Desalination

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Author: Hans-Jürgen Schwarz
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Abstract

If there is an increased salt load, the reduction of the salts is a method to deal with. Salt reduction measures include the possibilities of cpompress desalination, alone or in combination with other methods. Reducing the salt content of an object in a water bath as well as by electric current supported means are other options. When choosing the method the protection of the object has always the first priority. By appropriate investigations the success of a measure has to be ensured.

Introduction

Desalination is the removal of salts and salt-forming ions out of the pore structure of porous materials such as natural rocks (sandstones, limestones, tuffs, etc.), brick or terra cotta, plaster and wall paintings, in situ at the object or on moveable objects in the workshop.

The most commonly encountered salts are sulphates (Gipsum CaSO₄•2H₂O, Mirabilite (Thenardite) Na₂SO4•10H₂O (Na₂SO₄), magnesium sulphate (MgSO4•7H₂O u.a), chlorides (NaCl u.a.) und nitrates (Nitrokalit KNO₃ u.a.). In individual cases, differnet salts can exist side by side, and a variety of salt-forming ions in the pore solution.

Salts are damaging the structure of porous materials and lead to dusting with sometimes great material loss. The amout of destruction and its appearence depend on the kind of crystallizing salts, the concentration of the salt solutions and the environment conditions. Particularly damaging are climate fluctuations around theDeliquescence Humiditypoint of the salts. In addition, water-soluble salts have an ingfluence on conservation measures such as strengthening, waterproofing, painting or plastering or make even such action impossible. For these reasons looking to the success and the durability of a measure the reduction of the salt content is an indispensable prerequisite.

The desalination/ salt reduction can be done in several ways [Sawdy.etal:2006]Title: Desalination—rubbing salt into the wound?
Author: Sawdy, Alison; Heritage, Adrian
. The use of plaster/ slurries with salt-contaminated objects [Auras:2008]Title: Poultices and mortars for salt contaminated masonry and stone objects
Author: Auras, Michael
is described elsewhere.

Water Bath Desalination

This method is practicable only for objects that can be transported to a workshop, usually for sculptures and objects that can be removed for a restoration.[Franzen.etal:2008]Title: Water bath desalination of sandstone objects
Author: Franzen, Christoph; Hoferick, Frank; Laue, Steffen; Siedel, Heiner

The object contaminated with salts is placed in a bath of cold or slightly warm water. In doing so the water can be desalinated and circulated to enhance the desalination process. Easier but not so effective the water is exchanged from time to time. The efficiency of desalination is monitored by measuring the conductivity of the water bath.

Degree and speed of desalination depends on the size of the object, the properties of the material(e.g. fine pores or coarsely porous stone), the type and amount of salts and salt-forming ions and their distribution in the pores. Salts concentrated near the surface are removed faster than those from deeper areas. Generally life-size figures need of application from several weeks to several months.

If the material is suitable, desalination in a water bath has a good chance of success. Specific risk factors are:

• the total penetration of the entire pore structure with water, risk for the paint layers;
• advanced degree of destruction: flaking of the brittle surfaces;
• salts with several hydrat phases: hydration may be triggered, leading to a loss of substance.

A pre-consolidation of brittle surfaces with suitable strengthening agents may be possible (for example: silicic acid esters). The desalination can be delayed in some cases considerably.

Desalination compresses

Desalination with compresses relies on the principle of solving salts in water and transport it from the salt-loaded, porous, mineral building materials into the compress. The transport of the salts in solution can take place both by their own movement as well as by the moving fluid. The motion of a fluid is usually troggered by a moisture gradient (capillary) or by temperature, density and pressure gradients (convection).

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]Title: How do conservators tackle desalination? An international survey of current poulticing methods
Author: Heritage, Adrian; Sawdy, Alison; Funke, Fredericke; Vergès-Belmin, Veronique; Bourges, 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]Title: Physical principles and efficiency of salt extraction by poulticing
Author: Pel, Leo; Sawdy, Alison; Voronina, V.
[Lubelli.etal:2010]Title: Desalination of masonry structures: fine tuning of pore-size distribution of poultices to substrate properties
Author: Lubelli, Barbara; van Hees, Rob P. J.
, beeinflusst.

Die Salzreduzierung durch Kompresssen ist die am häufigsten angewandte Methode [Bourges.etal:2008]Title: Comparison and optimization of five desalination systems on inner walls of Saint Philibert church in Dijon, France
Author: Bourgès, Anne; Vergès-Belmin, Veronique
[Verges-Belmin.etal:2005]Title: Desalination of masonries and monumental sculptures by poulticing: a review
Author: Vergès-Belmin, Veronique; Siedel, Heiner
. In den letzten Jahren wurden, insbesondere auch durch die Arbeiten im EU Projekt "Desalination", große methodische Fortschritte [Sawdy.etal:2008]Title: A review of salt transport in porous media, assessment methods and salt reduction treatments
Author: Sawdy, Alison; Heritage, Adrian; Pel, Leo
erzielt.

Electrochemical desalination

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]Title: Sanierung feuchter und versalzener Wände
Author: 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.

Evaluation criteria

(nach [Snethlage:1994]Title: Entsalzung
Author: 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.

Success control

The salt content in the stone, plaster or brick should be measured before and after the application to check the success of desalination.

On desalination to buildings, there are a few experiences. Basically, one can expect a satisfactory desalination of any kind only if the salts are concentrated near the surface at 1-2 cm depth. Either with compresses or with electrochemical methods the desalination reaches only a few centimeters of the materials.

Example: With a bentonite / sand / cellulose compress applied twice in the splash zone of the "Nürnberger Tor" in Forchheim a NaCl contamination was removed up to 90%. This was due to the fact, that the salinity was confined to the uppermost centimeters.

Literature

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