Kalkvorming · 1

Waarom ontstaat kalkaanslag?

Kalkaanslag ontstaat wanneer water meer calciumcarbonaat in oplossing bevat dan het onder de heersende omstandigheden kan vasthouden. Het overschot zoekt dan een uitweg als vaste stof. Opwarming, verlies van koolstofdioxide en verdamping zijn de drie belangrijkste oorzaken waardoor water die toestand bereikt.

Oplosbaarheid en verzadiging

Elke stof heeft een grens aan hoeveel ervan in water kan oplossen. Voor calciumcarbonaat wordt die grens bepaald door het product van de concentraties (strikter: de activiteiten) van calcium en carbonaat. Zolang dat product onder een bepaalde waarde blijft, het oplosbaarheidsproduct, is het water onverzadigd: er kan geen kalk neerslaan, en bestaande kalk kan zelfs oplossen. Is het product precies gelijk aan die waarde, dan is het water verzadigd en in evenwicht met calciumcarbonaat. Ligt het hoger, dan is het water oververzadigd, en dan "wil" kalk neerslaan.

Waterchemici drukken die toestand uit met de verzadigingsindex (SI), het logaritme van de verhouding tussen het gemeten ionenproduct en het oplosbaarheidsproduct. Een verwante, veel gebruikte maat is de Langelier-index, die uitdrukt hoeveel de werkelijke pH van het water afwijkt van de pH waarbij het precies in evenwicht zou zijn met calciumcarbonaat. Een positieve waarde betekent dat het water neiging heeft om kalk af te zetten; een negatieve waarde dat het kalk eerder oplost. Drinkwaterbedrijven sturen hun water vaak zo dat het in de buurt van het evenwicht blijft, zodat het leidingen niet aantast en ook niet sterk afzet.

Drie oorzaken van oververzadiging

Leidingwater dat uit de kraan komt, is meestal ongeveer in evenwicht of licht oververzadigd. Wat het water daarna doet, bepaalt of er kalk ontstaat.

Verlies van CO₂. Water dat met de lucht in contact komt, of dat wordt opgewarmd, verliest een deel van zijn opgeloste koolstofdioxide. Daardoor stijgt de pH en verschuift het evenwicht tussen bicarbonaat en carbonaat naar de carbonaatkant. Er komt meer carbonaat beschikbaar om met calcium te reageren, en de verzadigingsindex stijgt. De samenhang tussen CO₂, koolzuur, bicarbonaat en carbonaat is beschreven op de pagina Wat is kalk in water?

Temperatuurstijging. Calciumcarbonaat heeft een ongewone eigenschap: het lost minder goed op in warm water dan in koud water. Bij de meeste zouten, zoals keukenzout of suiker, is dat net andersom. Bovendien houdt warm water minder CO₂ vast. Beide effecten versterken elkaar. Daarom is opwarming de belangrijkste oorzaak van kalkaanslag in huis, en daarom krijgt temperatuur een eigen pagina.

Verdamping. Wanneer water verdampt, ontsnapt alleen het water zelf. De opgeloste mineralen blijven achter in een steeds kleiner volume. De concentraties stijgen tot ver boven de oplosbaarheid, en uiteindelijk blijft al het opgeloste materiaal als vaste stof achter.

Van oververzadiging tot een harde korst

Oververzadiging alleen levert nog geen kalkaanslag op. Een kristal moet eerst ontstaan, en daarna groeien. Die eerste stap heet nucleatie of kiemvorming. Een handvol calcium- en carbonaationen moet zich lang genoeg samenvoegen tot een stabiel kristalkiempje. Kleine kiemen lossen gemakkelijk weer op; pas boven een kritische grootte kunnen ze verder groeien. Water kan daarom een tijd licht oververzadigd blijven zonder dat er iets gebeurt.

Kiemvorming gebeurt veel gemakkelijker op een bestaand oppervlak dan vrij in het water. Een metalen wand, een kras, een stofdeeltje of een reeds aanwezig kalkkristal biedt een plek waar de ionen zich met minder energie kunnen ordenen. Men spreekt dan van heterogene nucleatie, tegenover homogene nucleatie in het water zelf. Voor kalkaanslag in huis is dat onderscheid belangrijk. Kristallen die zich in het water vormen, zweven grotendeels mee en spoelen weg, of bezinken als los slib. Kristallen die zich op een oppervlak vormen, hechten zich vast en groeien laag op laag aan tot een harde korst.

Eens er een eerste laagje ligt, gaat het sneller. Calciumcarbonaat groeit het makkelijkst verder op bestaand calciumcarbonaat. Een kalklaag versnelt daardoor haar eigen groei. Bovendien bepaalt de kristalvorm hoe stevig de laag vastzit. Calciet, de stabiele vorm, vormt typisch dichte, harde en goed hechtende lagen. Aragoniet vormt naaldvormige kristallen die onder bepaalde omstandigheden minder vast hechten. Welke vorm ontstaat, hangt af van temperatuur, oververzadiging en de aanwezigheid van andere ionen zoals magnesium.

Waar kalkaanslag zichtbaar wordt

Met die drie oorzaken in gedachten is het patroon van kalk in een woning goed te begrijpen. Kalk verschijnt op plaatsen waar water wordt verwarmd, waar het in contact komt met lucht en CO₂ verliest, of waar het verdampt.

Douchekoppen combineren alle drie de oorzaken. Het water is warm, het wordt in fijne straaltjes verdeeld zodat het veel contact met lucht heeft, en na het douchen blijft er een dun laagje water in de gaatjes achter dat opdroogt. Na enkele weken of maanden kunnen de openingen gedeeltelijk dichtslibben, waardoor de straal onregelmatig wordt.

Kranen en perlators krijgen vooral kalk aan de uitloop. Daar blijft na elk gebruik een druppel hangen die verdampt. Het zeefje van een perlator vangt bovendien losse kalkdeeltjes op die elders zijn gevormd.

Douchewanden en tegels tonen het effect van verdamping het duidelijkst. Spatwater blijft als druppels op het glas staan, en elke druppel die opdroogt, laat een ring of vlekje van mineralen achter. Omdat het glas zelf geen water opneemt, zijn die vlekken goed zichtbaar. Naast calciumcarbonaat kan in die afzetting ook zeep- en kalkzeepresten zitten.

Waterkokers verwarmen telkens een kleine hoeveelheid water tot het kookpunt. Bij koken ontsnapt het CO₂ bijna volledig, zodat een groot deel van de tijdelijke hardheid als kalk neerslaat. Een deel ervan zet zich af op de bodem of het element, een deel blijft als witte schilfers in het water zweven.

Koffiezetapparaten en espressomachines warmen water op in een smalle verwarmingsbuis of in een kleine boiler. Kalk in die nauwe kanalen vermindert de doorstroming en de warmteoverdracht, waardoor fabrikanten een ontkalkingsprogramma voorzien.

Boilers en doorstromers houden water urenlang op temperatuur of verwarmen het snel tegen een heet oppervlak. Kalk zet zich af op het verwarmingselement en als slib op de bodem van het vat.

Warmtewisselaars in combiketels, warmtepompen en platenwisselaars hebben smalle kanalen met een groot oppervlak. Een dunne kalklaag heeft daar relatief veel invloed op de warmteoverdracht en de doorstroming.

Leidingen voor koud water krijgen meestal weinig kalk, omdat het water er koud en gesloten blijft. In warmwaterleidingen, en vooral in circulatieleidingen die voortdurend warm water rondpompen, kan zich na verloop van tijd wel een laagje vormen. Meer daarover op de pagina Waar zet kalk zich af?

Waarom een opgedroogde druppel een witte vlek achterlaat

Een druppel hard water van één tiende milliliter lijkt verwaarloosbaar. Bij een hardheid van 30 °fH bevat die druppel echter ongeveer 0,03 milligram aan hardheid, uitgedrukt als calciumcarbonaat, naast nog andere opgeloste zouten zoals natrium, chloride en sulfaat. Wanneer het water verdampt, blijft al dat materiaal achter op een oppervlak van enkele vierkante millimeter. Tijdens het indrogen ontsnapt ook het CO₂, zodat het calcium en bicarbonaat als calciumcarbonaat achterblijven. Veel indrogende druppels samen vormen de doffe, witte waas die op een douchewand of een zwarte kraan zo opvalt.

Vaak blijft het materiaal vooral aan de rand van de druppel achter, als een ring. Dat komt doordat water aan de rand het snelst verdampt, waardoor er een stroming ontstaat die opgeloste en zwevende deeltjes naar de rand voert. Hetzelfde verschijnsel zorgt voor de ring die een koffievlek achterlaat.