Diskussion:Wasser

Einfluss des Wassers auf das Kaffeegetränk

Der Geschmack des fertigen Kaffees wird durch das verwendete Wasser beeinflusst

• Lösungsverhalten: Welche Stoffe und wieviel werden aus dem Kaffee gelöst
• Puffer: Die Alkalinität des Wasser dämpft die Wahrnehmung von Säure
• Eigenschmack: Das Wasser sollte neutral schmecken und keine eigenen Aromen in das Getränk einbringen

Lösungsverhalten

Wasser ist bipolar, also sucht die negative Seite des Wassermoleküls (O-) die positive Seite der Nachbarmoleküle (H+). Die Wassermoleküle richten sich also aneinander aus, die sogenannte Wasserstoffbrückenbindung.

Gibt man nun ein polares Molekül ins Wasser, z.B. NaCl (Kochsalz), so gruppieren sich die Wassermoleküle mit ihrer negativen Seite um die positive Seite des Fremdmoleküls und umgekehrt mit der positiven Seite und die negative Seite des Fremdmoleküls. Dies kann so weit führen, dass die Bindung des NaCl aufgebrochen werden kann.

Unterstützt von der positiven Seite der umgebenden Wassermoleküle kann das Cl ein weiteres Elektron des Na beim Aufbrechen der Bindung mitreißen. Es wird zum Ion, hier Cl-. Im Gegenzug bleibt Natrium als Na+ Ion zurück.

Härte und Alkalinität

Wenn kaltes Wasser, das CO2 enthält durch Gestein fließt, wird Calziumkarbonat (CaCO3) gelöst.

CaCO3 + H2O + CO2 <--> Ca++ + 2 HCO3−

Dadurch entsteht jeweils ein Calzium-Ion (Ca++) und zwei Hydrogencarbonat Ionen (HC03-). Die Härte wird wesentlich durch Ca++ Ionen bestimmt, die Alkalinität durch die Hydrogenkarbonationen.

Calzium und der andere wichtige Härtebildner Magnesium kommen nicht ausschließlich über Calziumkarbonat (CaCO3) und Magnesiumcarbonat ( MgCO3) ins Wasser, weshalb meist etwas mehr Härte als Alkalinität im Trinkwasser vorkommt.

Die Alkalinität bestimmt das Säurebindungsvermögen, also wieviel Säure zugegeben werden kann, bis sich der pH-Wert des Wassers ändert.

Auswirkung von Härte und Alkalinität auf den Kaffeegeschmack

Durch das Säurebindungsvermögen der Alkalinität werden Säuren "weggepuffert". Die feinen, geschmacksbildenden Säuren der Kaffees werden dadurch gedämpft. Dies ist unerwünscht, zumindest wenn man helle Kaffees verwendet.

Der Effekt der Härte, also der Ca++ und Mg++ Ionen ist weniger klar. Es gibt die Hypothese, dass diese Ionen die Diffusionsrate bestimmter Chemikalien erhöhen, nach Experimenten am Gaschromatigraph (Colonna-Dashwood and Hendon, 2015).

Wasseraufbereitung

Wasser hat nicht nur Einfluss auf den Geschmack des Kaffees, Espressomaschinen oder allgemein Dampferzeuger dürfen nicht mit Wasser betrieben werden, bei dem durch Erhitzen Kalk ausfallen kann. Dadurch würden Kessel und Heizelemente verkrusten und feine Düsen verstopfen.

Insbesondere diese Anforderungen der Espressomaschinen, Dampf- und Heißwassererzeuger machen eine Wasseraufbereitung in den meisten Fällen notwendig.

Ob und wie Kalk ausfallen kann wird von folgenden Größen bestimmt:

• GH, Gesamthärte (Ca++, Mg ++)
• KH, Alkalinität (HCO3-)
• pH-Wert

Im Abschnitt "Härte und Alkalinität" wurde beschrieben, wie Calzium und Hydrogenkarbonationen ins Wasser gelangen. Wenn sich die Löslichkeit dieser Ionen im Wasser verringert, z.B. bei höherer Temperatur, können sie als Calziumkarbonat (CaCO3) wieder ausfallen. Weil dazu beide Reaktionspartner benötigt werden, können sie immer gemeinsam ausfallen.

Ca++ + 2 HCO3 - <--> CaCO3 + C02 + H2O

Gleiches gilt für Magnesiumkarbonat und Magnesium-Ionen. Die maximale Menge Calziumkarbonat und Magnesiumkarbonat (Kalk), die ausfallen kann, wird durch den geringeren Wert von GH und KH bestimmt.

Der pH-Wert spielt eine Rolle, wenn es darum geht, wie die Löslichkeit dieser Ionen von der Temperatur abhängt. Wird z.B. ein Dampfkessel mit 130°C betrieben, fällt bei einem pH-Wert über 7 (basisch) praktisch der gesamte Kalk aus. Bei basischem Wasser darf deshalb keinerlei Härte mehr vorhanden sein.

Bei einem pH-Wert deutlich unter 7 bleibt ein Teil der Ionen weiterhin in Lösung. Es fällt weniger oder gar kein Kalk aus. In diesem Fall kann ein Dampfkessel auch mit einer gewissen Resthärte betrieben werden.

Infusione (Diskussion) 12:00, 23. Sep. 2022 (CEST): Hier wäre eine Tabelle Löslichkeit in Abhängigkeit von pH-Wert und Temperatur nett.

Einheiten für Härte und Alkalinität

In Mineralwässern wird der Analysenauszug in mg/l angegeben. Für die chemische Betrachtung wird aber die Anzahl der Reaktionspartner und ihr Verhältnis benötigt. Deshalb verwendet man zur Betrachtung von Härte und Alkalinität Einheiten, die das Molgewicht der Stoffe berücksichtigen.

[mmol/l]

Um mg/l in mmol/l umzurechnen benötigt man das Molmasse. Für Calzium ist dies 40. Somit entsprechen 40mg/l Ca++ einer Konzentration von 1mmol/l.

Grad deutscher Härte [°dH]

1 °dH ist als 10mg CaO in 1 Liter Wasser definiert.

• Molgewicht Ca: 40,078
• Molgewicht O: 15,999

Somit addiert sich das Molgewicht von CaO zu 56,077.

• 10 mg CaO entsprechen somit 0,178 mmol/l oder 1 °dH.

Im Abschnitt "Härte und Alkalinität" wurde für das Ausfallen von Calziumkarbonat (Kalk, CaCO3) gezeigt, dass 1* Ca++ + 2 * HCO3- benötigt werden. Kommen Ca++ und HCO3- Ionen im passenden Verhältnis vor, möchte man sie auch mit dem gleichen Härtegrad bezeichnen. Daher gilt für Alkalinität:

• 2*0,178 mmol/l Alkalinität entsprechen 1 °dH (Karbonathärte)

[ppm as CaCO3]

In der amerikanischen Literatur wird für Härte und Alkalinität die Einheit [ppm as CaCO3] verwendet.

Sie errechnet sich aus 100*mmol/l für Härte bzw. 50*mmol/l für Alkalinität.

Der Gedanke dahinter ist folgender: ppm (Parts per Million) entspricht dem deutschen mg/kg oder häufiger mg/l. CaCO3 hat die Molmasse 100. Man rechnet die Konzentration in mmol/l aus und verwendet aber die Molmasse 100 um damit eine normierte Konzentration in ppm zu erhalten.

Beispiel oben 10mg CaO = 0,178 mmol/l

• 0,178 mmol/l CaO bei einer Molmasse von 100 entspricht 17,8 [ppm as CaCO3].

Somit erhält man folgende Umrechnungen:

• 1 ppm as CaCO3 Härte = 0,056 °dH = 0,01 mmol/l
• 1 ppm as CaCO3 Alkalinität = 0,056 °dH = 0,02 mmol/l

Umrechnung der Einheiten

Umrechnung der Einheiten für Härte und Alkalinität

	1 mmol/l Härte 2 mmol/l Alkalinität	°dH	ppm as CaCO3
1 mmol/l Härte 2 mmol/l Alkalinität	-	5,6	100
1 °dH	0,178 Härte 3,56 Alkalinität	-	17,8
1 ppm as CaCO3	0,056 Härte 0,112 Alkalinität	0,056	-

Enthärtung

Das am häufigsten verwendete Verfahren der Wasseraufbereitung ist Enthärtung. Hier werden die Härtebildner Ca++ und Mg++ durch (die doppelte Menge) an Na+ Ionen ersetzt. Die Alkalinität bleibt dabei unverändert.

Dieses Verfahren wird auch für Hausentärtungsanlagen verwendet. Damit die Anlagen funktionsfähig bleiben, müssen sie regelmäßig regeneriert werden, z.B. mit Salz. Unter anderem um Salz zu sparen, wird meist mit Verschnitt gearbeitet. Dem enthärteten Wasser wird wieder z.B. 20% bis 35% unbehandeltes Wasser beigemischt.

Da Enthärtung das Wasser basisch macht, darf man Wasser aus Enthärtungsanlagen mit Verschnitt nicht im Dampfkesseln verwenden. Die Resthärte würde nahezu komplett ausfallen.

In der Gastronomie wird teilweise Enthärtung ohne Verschnitt für Espressomaschinen, Dampferzeuger usw. verwendet.

Da durch die vollständig erhaltene Alkalintät die Säuren im Espresso weggepuffert werden, ist dies nur für den Ausschank von dunklen Espressi ohne Säure zu empfehlen.

Von den großen Herstellern verwenden diese Systeme Enthärtung:

• BWT Bestprotect
• Brita Purity (ohne Angabe Quell oder Steam)

Entkarbonisierung

Bei der Wasserstoffentkarbonisierung wird dem Wasser Härte und Alkalinität in gleichem Verhältnis entzogen. Da hierbei auch CO2 entsteht, wird das Wasser sauer. Dies ermöglicht, dass Dampferzeuger auch mit einer gewissen Resthärte betrieben werden können, ohne dass in ihnen Kalk ausfällt.

Da Härte und Alkalinität gleichermaßen entzogen wird, ist dieses Verfahren sehr gut zur Aufbereitung für Kaffeewasser geeignet.

Bei diesem Verfahren können pH-Werte von 5 erreicht werden. Nach der Trinkwasserverordnung dürfen bei so saurem Wasser keine Kupferleitungen verwendet werden, da dabei Kupferionen ins Trinkwasser gelangen können. Die meisten Espressomaschinen enthalten Bauteile aus Kupfer. Wenn Bedenken bestehen, kann man Wasser aus der Espressomaschine ins Labor zur Abklärung des Kupfergehalts einschicken. Insbesondere sollte man keine Babynahrung mit Heißwasser aus der Espressomaschine bereiten.

Entkarbonisierung wird in der Gastronomie häufig eingesetzt.

Die Systeme der großen Hersteller heißen

• Brita Purity Quell oder Steam
• Brita Tischfilter
• BWT Bestmax (Premium)

Umkehrosmose (RO)

Bei der Umkehrosmose wird dem Wasser durch eine feine Membran der gesamte Gehalt an Ionen entzogen. Bei diesem Verfahren entsteht eine deutlich größere Menge Abwasser als aufbereitetes Wasser erzeugt wird.

Dieses Verfahren erzeugt relativ geringe Mengen. Für fest angeschlossene Geräte muss man deshalb mit Pumpen und Vorratstanks oder entsprechend großen und leistungsfähigen Anlagen arbeiten.

Die für Kaffee gewünschte Zusammensetzung wird durch anschließende Aufmineralisierung und Verschnitt erreicht.

In der Gastronomie werden wegen des Aufwands und der Baugröße solche Systeme vor allem in Cafes der Specialty Coffee Szene verwendet. Hier werden besondere und teure Kaffees sorgfältig zubereitet und deshalb besonders hohe Anforderungen an das Wasser gestellt um den einzigartigen Geschmack der Getränke hervorzuheben.