calcium.
5) Waterkwaliteit: de aanwezigheid van organische en anorganische onzuiverheden kunnen een aanzienlijke invloed hebben op het kristalgroeiproces (6).
Onzuiverheden die de ionen Fe2+, Mg2+, Ni2+, Co2+, Zn2+, Cu2+ bevatten, bevorderen de vorming van aragoniet wanneer de omstandigheden gunstig zijn voor calciet. Daarnaast is er sprake van een verlenging van de inductieperiode.
Onzuiverheden met Mn2+, Cd2+, Sr2+, Pb2+ en Ba2+ bevorderen de aanwezigheid van calciet.
De algemene opvatting is dat de aanwezigheid van deeltjes in de precipitatie van calciumcarbonaat de aanslagstructuur verzwakt (7). Ook is er geconstateerd dat de aragoniet stabiel kan zijn vanwege de aanwezigheid van bepaalde wateronzuiverheden en daarnaast de kiemvorming van calciumcarbonaat bij kamertemperatuur kan vertragen (8).
Ten slotte zouden we ons graag willen richten op natuurlijk en synthetisch water dat normaal gesproken gebruikt wordt in laboratoria voor experimenten, omdat het verschil tussen deze twee zeer opvallende verschillen veroorzaakt. Het natuurlijk water is beter bestand tegen de precipitatie van calciumcarbonaat en wij kunnen vaststellen dat bij dezelfde hardheid en bij een temperatuur van 70ºC, er in natuurlijk water tot 40% minder aanslag aanwezig is.
6) Leidingmateriaal: de hechtsterkte van de aanslag aan materialen hangt af van de mate van ruwheid van dat oppervlak. Zo kunnen we van de grootste tot de minst grote ruwheid benoemen: koper, aluminium, gegalvaniseerd staal, messing, roestvrij staal… (9).
Voordat we over zink beginnen te praten, is het eerste dat we moeten benadrukken dat het het beste mineraal is van alle mineralen die van nature in water aanwezig zijn om aanslag te voorkomen. Ook is geconstateerd dat het elektrolytisch oplossen en het gebruik van koper als kathode veel betere resultaten oplevert dan wanneer we het chemisch oplossen (10).
Dit zijn de effecten:
A) Inductieperiode
Zink vertraagt dit zelfs nog meer naarmate er een grotere hoeveelheid aanwezig is in verhouding tot het calciumgehalte dat aanwezig is in het water. Dit effect begint merkbaar te worden boven de 0,06×10-3 Zn/Ca (11), dat wil zeggen: als we 100 mg/l calcium hebben, hebben we minimaal 0,006 mg/l zink nodig om enig effect te zien.
Ook begint de precipitatie van calciumcarbonaat bij een hogere pH-waarde bij aanwezigheid van zink.
Voordat we verder gaan met de kiemvorming, kunnen we een ander fenomeen niet negeren, namelijk de remming, dat wil zeggen dat de aanwezigheid van zink de vorming van calciumcarbonaat blokkeert. Er is tot 80% remming geregistreerd bij omstandigheden met een hoog zinkgehalte en temperaturen rond de 40ºC (12).
B) Kiemvorming:
Omdat zink bij voorkeur precipiteert als zinkcarbonaat (circa 40% van het totaal) en dit kristal sterk lijkt op calciet, blokkeert het de groei en voorkomt het dat calciumcarbonaat precipiteert in aragonietvorm.
C) Kristalgroei
Zink veroorzaakt een langzamere kristalgroei.
Er moet worden opgemerkt dat dit, afhankelijk van de Zn/Ca-verhouding, de omzetsnelheid van calcietkristallen in aragoniet is. Vergeet niet dat in het uiteindelijke resultaat van zowel de procentuele remming als de kristalomzetting, de hierboven besproken chemische parameters het eindresultaat zullen verbeteren of verslechteren.
Als samenvatting van al het bovenstaande kunnen we zeggen dat voor natuurlijk water dat voldoet aan de wetgeving voor drinkwater, met een totale hardheid tot 45ºF en voor omgevingstemperaturen rond de 80ºC, elektrolytische zink ontkalkers de volgende resultaten hebben:
1) Remming van de vorming van kalkaanslag met ongeveer 20%-30%.
2) Van de overige 80%-70% van de kalkaanslag dat zich vormt, zal aragoniet het kristal zijn dat meestal ontstaat (van 80%-90%), een kristal dat zich niet aanhecht dat met de stroom meegaat naar de afvoer.
Deze resultaten kunnen worden verbeterd door middel van: een lager calciumgehalte, een lage pH-waarde, een lage temperatuur en/of van korte duur, lage snelheden van de waterstroom en een hoge geleidbaarheid of aanwezigheid van mineralen.
(1) Dawson, 1990
(2) Kitamura et al., 2002
(3) Coetzee et al., 2006
(4) Andritsos et al., 1997
(5) Müller-Steinhagen, 2000
(6) Gabrielli et al., 1999
(7) Andritsos en Karabelas, 2003
(8) Söhnel en Mullin, 1982
(9) Keysar et al., 1994
(10) MacAdam en Parsons 2004
(11) Coetzee et al., 1996
(12) Meyer 1984
