AQUAGRAN-Filterquarz

Produkte zur Aufbereitung von Wasser für den menschlichen Gebrauch. Geregelt in DIN EN 12904 (Ersatz für DIN 19623 : 1978-01)

Vorwort und Allgemeines

Technisch werden sogenannte Dränfilter zur Wasserreinigung eingesetzt. Dabei ist ein erheblicher Anteil des Fitermaterials Sand und Kies in verschiedenen Korngrößenverteilungen. Die Wirkung der Filtration besteht nicht nur in einem mechanischen Zurückhalten fester Stoffe, wie z.B. bei einer Siebung, sondern auch in folgenden Vorgängen:

 

  • Anlagerung – oder Koagulation
  • Ausfällen kolloidaler Partikel oder Flockungsvorgänge
  • Oxidationsvorgänge
  • katalytische Vorgänge
  • Grenzflächen- und Strömungsvorgänge
  • Adsorptionsvorgänge
  • Mikrobiologische Vorgänge

 

Für die unterschiedlichen physikalischen Vorgänge werden unterschiedliche Medien eingesetzt. Entsäuerung und Neutralisation werden durch verschiedene Reagenzien erzielt. Zur eigentlichen Filtration benutzt man Antrahrazit, Aktivkohle, Filtersande und Filterkiese. Dabei dienen Anthrazit und Aktivkohle dazu, verschiedenste Wassereigenschaften wie z.B. Geruch und Geschmack, Entfärbung etc. zu beeinflussen. Die Filtersande und -kiese dienen dazu, diverse Schwebstoffe zu entfernen. Die diversen Schwebstoffe werden durch Anlagerung bzw. Adsorption zurück gehalten.

 

Die im Titel angesprochene Norm gilt für die Sande und Kiese zur Aufbereitung von Wasser für den menschlichen Gebrauch. Dabei wird sowohl die Anwendung als auch die Prüfung der entsprechenden Materialien geregelt. Innerhalb der EN 12904 ist auf verschiedene andere Normen, Definitionen und Prüfverfahren verwiesen. So sind die gültigen Definitionen in der EN 12901, die diversen Prüfverfahren in der EN 12902 geregelt.

 

Chemisch gesehen, handelt es sich bei Filterkies und Filtersand um Siliciumdioxid (SiO2), wobei die Begriffe Quarzsand und Quarzkies als Synonym gebraucht werden.

Prüfverfahren

Die EN 12904 regelt die Prüfverfahren so, daß Probenahme, Korngrößenverteilung, Schüttdichte, Rütteldichte, Gehalt an SiO2 sowie die Säurelöslichkeit immer zu berücksichtigen sind. Dabei werden die Details in der EN 12902 geregelt (wie unter den Punkten physikalische und chemische Eingenschaften beschrieben).

Änderungen zur vorhergehenden Norm 19623

Gegenüber der vorher geltenden DIN 19623 wurden einige Punkte geändert. So wurden die Anforderungen an die EU- Richtlinie über Trinkwasser angepaßt, insgesamt 3 Produkttypen festgelegt, die Probenahme und Analytik überarbeitet sowie Hinweise zur Sicherheit und zum Unfallschutz aufgenommen.

 

Die Produkttypen können als qualitative Einteilung verstanden werden, wobei der SiO2 -Gehalt (Siliciumdioxidgehalt) beim Typ 1 einem Quarzsand bzw. Quarzkies entspricht, bei den Typen 2 + 3 handelt es sich nicht um Quarzsande und Quarzkiese.

 




Grenzwerte als Massenanteil im Produkt %   
Typ 1Typ 2 Typ3
d10 < 2 mmd10 > 2mm
968080 
22510

 *die Säurelöslichkeit wird unter Chemische Eigenschaften näher erklärt.

 

AQUAGRAN® ist eine Marke für Quarzkies und Quarzsand, der die Kornzusammensetzung und sonstigen Anforderungen der EN 12904 an Trinkwasser - Aufbereitungsprodukte erfüllt.  

Physikalische Eigenschaften

Der eingesetzte Quarzsand oder Quarzkies kann sowohl grau/weiß, gelblich oder auch vielfarbig sein. Dabei sind alle Strukturen von glatter bis hin zu rauer Oberfläche zugelassen. Die Kornform darf kugelig oder eckig sein, wobei die Kornform die Filtrationseigenschaften massiv beeinflußt.

Alle Produkte müssen generell homogen und frei von sichtbaren Verunreinigungen bzw. Fremdstoffen sein. Weitere wichtige Parameter zur Beschreibung der Materialien sind:

  • Korngrößenverteilung
  • Dichte
  • Permeabilität von Pulver
  • Kuchendichte

Korngrößenverteilung

Die Korngrößenverteilung muß entweder durch die Parameter:

  • Effektive Korngröße (d10) mit Grenzabweichung von ± 5 %. Dabei wird die Maschenweite des Prüfsiebes angegeben, durch das 10 Gew.% der Kornverteilung des angegebenen Siebes hindurch gehen (90 % verbleiben auf dem Sieb).
  • Den Ungleichförmigkeitsgrad (U), < 1,5. Dabei wird das Verhältnis der Maschenweiten der Siebe angegeben deren Durchgänge bei 60 % (40 % Rückstand) und 10 % (90 % Rückstand) der Absiebung liegen.
  • Die minimale Korngröße (d1) mit Grenzabweichung ± 5 %. Dabei gehen 1 Gew. % der Kornverteilung durch das angegebene Sieb hindurch (99% bleiben auf dem Sieb).

 

Oder durch die Korngruppe mit Über- und Unterkornanteil entsprechend der Anwendung für die verschiedenen Filterarten festgelegt werden.

 

Als Beispiel für die Festlegung der Korngrößenverteilung mit Über- und Unterkorn dient folgende Tabelle:

Körnung
mm
Zulässiger Massenanteil in %
UnterkornÜberkorn




Sand
0,4 bis 0,8
0,5 bis 1,0
0,6 bis 1,18
0,63 bis 1,0
0,71 bis 1,25


5


5
0,85 bis 1,7
1,0 bis 1,6
1,0 bis 2,0
1,18 bis 2,8
1,6 bis 2,5



10



10



Kies
2,0 bis 3,15
2,36 bis 4,75
3,15 bis 5,6
5,6 bis 8,0
6,7 bis 13,2
8,0 bis 12,5
12,5 bis 16,0
13,2 bis 26,0


15


15

 

Das zulässige Unter- bzw. Überkorn des Materials wurde nach den verschiedenen Filterarten festgelegt. Wir unterscheiden:

Mehrschichtfilter:     
Einschichtfilter: 
Tragschicht im Mehr- und Einschichtfilter: 

 

 

Dichte:

Die Dichte wird grundsätzlich unterschieden in Schüttdichte und Rütteldichte. Beide Angaben weichen von der Eigendichte des Materials ab. Als Dichte des reinen Materials werden die Feststoffdichte, die Rohdichte und die Kornnaßdichte angeben.

Feststoffdichte:von 2,5 g/cm³ bis 2,8 g/cm³
Rohdichte:von 2,5 g/cm³ bis 2,8 g/cm³
Kornnaßdichte:von 2,5 g/cm³ bis 2,8 g/cm³


Die Schüttdichte entsteht beim "Schütten" des Materials in ein Gefäß. Dabei legen sich die einzelnen Körner nicht "perfekt" aneinander, so daß ein erheblicher Hohlraum innerhalb des Materialhaufens entsteht. Daher ist die Schüttdichte immer geringer als die Rohdichte. Weiter bietet die Schüttdichte einen Hinweis auf die Kornform, da "runde" Körner bei gleicher Rohdichte eine höhere Schüttdichte ergeben als "eckige" (sie rollen besser zusammen).

Man geht davon aus, daß die Schüttungsporosität (das Zwischenraumvolumen) ca. 40 % beträgt.

Die Rütteldichte entsteht, wenn das Haufwerk von oben, zur Bestimmung der Schüttdichte, mechanisch gerüttelt wird. Dabei "rutschen" die einzelnen Körner weiter zusammen und füllen mehr Hohlräume als bei der reinen Schüttdichte aus. Die Rütteldichte ist also immer größer als die Schüttdichte und kleiner als die Rohdichte. Die Rohdichte kann nicht erreicht werden, da auch bei perfekter Ausfüllung des zur Verfügung stehenden Raumes immer noch Hohlräume bleiben, die sich aus der Kornform erklären.

Die Bestimmung der einzelnen Dichten ist normiert und wird in der EN 12902 genau beschrieben.

In der EN 12904 wird festgelegt, daß die Sande und Kiese folgende Grenzwerte in der Dichte einzuhalten haben:

Schüttdichte:1.400 kg/cm³ bis 1.700 kg/cm³
Rütteldichte:von 1.500 kg/cm³ bis 1.900 kg/cm³

Permeabilität

Dabei wird die "Durchlässigkeit" einer Materialprobe gemessen. Anwendbar ist diese Prüfung allerdings nur auf Körnungen von 5 µm bis 200 µm (= 0,2 cm). Zur Messung der Permeabilität wird ein definierter Filterkuchen mit einer genauen Menge an Wasser übergossen. Das Wasser wird unter definierten Bedingungen durch den Filterkuchen gezogen und die Zeit gemessen. Durch Berechnung einer Kennzahl (Permeabilität B0 ) können die verschiedenen Proben miteinander verglichen werden. Die Angabe wird in manchen Fällen benutzt, um die technische Auslegung von Filtern zu erleichtern.

Kuchendichte

Ähnlich wie bei der Permeabilität wird ein definierter Filterkuchen erzeugt. Im Fall der Kuchedichte wird allerdings das Volumen / Gewichtsverhältnis ermittelt und angegeben. Anwendbar ist diese Prüfung allerdings ebenfalls nur auf Körnungen von 5 µm bis 200 µm. Die Angabe gibt ebenfalls hinweise zur technischen Auslegung von Filteranlagen.

Chemische Eigenschaften

Die Bestimmung der chemischen Eigenschaften des Filtersandes und Filterkieses wird ebenfalls in der EN 12902 geregelt. So werden:

  • Säurelöslichkeit
  • Asche
  • Wasserextrahierbare toxische Substanzen
  • Gehalt an Kieselsäure
  • Wassergehalt
  • Gehalt an Kohlenstoff
  • Wasserlöslichkeit
  • Bestimmung der PAKs


nach festgelegten Analysenvorschriften ermittelt und geben zusammen mit den physikalischen Eigenschaften die Qualität des Filtermaterials wieder. Im Folgenden sind die einzelnen Analysen und Ihr Hintergrund kurz skizziert:

Säurelöslichkeit
Das beschriebene Verfahren ist anwendbar auf alle Testsubstanzen, die sich im Reinzustand nicht in Säure lösen. Durch Übergießen der quantifizierten Proben mit definierter Salzsäure wird getestet, wieviele säurelöslichen Bestandteile (= säurelöslichen Verunreinigungen) in der Probe sind. Kalk z.B. wird vollständig aufgelöst. Angegeben wird der Massenanteil in Gew.-%, der durch den Test entfernt wurde.

Asche
Das Verfahren ist anwendbar für die kohlenstoffhaltigen Materialien wie Anthrazit, Aktivkohle etc. (vergl. Allgemeines / Vorwort). Durch Veraschen einer definierten Probe bei hohen Temperaturen werden alle festen Kohlenstoffverbindungen in flüchtige Kohlenstoffverbindungen z.B. CO2(Kohendioxid) oder CH4 (Methan) überführt. Angebeben wird der Massenanteil des Rückstandes (der Asche), welche aus anorganischem Material besteht (z.B. SiO2). Der Aschetest gibt Aufschluß darüber, wieviele flüchtige Verbindungen und Wasser in der Probe enthalten sind.

 

Wasserextrahierbare toxische Substanzen

Eine quantifizierte Probe des Materials wird mit einem hergestellten Extraktionswasser übergossen und man läßt das Wasser eine Zeit lang einwirken. Das Extraktionswasser wird dann über verschiedene Analyseverfahren aufgetrennt und die toxischen Substanzen bestimmt. Es handelt sich um sehr feine Bestimmungen im µg - Bereich. Getestet wird auf die Stoffe:

(As)
(Sb)
(Cd)
(Cr)
(Pb)
(Hg)
(Ni)
(Se)
(Cn)
Polycyklische Aromatische Kohlenwasserstoffe(PAK)

 

Durch diese Analyse bekommt man Aussagen, inwieweit toxische Stoffe abgegeben werden, was bei einem Filtermaterial für die Trinkwasseraufbereitung natürlich nicht erwünscht ist.

 

Gehalt an Kieselsäure

Durch Behandlung mit Schwefelsäure und Flußsäure wird der Anteil des reinen SiO2 bzw. der Kieselsäure bestimmt. Dabei wird in mehreren Schritten das reine Siliciumdioxid aus der Probe entfernt. Der Quotient aus Einwaage minus Rückstand durch Einwaage gibt den Massenanteil. Die Angabe ist ein Maß für die Reinheit des Materials und wird als Massenanteil in % angegeben und mit X5 Bezeichnet.Wassergehalt Die Probe wird definiert getrocknet und der Wassergehalt in % angegeben. Bezeichnet wird der Wassergehalt mit X6.

 

Wassergehalt
Die Probe wird definiert getrocknet und der Wassergehalt in % angegeben. Bezeichnet wird der Wassergehalt mit X6.

 

Gehalt an Kohlenstoff (C)
In der EN 12904 ist auf eine andere Norm zur Bestimmung des Kohlenstoffgehaltes verwiesen (ISO 609). Da diese Norm aber zur Bestimmung des Kohlenstoffanteils in Koks, Steinkohle, Braunkohle sowie Benzin und Diesel gemacht wurde, muß zur Zeit noch geprüft werden, ob diese Bestimmung richtig ist.

In der nicht mehr gültigen DIN 19623 wurde dieser Test mit 3 %iger Natronlauge gemacht (Humin- Test). Dabei wurde die Probe mit NaOH übergossen und 24 h stehen gelassen. Nach 24 h war die überstehende Lösung entweder klar bis hellgelb (= keine Humine oder Kohlenstoffverbindungen) oder sie war tiefgelb, rötlich bis braun (= Humine bzw. Kohlenstoffverbindungen vorhanden).

Wasserlöslichkeit
Bei dieser Probe wird das Material mit kochendem Wasser übergossen und das Filtrat dann eingedampft. Durch Rückwaage wird der wasserlösliche Anteil bestimmt, in Massen % angegeben und mit X7 bezeichnet.

 

Bestimmung von PAKs

Die Bestimmung der Polycyclischen Aromatischen Kohlenwasserstoffe wird über verschiedene Chormatografische Verfahren beschrieben. Es dürfen keinen PAKs in der Probe gefunden werden.

Typische Zusammensetzungen:

Die genaue Zusammensetzung der verwendeten Sande und Kiese bzw. im Fall Typ 1 Quarzsande und Quarzkiese hängt stark vom Abbaugebiet bzw. vom Vorkommen ab. Für die chemischen Inhaltsstoffe werden typische Grenzwerte angenommen. In der folgenden Tabelle sind einige anorganische Verbindungen mit ihren Grenzwerten aufgeführt.

 

Parameter

Grenzwerte als Massenanteil im Produkt in %
Typ 1Typ 2Typ 3
31313
2102
1,515
241
1,521

 

Dabei ist die Regel, daß im Falle von wesentlichen Änderung zu den typischen Richtwerten, diese dem Verbraucher mitzuteilen sind. Mineralogische und petrologische Untersuchungen liefern weitere Informationen.

Verhalten im Notfall

Hautkontakt:
Augenkontakt:
Inhalierung:

 

(aktualisiert im Juli 2016)

DORSTEN
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Dipl.-Ing.

Uwe

Behrendt

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