Heizkreislauf: Korrosionsgefahr durch Spurenstoffe

Während die Ursache für zu hohe pH-Werte im Heizungswasser meistens schnell gefunden ist – hier wäre vor ­allem die Selbstalkalisierung stark enthärteter Füllwässer zu nennen –, gibt es für deutlich zu niedrige pH-Werte doch mehrere Möglichkeiten. In extremen Fällen werden hier Werte bis pH 4 gemessen. Derartige Wässer sehen – spätestens nach dem Abfüllen einer Probe und der Reaktion mit Luftsauerstoff – wie „Multivitaminsaft“ aus (Bild 1). Ursache für diese Färbung sind suspendierte, frische Eisenkorrosionsprodukte. Wie kommt es nun zu dieser Reaktion, insbesondere der Säurekorrosion?

Der Korrosionsprozess

Grundsätzlich hat Schwarzstahl die Tendenz, sich in wässriger Umgebung (gemäß Fe → Fe²⁺ + 2 e^-) aufzulösen. Die am Metall zurückbleibende Ladung (e^-) wird in unmittelbarer Nähe zur Austrittsstelle einem Oxidationsmittel – in der Regel im Wasser gelöstem Sauerstoff – angeboten, wobei sich Hydroxidionen gemäß ½ O₂ + 2e^- + H₂O → 2 OH^- bilden.

Bei niedrigen pH-Werten im Anlagenwasser ab pH < 5 ersetzen die jetzt in nennenswerter Konzentration vorhandenen H⁺ Ionen der Säure das Oxidationsmittel Sauerstoff. Es kommt zur Säurekorrosion, die ebenfalls in korrosionstechnisch geschlossenen Anlagen unter Bildung von Wasserstoff abläuft

(2 H⁺ + 2e^- → H₂). Der „elektrische“ Ladungsausgleich geht dabei über das Wasser und wird durch dessen elektrische Leitfähigkeit zunehmend begünstigt.

pH-Wert des Heizungswassers

Der pH-Wert des Heizungswassers entscheidet darüber, ob sich auf den im Heizkreislauf verbauten Metallen eine Deckschicht ausbilden kann oder nicht. In Bild 2 sind die pH-Bereiche für die Werkstoffe Eisen, Kupfer und Aluminium dargestellt, bei denen sich eine sogenannte Passivschicht aus Korrosionsprodukten bildet, die zumindest die weitere ­Flächenkorrosion massiv eindämmt.

Als bestmöglichen Kompromiss für die im Heizkreis verbauten Metalle fordern die einschlägigen Regelwerke, insbesondere die VDI-Richtlinie 2035, einen pH-Bereich von 8,2 - 9,0. Für Anlagen ohne Aluminiumkomponenten sollte der pH-Wert jedoch zwischen 9,3 und 10,0 liegen, da ein hoher pH-Wert grundsätzlich auch die Sauerstoffkorrosion bremst.

Interessant sind in diesem Zusammenhang Untersuchungsergebnisse von Siemens Building Technologies AT aus dem Zeitraum 1997-2007, wonach sämtliche Wasseranalysen von „Problemanlagen“ einen zu niedrigen pH-Wert zeigten. Betrachtet wurden vor allem Regelventile [4].

Für niedrige pH-Werte im Heizungswasser gibt es mehrere Ursachen:

• Organische Säuren - Diese werden durch abgebaute Frostschutzmittelreste gebildet. Hier entstehen überraschend niedrige pH-Werte bis ca. 4. Das unbeabsichtigte Einbringen von Frostschutzmitteln ist die Hauptursache für sehr ­niedrige pH-Werte im Anlagenwasser.
• Reste von sauren Reinigungsmitteln – Diese basieren in der Regel auf Fruchtsäurebasis und werden zur Entschlammung oder vor dem Einsatz sogenannter Vollschutzmittel eingesetzt.
• Füllwasser aus einer Umkehrosmose, das noch größere Mengen nicht ausgegaster Kohlensäure enthält
• Versauerung stark eisenhaltiger Anlagenwässer mit Sauerstoffzutritt infolge einer Bildung saurer Korrosionsprodukte

Reste von Frostschutzmittel führen zu Korrosion

Die gezielte Zugabe von Frostschutzmitteln stellt in der Regel kein Problem dar, weil hier auf Mindestkonzentrationen geachtet wird und die Fertigmischungen auch entsprechende Schutzstoffe wie Korrosionsinhibitoren und Pufferungsmittel enthalten. Als ­problematisch erweisen sich vielmehr unbeabsichtigt eingebrachte Kleinmengen im ­Bereich von < 0,5 %.

Primäre Quellen dafür sind Spülpumpen und Schläuche, die gleichzeitig für das Füllen thermischer Solaranlagen genutzt werden. Daneben werden auch zur Dichtheitsprüfung mancher Aggregate, z. B. Wärmepumpen, Glykole benutzt, die vor der Installation ausgespült werden müssten.

Ethylenglykol oder das aus gesundheitlicher Sicht ungefährlichere Propylenglykol sind zunächst vom pH-Wert her neutral. Kommen diese zweiwertigen Alkohole aber in der Hitze in Gegenwart von Eisenionen mit etwas Sauerstoff in Kontakt, bauen sie sich zu organischen Säuren ab. Eisenionen beschleunigen dabei die Degradation erheblich, während Kupfer, Messing und Aluminium keine alterungsfördernde Wirkung zeigen [5, 6].

Als Reaktionsendprodukte sind u. a. Oxal-, Milch-, und Glykolsäure nachweisbar, die den pH-Wert stark absenken. Auch die aktuelle VDI-Richtlinie 2035 hat dies in Kapitel 10/Tab. 2 aufgegriffen und nennt als Ursache für orangefarbene Heizungswässer mit niedrigem pH-Wert die organischen Säuren aus verschleppten, bereits abgebauten Frostschutzmitteln. Hier folgt die Empfehlung, Komponenten, die bereits für Wasser-Frostschutzmittel-Befüllungen genutzt wurden, nicht weiter für die Heizungsanlage einzusetzen.

Reste von Frostschutzmitteln sind eine Quelle für organischen Kohlenstoff und somit ein relevanter Wasserparameter, der ­mikrobiologische Prozesse ermöglicht. Organischer Kohlenstoff ist unter anderem auch für die Sulfatreduktion notwendig. Die entstehenden Schwefelspezies wirken z. B. stark korrosiv auf Stahl.

Als Messgröße ist hier der TOC-Gehalt (total organic carbon) zu nennen, Regelwerke wie die BTGA 3.003 oder die Schweizer SWKI BT102 geben hier Richtwerte von < 25 bzw. < 30 mg/l vor. Belastete Anlagen im Feld ­zeigen oft Werte bis 2000 mg/l.

Welche Sanierungsmöglichkeiten gibt es?

In einem so hohen Ausmaß belastete Anlagen sollten, wenn möglich, erst mit Leitungswasser quergespült werden. Danach wäre als Mittel der Wahl eine Aufbereitung im Teilstromverfahren zu empfehlen. Sofern das ­Anlagenwasser betriebsbedingt oder aufgrund entsprechender Einleitgrenzwerte nicht einfach abgelassen oder vorher gespült werden kann, lässt sich zur Sanierung des Anlagenwassers die Teilstromaufbereitung auch direkt einsetzen.

In diesem Falle sollte das ­Anlagenwasser weitgehend entsalzt werden (LF < 60 µS/cm), um dessen Pufferung zu vermindern und nebenbei das gelöste Eisen zu entfernen. Findet eine solche Entsalzung nicht statt, wird spätestens bei der pH-Korrektur nach oben viel Eisen(III)oxidhydrat (FeOOH) als Schlamm ausfallen und ggf. Filter verblocken.

In einem weiteren Arbeitsschritt sind die degradierten Rückstände des Glykols, z. B. durch intensive Teilstromfiltration über Aktivkohle, bestmöglich zu eliminieren. Andernfalls darf davon ausgegangen werden, dass sich der pH-Wert im Laufe der Zeit erneut ­absenken wird.

Abschließend wird ein alkalisierender pH-Stabilisator eingespült. Alle Arbeitsschritte lassen sich zum Beispiel sehr einfach mit der multifunktionalen, kompakten Teilstromentsalzungseinheit Permaline Mobil ausführen. Voraussetzung für den ­Verfahrenserfolg ist immer das Erfassen des kompletten Anlagenvolumens.

Fazit

Unabsichtlich eingebrachte Frostschutzmittelreste sorgen für eine überraschend ­deutliche Verminderung der Heizungswasserqualität. Eine Sanierung lässt sich jedoch mit intelligenten Teilstromverfahren leicht und ohne Betriebsunterbrechung durchführen. Allerdings nur unter der Voraussetzung, dass dabei auch das gesamte ­Anlagenvolumen erfasst wird.

Dieser Artikel von Dr. Dietmar Ende ist zuerst erschienen in SBZ 17/2021. Dr. Dietmar Ende ist Sachverständiger für Korrosion und Leiter Forschung und Entwicklung bei der perma-trade Wassertechnik GmbH.