Salzreduzierung

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Autoren:Hans-Jürgen Schwarz

Einführung

Unter Entsalzung versteht man die Entfernung von Salzen und salzbildenden Ionen aus dem Porengefüge von porösen Stoffen wie Naturstein, Ziegel, Putz oder Wandmalerei in situ am Objekt oder aber an beweglichen Objekten in der Werkstatt.

Die mit Salz und salzbildenden Ionen belasteten Materialien können Natursteine (Sandsteine, Kalksteine, Tuffe usw.), Ziegel oder Terrakotta, Putze und Wandmalereien sein. Die am häufigsten anzutreffenden Salze sind Sulfate (Gips CaSO₄•2H₂O, Mirabilit (Thenardit) Na₂SO4•10H₂O (Na₂SO₄), Magnesiumsulfate (MgSO4•7H₂O u.a), Chloride (NaClu.a.) und Nitrate (Nitrokalit KNO₃ u.a.). Im Einzelfall können mehrere Salze nebeneinander und eine Vielzahl von salzbildenden Ionen in der Porenlösung vorliegen.

Salze zerstören das Gefüge der porösen Stoffe und führen z. B. zum Absanden mit teils hohem Materialverlust. Die Zerstörung und das Schadensbild sind abhängig von den kristallisierenden Salzen, der Konzentration der Salzlösungen und dem Umfeldklima. Besonders schädlich sind Klimaschwankungen um die Deliqueszenzfeuchte der sich bildenden Salze. Daneben können wasserlösliche Salze sich auch auf Konservierungsmaßnahmen wie Festigung, Hydrophobierung, Anstrich oder Verputz negativ auswirken bzw. diese Maßnahmen unmöglich machen. Aus diesen Gründen ist für den Erfolg und die Dauerhaftigkeit einer Maßnahme die Reduzierung des Salzgehaltes eine unabdingbare Voraussetzung.

Die Entsalzung/Salzreduzierung kann auf mehrere Arten erfolgen. Auf den Einsatz von Putzen/Mörteln bei salzbelasteten Materialien [Auras:2008]Titel: Poultices and mortars for salt contaminated masonry and stone objects
Autor / Verfasser: Auras, Michael
wird an anderer Stelle eingegangen.:

Entsalzung im Wasserbad

Diese Methode ist nur bei Objekten durchführbar, welche in eine Werkstatt transportiert werden können, im Regelfall also bei Skulpturen und Objekten, die zu einer Restaurierung abgebaut werden können.

Das mit Salzen belastete Objekt wird in ein Bad mit kaltem oder leicht erwärmten Wasser gelegt. Das Wasser kann umgewälzt und dabei entsalzt werden. Im einfacheren Fall wird das Wasser von Zeit zu Zeit ausgetauscht. Die Wirksamkeit der Entsalzung wird durch Messung der Leitfähigkeit des Wasserbades kontrolliert.

Grad und Geschwindigkeit der Entsalzung sind abhängig von der Größe des Objektes, der Materialart (z.B. feinporig oder grobporiger Stein), der Art der Salze und salzbildenden Ionen, deren Menge und Verteilung im Porengefüge. Oberflächennah konzentrierte Salze werden schneller entfernt als die aus tieferliegenden Bereichen. Allgemein muss bei lebensgroßen Figuren mit mehrwöchigen bis mehrmonatigen Anwendungen gerechnet werde.

Entsalzungen im Wasserbad haben bei Eignung des Objektes generell gute Erfolgsausichten. Besondere Risikofaktoren sind:

• die totale Durchfeuchtung des gesamten Porengefüges, Gefährdung von Farbschichten;
• bei fortgeschrittenem Zerstörungsgrad: durch das Wasser wird die mürbe Oberfläche abgelöst;
• liegen Salze vor, die in mehreren Hydratstufen vorliegen können, so können Hydratationssprengungen ausgelöst werden, die zu Substanzverlust führen.

Eine Vorfestigung bei mürben Oberflächen mit geeigneten Festigungsmitteln ist u.U. möglich (z.B. Kieselsäureester). Die Entsalzung kann dadurch z.T. erheblich verzögert werden.

Entsalzung durch Kompressen

Die Kompressenentsalzung beruht auf dem Prinzip, Salze in Wasser zu lösen und aus dem salzbelasteten, porösen, mineralischen Baustoff in die Kompresse zu transportieren. Der Transport von gelösten Salzen kann sowohl durch deren Eigenbewegung als auch durch die sich bewegende Flüssigkeit erfolgen. Eine Flüssigkeitsbewegung wird durch einen Feuchtegradienten (Kapillartransport) oder durch Temperatur-, Dichte- und Druckgradienten (Konvektion) ausgelöst, wobei in der Flüssigkeit gelöste Salze mit dieser transportiert werden. Dagegen führen Konzentrationsgradienten zur Eigenbewegung der Salzionen (Diffusion). Der Kapillartransport (Advektion) wird durch das Porengefüge des Baustoffes bestimmt und kann in einfacher Weise durch den Wasseraufnahmekoeffizienten charakterisiert werden [Heritage.etal:2008]Titel: How do conservators tackle desalination? An international survey of current poulticing methods
Autor / Verfasser: Heritage, Adrian; Sawdy, Alison; Funke, Fredericke; Vergès-Belmin, Veronique; Bourgès, Anne
. Die Transportrichtung der Ionen verläuft entsprechend dem Feuchtegradienten vom feuchteren zum trockeneren Bereich. Die treibende Kraft für einen Ionentransport durch Diffusion ist ein Konzentrationsgefälle. Die Ionen diffundieren entsprechend dem Konzentrationsgradienten von der höheren zur niedrigeren Konzentration. Diffusion findet auch als Oberflächendiffusion an den Grenzflächen statt. Der konvektive Transport wird durch Druck-, Dichte- und Temperaturdifferenzen hervorgerufen und kann in einfacher Weise durch die Wasserdurchlässigkeit und andere Versuche überprüft werden. Dieser Transportprozess tritt bevorzugt in größeren Poren (> 0,1 mm), Rissen und Hohlstellen auf.

Die beschriebenen Prozesse treten gemeinsam auf. In welcher Größenordnung die einzelnen Transportprozesse zur Entsalzung beitragen, hängt von den Eigenschaften des Kompressenmaterials sowie den Umgebungs- und Verfahrensbedingungen ab. Die sich einstellenden Feuchte- und Salzströme werden darüber hinaus wesentlich vom komplexen Wechselspiel zwischen Feuchtezustand, Salzverteilung und Eigenschaften des Untergrundmaterials insbesondere desser Porosität [Pel.etal:2010]Titel: Physical principles and efficiency of salt extraction by poulticing
Autor / Verfasser: Pel, Leo; Sawdy, Alison; Voronina, V.
[Lubelli.etal:2005]Titel: Influence of Brick Properties on Salt Crystallization Damage
Autor / Verfasser: Lubelli, B.; van Hees, R.P.J.; Larbi, J.
beeinflusst.

Die Salzreduzierung durch Kompresssen ist die am häufigsten angewandte Methode [Bourges.etal:2008]Titel: Comparison and optimization of five desalination systems on inner walls of Saint Philibert church in Dijon, France
Autor / Verfasser: Bourgès, Anne; Vergès-Belmin, Veronique
[Verges-Belmin.etal:2005]Titel: Desalination of masonries and monumental sculptures by poulticing: a review
Autor / Verfasser: Vergès-Belmin, Veronique; Siedel, Heiner
. In den letzten Jahren wurden, insbesonder auch durch die Arbeiten im EU Projekt "Desalination", große methodische Fortschritte erzielt.

Dauernasse Kompresse

Das Kompressenmaterial wird während der Anwendungsdauer nass gehalten. Es existiert kein oder nur ein geringer Feuchtegradient, so dass der Salztransport durch Diffusion dominiert. Bei ausreichender Anwendungsdauer erfolgt ein Konzentrationsausgleich zwischen Kompressenmaterial und Untergrund. Dauernasse Kompressen sollten im allgemeinen nur in den Fällen zur Anwendung kommen, wo aus bauphysikalischen Gründen kein Feuchtegradient eingestellt werden kann, z.B. bei stark durchfeuchtetem Mauerwerk oder bei eingeschränkter Trocknungsmöglichkeit. Anderenfalls besteht aufgrund des hohen Feuchteeintrags die Gefahr der Verschiebung der Salzfront in tiefer liegende Bereiche des Baukörpers.

Abtrocknende Kompresse

Das Kompressenmaterial trocknet je nach den klimatischen Bedingungen während der Anwendungsdauer mehr oder weniger komplett ausaus. Kapillartransport und Diffusion wirken im Allgemeinen aufgrund der gleichgerichteten Feuchte- und Konzentrationsgradienten in Richtung zur Kompresse, wobei der Kapillartransport bei auf den Untergrund abgestimmter Porosität überwiegt. Salze werden mit fortschreitender Austrocknung dann in der Kompresse angereichert.

Die Abbildungen zeigen die grundsätzlichen Verfahrensweisen. Bei relativ schlecht löslichen Salzen (z.B. Gips) kann eine Kombination der Verfahren erfolgen, indem zuerst eine dauernasse (zur Lösung des Gipses) und anschließend eine abtrocknende Kompresse appliziert wird.

Durch die Vielzahl der einwirkenden Größen und deren Änderung während der Dauer der Entsalzung können jedoch keine allgemeingültigen Verfahrensbedingungen vorgeschlagen werden. Es lassen sich nur Richtwerte vorgeben, die genauen Bedingungen sind auf den Einzelfall abzustimmen.

Entsalzungskompressen bestehen entweder aus einer oder mehreren Komponenten (keine Bindemittel!) der folgenden Gruppen, die mit entionisiertem Wasser angemacht werden (vgl.Tabelle):

• quellfähige Stoffe organischen Ursprungs ohne abdichtende Eigenschaften mit hoher Wasseraufnahme und hohem Wasserrückhaltevermögen (z.B. Cellulosen, Papierpulpe, wässerige Gele)
• mineralische Komponenten mit großen spezifischen Oberflächen und guten Ionenaustausch- und Adsorptionseigenschaften (z.B. Tonminerale und -gemische wie Kaoline, Bentonite etc.)
• inerte Füllstoffe (in Kombination mit Stoffen der vorstehenden Gruppen) mit der Eigenschaft, der Mischung Standfestigkeit zu verleihen, hohe Porosität bzw. ein lockeres Gefüge zu erzeugen, die Verarbeitbarkeit zu verbessern und die Schwindneigung zu verringern. (Quarzsand, Quarzmehl, Silica, hochwertiger quarzreicher Natursand, Leichtzuschläge oder Vergleichbares)

oder sind: hochporöse, saugfähige, flexible und inerte Matten und Vliese (Schaumstoffe, Papiere, Textilien etc.)

Das Injektionskompressenverfahren

[Friese.etal:1993]Titel: Entsalzung von Ziegelmauerwerk mit dem Injektionskompressenverfahren
Autor / Verfasser: Friese, Peter; Hermoneit, Bernd

Das Verfahren beruht darauf, dass das Wasser zur Entsalzung nicht von außen. sondern im Inneren des Mauerwerks aufgegeben wird. An der Aufgabestelle breitet sich das Wasser kugelförmig aus und durch Überlappung der Wasserfronten von benachbarten Aufgabestellen entsteht eine geschlossene kapillare Wasserströmung aus dem Inneren des Mauerwerks an die Oberfläche der Kompresse, an der das Wasser verdunsten kann. Nachteilig ist jedoch, dass Bohrungen in das Mauerwerk eingebracht werden müssen, die eine Zugabe des Wassers hinter die Schichten, die stark mit Salz kontaminiert sind, erlauben. Bei Ziegelmauerwerk kann dies z.B. über die Fugen erfolgen.

Elektrochemische Entsalzung

Diese Methode kann in der Werkstatt oder am Objekt vor Ort durchgeführt werden. Durch Anlegen einer Spannung wandern die Salzionen zur Anode bzw. zur Kathode. Die Elektroden müssen ebenfalls in eine Kompresse eingebettet oder in einen Mauerwerkschlitz eingemörtelt sein.

Grundlage dieser Methode sind die Prozesse der Elektrokinese bzw. der Elektroosmose. Wird mit Hilfe von Elektroden ein elektrisches Feld angelegt, so wandern die Ionen zu den entgegengesetzt geladenen Polen.

Die elektrochemische Entsalzung nach dem Prinzip der Elektroosmose z. B. nach dem AET-Verfahren (Aktive Entsalzung und Trocknung) wird in der Literatur kontrovers diskutiert. Allgemein benötigt man für eine wirkungsvolle Entsalzung entweder zahlreiche stabförmige Elektroden, die in Schlitze oder Bohrlöcher eingemörtelt werden. Der Abstand sollte nicht über 30cm liegen. Besser geeignet scheinen netzförmige Elektroden, die in einer Kompresse auf die Oberfläche gelegt werden.

Ein großes Problem besteht darin, an jeder Elektrode einen gleich guten elektrischen Übergang herzustellen. Sonst fließt der Strom nur über eine Elektrode, was ohne besondere Schaltungen nicht überprüft werden kann.

Die angelegte Spannung muss in der Größenordnung von einigen Zehner Volt liegen, was bei Anwendung im Freien zu Sicherheitsproblemen führen kann. Die Entsalzung nach diesen Verfahren wirkt grundsätzlich nur, wenn ausreichend Feuchtigkeit vorhanden ist. Aus diesem Grund müssen die Objekte feucht gehalten werden.

Aufgrund der sehr komplizierten und noch nicht hinreichend bekannten Entladungsreaktionen der Ionen an den Elektroden kann es zur Rückwanderung von Ionenkomplexen in das Objekt kommen. Dies trifft insbesondere auf Ionen mit amphoteren Eigenschaften zu (z. B. Magnesiumionen).

Weiterhin können durch die Entladungsreaktionen an den Elektroden sehr starke pH-Wert-Verschiebungen zu stark saurem beziehungsweise stark alkalischem Milieu führen. Schäden im Bereich der Elektroden werden dadurch hervorgerufen.

Im Falle hoher Salzbelastung könnte ein neues Verfahren von Friese zur Anwendung kommen ([Venzmer:1991]Titel: Sanierung feuchter und versalzener Wände
Autor / Verfasser: Venzmer, Helmuth
). In solchen Fällen kann allein durch elektrische Feldeinflüsse der Ionentransport nicht in Bewegung gebracht werden. Deshalb werden Saugnäpfe im Ziegelformat auf die Wandoberfläche gesetzt. Unter Vakuumbedingungen wird eine Flüssigkeit an der Probenfläche vorbeigeführt. Sie benetzt und ist in der Lage, den Salzionentransport in Gang zu setzen. Diese Salze werden damit quasi abgewaschen und wegtransportiert.

Denkmalpflegerische Beurteilungskriterien

([Snethlage:1994]Titel: Entsalzung
Autor / Verfasser: Snethlage, Rolf
)

Salze sind fast immer ursächlich an der Zerstörung von historischer Substanz beteiligt. Bei der Entscheidung, ob eine Entsalzung durchgeführt werden muss oder kann, sind folgende Überlegungen anzustellen:

Beurteilung der Substanzgefährdung des Objekts durch die Salzbelastung

Es ist abzuwägen, ob die Maßnahme der Entsalzung u. U. einen größeren Substanzverlust nach sich zieht als das Belassen des gegenwärtigen Zustandes. Vertretbar ist die Entscheidung, keine Entsalzung vorzunehmen dann, wenn beispielsweise das Klima so stabilisiert werden kann, dass die vorhandenen Salze keinen Auflösungs- und Kristallisationszyklen mehr unterliegen.

Zweckmäßigkeit der Entsalzung

Es ist zu prüfen, ob eine Entsalzung überhaupt erfolgreich durchführbar ist. Erfolg verspricht eine Entsalzung nur dann, wenn die Salze hauptsächlich in der Oberflächenzone auftreten. Gleichmäßige Versalzungen von annähernd 1 Gew.% über die gesamte Mauerwerksstärke, wie sie häufig bei Nitratversalzung auftreten, können nicht mit Aussicht auf Erfolg behandelt werden. Hier sind andere Lösungen, z. B. Nutzungsänderungen anzustreben.

Schonung der Originalsubstanz

Bei einer Entsalzung können durch das angewendete Verfahren, wie oben beschrieben, Gefahren für das Objekt auftreten. Es ist vor allem zu berücksichtigen, dass falsch aufgebrachte Kompressen unter Umständen nicht mehr von der Oberfläche abgezogen werden können.

Mögliche Beeinträchtigung anderer Konservierungsmaßnahmen

Geringere Konzentrationen von Salzen gefährden nicht den Erfolg von Konservierungsmaßnahmen. Entsalzungen können dann entfallen. Allerdings läßt sich nur ein materialspezifischer Grenzwertbereich einer Salzbelastung angeben, da Porosität, Porenradienverteilung und Klima eine entscheidende Rolle spielen. Hier ist im Einzelfall nach Gutachten zu entscheiden. Es ist bekannt, dass Salze in höheren Konzentrationen eine Festigung mit Kieselsäueester oder eine Hydrophobierung beeinträchtigen. Auch die Dauerhaftigkeit der Maßnahme wird stark eingeschränkt.

Erfolgskontrolle

Die Salzgehalte im Gestein, Putz oder Ziegel sind vor und nach der Anwendung zu messen, um den Erfolg der Entsalzung zu kontrollieren.

Über Entsalzung an Gebäuden liegen nur wenige Erfahrungen vor. Grundsätzlich kann man eine befriedigende Entsalzung gleich welcher Art nur dann erwarten, wenn die Salze oberflächennah in 1-2 cm Tiefe angereichert sind. Sowohl mit Kompressen als auch mit elektrochemischer Entsalzung beträgt der Wirkungsradius nur wenige Zentimeter.

Bisher existieren nur Musterflächen an wenigen Objekten. So konnte z.B. mit zweimaligen Kompressenansatz Bentonit/Sand/Zellulose eine NaCl Versalzung im Spritzwasserbereich des Nürnberger Tores in Forchheim, zu 90% entfernt werden, da die Versalzung nur auf den obersten Zentimeter beschränkt war.

Literatur

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Pel, L., Sawdy, A., and Voronina, V., `Physical principles and efficiency of salt extraction by poulticing`, Journal of Cultural Heritage (2010) 11,1, 59-67.

Sawdy, A., Lubelli, B., Voronina V., and Pel, L., `Optimizing the extraction of soluble salts from porous materials by poultices`, Studies in Conservation 55(1) (2010) 26-40.

Sawdy, A., Heritage, A., and Pel, L., ‘A review of salt transport in porous media, assessment methods and salt reduction treatments’, in L.M. Ottosen, I. Rörig-Dalgaard, P.K. Larsen, I. Brajer, P. Bøllingstoft, M. Marciniak and M. Svane (eds), Salt Weathering on Buildings and Stone Sculptures, Proceedings from the International Conference 22–24 October 2008, National Museum Copenhagen, Denmark, Technical University of Denmark, Lyngby (2008) 1–28.

Auras, M., Poultices and mortars for salt contaminated masonry and stone objects, in /Salt Weathering on Buildings and Stone Scultpures, Proceedings from the International Conference 22-24 October 2008, The National Museum Copenhagen, Denmark/, eds. L.M. Ottosen, I. Rörig-Dalgaard, P.K. Larsen, I. Brajer, P. Bøllingstoft, M. Marciniak and M. Svane, Technical University of Denmark, Lyngby (2008) 197-217.

Bourgès, A., and Vergès-Belmin, V., Comparison and optimization of five desalination systems on inner walls of Saint Philibert church in Dijon, France/, /in /Salt Weathering on Buildings and Stone Scultpures, Proceedings from the International Conference 22-24 October 2008, The National Museum Copenhagen, Denmark/, eds. L.M. Ottosen, I. Rörig-Dalgaard, P.K. Larsen, I. Brajer, P. Bøllingstoft, M. Marciniak and M. Svane, Technical University of Denmark, Lyngby (2008) 29-41.

Heritage, A., Sawdy, A., Funke, F., Vergès-Belmin, V., and Bourgès, A., How do conservators tackle desalination? An international survey of current poulticing methods, in /Postprints from the 8/^/th/ / European Conference on Research for Protection, Conservation and Enhancement of Cultural Heritage, 10-12 November 2008 Ljubljana, Slovenia,/ (2008) /forthcoming/.

Lubelli B., and van Hees, R.P.J., Desalination of masonry structures: fine tuning of pore-size distribution of poultices to substrate properties, forthcoming /Journal of Cultural Heritage/

Sawdy, A., and Heritage, A., ‘Desalination—rubbing salt into the wound?’, in D. Oltrogge (ed), /In and Out, Projekt aus Forschung und Lehre Institut für Restaurierungs- und Konservierungswissenschaft Köln, Festschrift zum 20jährigen bestehendes Institutes Köln 2006/. SICS Institut für Restaurierungs- und Konservierungswissenschaft Fachhochschule Köln, Cologne (2006) 41-45.

Vergès-Belmin, V., and Siedel*, *H.,* *Desalination of masonries and monumental sculptures by poulticing: A review, /Restoration of Buildings and Monuments (Bauinstandsetzen und Baudenkmalpflege) /*11*, (2005) 1–18.

wasserabweisende Ausrüstung eines Materials

Ester der Orthokieselsäure mit der allgemeinen Formel (Si(OR)4)

Ist ein physikalischer Prozess, der zu einer gleichmäßigen Verteilung von Teilchen und somit zur vollständigen Durchmischung zweier oder mehrerer Stoffe führt.

Transport eines im Wasser gelösten bzw. suspendierten Stoffes mit der Strömung des Wassers