Acta Sci. Pol. Architectura 15 (1) 2016, 95–105
WPàYW NAPOWIETRZANIA NA ZMIANĉ
AGRESYWNOĝCI KOROZYJNEJ WODY PODZIEMNEJ W STOSUNKU DO BETONU I STALI
Tadeusz Siwiec, Magdalena M. Michel, Lidia Reczek
Szkoáa Gáówna Gospodarstwa Wiejskiego w Warszawie
Streszczenie. W pracy przedstawiono wyniki badaĔ nad zmianami wáasnoĞci korozyjnych wody podczas jej napowietrzania. Zmiennymi niezaleĪnymi byáy czas napowietrzania wody oraz natĊĪenie przepáywu powietrza, jak równieĪ wysokoĞü warstwy wody. Mierzo- no parametry ¿ zyczno-chemiczne wody, pozwalające okreĞliü zmiany jej wáaĞciwoĞci za pomocą metod poĞrednich. Zmiany agresywnoĞci korozyjnej wody oceniano za pomocą indeksu nasycenia Langeliera (LSI), indeksu stabilonĞci Ryznara (RSI), indeksu agresyw- noĞci (AI), wskaĨnika intensywnoĞci kwasowĊglowej (I) oraz indeksu Larsona-Skolda (IL).
Stwierdzono, Īe napowietrzanie znacząco zmniejsza korozyjnoĞü wody przez podnoszenie wartoĞci pH, wiąĪące siĊ z obniĪaniem stĊĪenia agresywnego CO2a. Jednak bardzo niska za- sadowoĞü wody uniemoĪliwiáa w eksperymencie osiągniĊcie wáaĞciwoĞci niekorozyjnych.
Sáowa kluczowe: agresywny dwutlenek wĊgla, ¿ zyczne odkwaszanie wody
WSTĉP
W wodach podziemnych niemal zawsze wystĊpuje rozpuszczony dwutlenek wĊgla [Satora 2008], którego stĊĪenie moĪe siĊ zmniejszaü w wyniku desorpcji do otaczającego powietrza, rozpuszczania skaá wĊglanowych lub podczas przebiegu procesów fotosynte- zy. Ogólny dwutlenek wĊgla (COo2) wystĊpuje w wodzie jako związany (CO )2z w postaci wĊglanów i wodorowĊglanów oraz jako wolny (CO )2w . Wolny dwutlenek wĊgla dzieli siĊ na przynaleĪny (CO2p) oraz agresywny CO2a. PrzynaleĪny dwutlenek wĊgla utrzymuje w równowadze wodorowĊglany, natomiast jego nadmiar w stosunku do stanu równo- wagi wĊglanowo-wapniowej to CO2a, który wywoáuje obniĪanie pH i nadaje wodzie ce- chy korozyjne [Gomóáka i Gomóáka 1992]. Objawem wysokiego stĊĪenia CO2a jest nis-
Adres do korespondencji – Corresponding author: Tadeusz Siwiec, Szkoáa Gáówna Gospodarstwa Wiejskiego, Wydziaá Budownictwa i InĪynierii ĝrodowiska, Zakáad Wodociągów i Kanalizacji, ul. Nowoursynowska 159, 02-776 Warszawa, e-mail: tadeusz_siwiec@sggw.pl
© Copyright by Wydawnictwo SGGW, Warszawa 2016
kie pH, co jest zgodne z teorią Langeliera przedstawioną nastĊpującym wzorem [Gomóá- ka i Gomóáka 1992, Plottu-Pecheux i in. 2001]:
1 3– 2
pH log K log[HCO ] log[CO ] w (1) gdzie: K1 – staáa dysocjacji kwasu wĊglowego,
3–
HCO – zasadowoĞü wody [mval·dm–3], CO2w – kwasowoĞü wody [mval·dm–3].
StĊĪenie przynaleĪnego dwutlenku wĊgla moĪna obliczyü ze wzoru:
3– 3
[CO ] 442p k [HCO ] (2)
natomiast agresywnego dwutlenku wĊgla ze wzoru:
2 2 2
[CO ] [CO ] [CO ]a w z (3)
gdzie: k – staáa równowagi wĊglanowo-wapniowej zaleĪna od temperatury [Gomóáka i Gomóáka 1992].
Wysokie stĊĪenie CO2a przeszkadza w wielu procesach technologicznych uzdatniania wody (np. w koagulacji, odmanganianiu, nitry¿ kacji) oraz wybitnie sprzyja postĊpowi korozji zarówno stali, jak i betonu. AgresywnoĞü korozyjna Ğrodowiska wodnego moĪe byü okreĞlona metodami bezpoĞrednimi, które polegają na ocenie efektów korozyjnego oddziaáywania na materiaáy [ĩelazny 2010], oraz poĞrednimi. Metody poĞrednie polegają na pomiarze wybranych parametrów ¿ zyczno-chemicznych wody i interpretacji danych za pomocą wskaĨników korozyjnoĞci, które pozwalają okreĞliü tendencjĊ wody do ko- rozyjnego oddziaáywania na materiaáy. WskaĨniki korozyjnoĞci spotykane w literaturze moĪna podzieliü na dwie grupy. Jedną stanowią wskaĨniki wyznaczające granicĊ miĊdzy wytrącaniem a rozpuszczaniem siĊ osadu CaCO3, które ĞciĞle związane są z obecnoĞcią w wodzie dwutlenku wĊgla, natomiast drugą stanowią wskaĨniki odnoszące siĊ do proce- sów elektrochemicznych dotyczących jonów o wysokim stopniu zdysocjowania, wyraĪa- ne przez przewodnictwo, i do jonów chlorkowych, siarczanowych, azotanowych itp.
PODSTAWY TEORETYCZNE
Jednym z najstarszych wskaĨników wykorzystywanych do oceny korozyjnoĞci wody wobec stali jest indeks nasycenia Langeliera (Langelier Saturation Index – LSI), któ- ry moĪna zaklasy¿ kowaü do wskaĨników pierwszej grupy. LSI wyraĪony jest wzorem [PN-72/C-04609, APHA/AWWA/WEF 1998, Alvarez-Bastida i in. 2013]:
LSI = pH0 – pHS (4)
gdzie: pH0 – zmierzone pH wody,
pHS – pH wody w stanie nasycenia CaCO3.
JeĞli LSI > 0, to osad wapniowy wytrąca siĊ, a wáasnoĞci korozyjne wody są osáabio- ne. JeĞli LSI = 0, to woda nie ma tendencji do wytrącania ani rozpuszczania wĊglanu wap- nia i jej wáasnoĞci korozyjne równieĪ są osáabione. JeĞli LSI < 0, to woda ma zdolnoĞü do rozpuszczania związków wapnia, a jej wáasnoĞci korozyjne są wzmocnione.
WartoĞü pHS moĪe byü obliczana numerycznie [Dąbrowski i in. 2010] oraz na podsta- wie uproszczonej formy zaproponowanej przez Stroheckera [Gomóáka i Gomóáka 1992]
lub PN-72/C-04609, która moĪe byü stosowana jedynie dla wody o pH < 9,5 [Dąbrowski i Buchta 2001]. Jednak najpopularniejszą metodą, uniezaleĪniającą obliczenia od war- toĞci stablicowanych, jest obliczanie pHS ze wzoru [APHA/AWWA/WEF 1998, Plottu- -Pecheux i in. 2001]:
pHS =pK2 – pKS + p[Ca2+] + p[HCO3–
] + 5 · pfm (5)
gdzie: K2 – druga staáa dysocjacji kwasu wĊglowego, KS – staáa iloczynu rozpuszczalnoĞci CaCO3, Ca2+ – stĊĪenie jonów wapnia [mol·dm–3], HCO3¯ – stĊĪenie wodorowĊglanów [mol·dm–3],
fm – wspóáczynnik aktywnoĞci jonów jednowartoĞciowych, p – okreĞla log10 ze zmiennej.
Kolejnym popularnym wskaĨnikiem okreĞlającym korozyjnoĞü wody jest indeks sta- bilnoĞci Ryznara (Ryznar Stability Index – RSI) okreĞlony wzorem:
RSI = pHSR – pH0 (6)
w którym poszczególne skáadniki obliczane są z nastĊpujących wzorów [Alvarez-Bastida i in. 2013]:
pHSR = p[Ca2+] + p[Alc] + CR (7)
p[Ca2+] = 4,9996 + 0,433 · ln[HD] (8)
p[Alc] = 4,7006 + 0,433· ln[HCO3–
] (9) CR = 2,4566 – 0,0189·T + 0,0363 · ln[TDS] (10) gdzie HD – twardoĞü wody [mg CaCO3·dm–3],
TDS – zawartoĞü substancji rozpuszczonych [mg·dm–3], T – temperatura [°C],
HCO – zasadowoĞü [mg CaCO3¯ 3·dm–3].
RSI w stosunku do LSI rozszerza zakres parametrów, które mogą wpáywaü na korozjĊ, o twardoĞü wody, czyli uwzglĊdnienie magnezu, oraz temperaturĊ i suchą pozostaáoĞü, która w sposób niezbyt jawny uwzglĊdnia typowe skáadniki substancji rozpuszczonych, a wiĊc chlorki i siarczany. RSI ma bardziej rozbudowany zakres korozyjnoĞci niĪ LSI:
4 < RSI < 5 – wystąpi silne wytrącanie osadu; 5 < RSI < 6 – Ğrednie wytrącanie osadu;
6 < RSI < < 7 – sáabe wytrącanie osadu lub początkowa korozja; 7 < RSI < 7,5 – korozja;
7,5 < RSI < 9 – silna korozja; RSI > 9 – bardzo silna korozja.
Do analizowania agresywnego wpáywu wody na rury azbestocementowe lub beto- nowe stosuje siĊ równieĪ indeks agresywnoĞci (Aggressiveness Index – AI) okreĞlony wzorem [Davil i in. 2009]:
AI = pH + log([HD] · [HCO3– ]) (11)
gdzie: HD – twardoĞü wody [mg CaCO3·dm–3], HCO3¯ – zasadowoĞü wody [mg CaCO3·dm–3].
JeĪeli AI < 10, to woda jest silnie korozyjna, jeĞli 10 < AI < 12, to moĪliwe jest wy- stąpienie korozji, natomiast jeĞli AI > 12, to wystąpi wytrącanie osadu (scaling). W za- kresie analizowanych parametrów AI jest uboĪszy od RSI, poniewaĪ uwzglĊdnia jedynie pH, twardoĞü oraz zasadowoĞü wody. Jest to indeks opracowany dla rur azbestocemen- towych.
Do oceny agresywnoĞci kwasowĊglowej wody szczególnie w odniesieniu do kon- strukcji betonowych stosuje siĊ wskaĨnik intensywnoĞci (I). Zostaá on okreĞlony z uwzglĊdnieniem dwóch form dwutlenku wĊgla, to jest związanego i agresywnego.
Szczególny wpáyw na wymywanie wĊglanów wapnia z konstrukcji betonowych ma agre- sywny dwutlenek wĊgla, który niemal zawsze wystĊpuje w wodach podziemnych, czĊsto w wysokich stĊĪeniach. WskaĨnik intensywnoĞci kwasowĊglowej zostaá okreĞlony wzo- rem [Kowal i ĝwiderska-BróĪ 2007]:
2 2
2 2
[CO ] [CO ] [CO ]
a
z a
I (12)
gdzie CO2a i CO2z
[mg CO2·dm–3].
Wraz ze wzrostem wartoĞci I woda uwaĪana jest za coraz bardziej korozyjną, a po przekroczeniu 1,0 uwaĪa siĊ ją za korozyjną.
Przedstawione indeksy mają bardzo silny związek z obecnoĞcią w wodzie dwutlenku wĊgla, który nie zawsze wystĊpuje w formach stabilnych. Zdecydowanie czĊĞciej wolny CO2 wystĊpuje w wodach podziemnych jako forma niestabilna, a zarazem agresywna.
Taki dwutlenek wĊgla, wchodząc w reakcjĊ z naturalnym skáadnikiem betonu, jakim jest CaCO3, tworzy dobrze rozpuszczalną formĊ Ca(HCO3)2, która przechodzi do wody, po- wodując powstawanie wĪerów w warstwie betonowej. WodorowĊglany wystĊpują przy kwaĞnym, obojĊtnym oraz lekko zasadowym odczynie wody. Proces niszczenia betonu jest powolny, lecz wraz z upáywem czasu obserwuje siĊ zmiany i ubytki w warstwie kon- strukcji, co w konsekwencji moĪe doprowadziü do korozji elektrochemicznej zbrojenia.
Procesy te mogą byü przyspieszane przez obniĪone pH wody oraz obecnoĞü substancji tworzących zasolenie, a szczególnie soli silnie zdysocjowanych.
Jednym z podstawowych procesów stosowanych w uzdatnianiu wód podziemnych jest jej napowietrzanie. Celem podstawowym jest dostarczenie tlenu, który utleniając Īe- lazo i mangan, przyczynia siĊ do odĪelaziania i odmanganiania wody. IloĞü dostarczanego powietrza w procesie aeracji nie jest stechiometryczna, lecz z reguáy stosuje siĊ znaczącą nadwyĪkĊ powietrza, aby usunąü wystĊpujący czĊsto w wodach podziemnych siarkowo- dór oraz inne rozpuszczone gazy. Znaczącym efektem napowietrzania jest moĪliwoĞü usuniĊcia w caáoĞci lub tylko w czĊĞci rozpuszczonego dwutlenku wĊgla. Mimo tego, Īe
rozpuszczalnoĞü dwutlenku wĊgla jest kilkadziesiąt razy wiĊksza od rozpuszczalnoĞci tlenu [Kowal i ĝwiderska-BróĪ 2007], podczas napowietrzania wody nastĊpuje rozpusz- czanie siĊ tlenu w wodzie oraz czĊĞciowo innych gazów. Skutkuje to zmniejszaniem siĊ zawartoĞci dwutlenku wĊgla w wodzie i wpáywa na zmniejszenie jej agresywnoĞci oraz korozyjnoĞci.
Drugą grupą wskaĨników korozyjnoĞci są indeksy charakteryzujące wáaĞciwoĞci ko- rozyjne wody, niezaleĪne od zmian równowagi wĊglanowo-wapniowej, zachodzących w wodzie podczas napowietrzania. MoĪna tu przytoczyü indeks Larsona-Skolda (IL), który bazuje na korozyjnym dziaáaniu chlorków i siarczanów zawartych w wodzie oraz wáaĞciwoĞciach tworzenia warstw ochronnych przez wodorowĊglany [Larson i Skold 1958]. IL opisuje korozyjnoĞü wody wzglĊdem rurociągów Īeliwnych i stalowych i jest wyraĪony wzorem:
2–4 –3
[Cl ] [SO ] [HC ]
IL
(13)
gdzie stĊĪenia skáadników wyraĪone są w mval·dm–3.
W przypadku kiedy we wzorze (13) skáadnik SO2–4 pomnoĪony jest przez 2, wtedy stĊĪenia jonów powinny byü wyraĪone w jednostce [mmol·dm–3] [Withers 2005]. Indeks Larsona-Skolda interpretuje siĊ wedáug nastĊpującego stopniowania: IL < 0,2 – woda nie jest korozyjna, 0,2 < IL < 0,4 – woda jest sáabo korozyjna, 0,4 < IL < 0,5 – woda jest lekko korozyjna oraz w przedziale 0,5 < IL < 1 – woda jest Ğrednio korozyjna. Wedáug zaáoĪeĔ woda jest wysoce korozyjna, jeĞli IL > 1 [Delion i in. 2004]. Inna charakterystyka podaje, Īe gdy IL << 0,8 – chlorki i siarczany prawdopodobnie nie utrudniają tworzenia naturalnej warstwy ochronnej przed korozją, w zakresie 1,0 << IL << 1,2 – chlorki i siar- czany mogą zakáócaü naturalny proces tworzenia siĊ warstw ochronnych osadów i moĪna spodziewaü siĊ wystąpienia korozji, a gdy IL >> 1,2 – wystąpi tendencja do intensywnej korozji [Withers 2005]. Mody¿ kacja indeksu Larsona-Skolda podana przez Alvarez-Ba- stida i innych [2013] uwzglĊdnia równieĪ korozyjny wpáyw azotanów zawartych w wo- dzie na jej wáaĞciwoĞci. Przedstawiono ją za pomocą wzoru:
24 3
3–
[Cl ] [SO ] [NO ] [HCO ]
ILc (14)
gdzie stĊĪenia skáadników równieĪ wyraĪone są w mval·dm–3.
Formalnie indeks Larsona-Skolda zostaá opracowany w odniesieniu do stali i Īeliwa, co w konstrukcjach budowlanych moĪe okreĞlaü oddziaáywanie wody na zbrojenie lub konstrukcje stalowe mające kontakt z wodą. W technice wodociągowej dotyczy to przede wszystkim zbiorników na wodĊ, ¿ ltrów, rur i rur osáonowych w studniach wierconych.
PoĞrednio wysoki IL, o ile wynika z wysokiego stĊĪenia siarczanów w wodzie, moĪe byü informacją o moĪliwoĞci tworzenia siĊ ettringitu, który silnie zwiĊkszając swoją ob- jĊtoĞü, przyczynia siĊ do tworzenia spĊkaĔ, kruszenia siĊ betonu oraz odkrywania siĊ zbrojenia [WĊglewski 2008].
RóĪnorodnoĞü indeksów korozyjnoĞci wody oraz ich niejednakowe interpretacje byáy impulsem do podjĊcia badaĔ, których celem byáo wykazanie wpáywu napowietrzania wody metodą barbotaĪu drobnopĊcherzykowego na zmiany wartoĞci indeksów korozyj- noĞci i agresywnoĞci podziemnej wody naturalnej o niskim pH i zawierającej wysokie stĊĪenia agresywnego dwutlenku wĊgla.
MATERIAàY I METODY
W badaniach wykorzystano wodĊ pochodzącą ze studni gáĊbinowych zlokalizowa- nych na terenie stacji wodociągowej w Seroczynie w gminie Wodynie. Szczegóáowy opis stacji wodociągowej i charakterystykĊ jakoĞci wody podziemnej przedstawiono w pracach Reczek i innych [2014, 2015]. Byáa to woda o specy¿ cznych wáasnoĞciach, której najwaĪniejsze cechy to: bardzo niskie pH – 6,0, zasadowoĞü ogólna – 0,7 mval·dm–3 i twardoĞü – 137 mg CaCO3·dm–3 (czyli 2,74 mval·dm–3), jak równieĪ wysoka kwaso- woĞü – 2,2 mval·dm–3 związana z wysokim stĊĪeniem agresywnego dwutlenku wĊgla – 61,6 mg·dm–3. StĊĪenie tlenu w wodzie wydobywanej bezpoĞrednio ze studni byáo bli- skie zera. Woda zawieraáa maáą iloĞü azotanów – 3,58 mgNO3– ·dm–3. Nietypowe byáo znacząco wyĪsze stĊĪenie siarczanów – 140 mg SO2–4 ·dm–3 w stosunku do chlorków – 42,4 mg Cl–·dm–3]. Woda charakteryzowaáa siĊ niską mineralizacją – przewodnictwo wynosiáo 451 S·cm–1, a sucha pozostaáoĞü – 316 mg·dm–3. Siáa jonowa, obliczana ze wzoru ogólnego uwzglĊdniającego stĊĪenia molowe i wartoĞciowoĞci poszczególnych jonów [APHA/AWWA/WEF 1998], wyniosáa 0,0063 mola·dm–3.
Badania polegaáy na napowietrzaniu wody metodą barbotaĪu w otwartej, przezro- czystej kolumnie o Ğrednicy 3 cm, z porowatym rusztem szklanym zawierającym pory o Ğrednicach 16–40 Pm. Kolumna napeániana byáa badaną wodą od góry, a od doáu byáa poáączona z pompą powietrza i rotametrem. Porowaty ruszt rozprowadzaá powietrze, które w formie pĊcherzyków przepáywaáo przez warstwĊ wody – podobne rozwiązanie zostaáo zastosowane w pracy Mouza i innych [2005]. Utleniające siĊ związki Īelaza powodowaáy kolmatacjĊ porowatego rusztu, dlatego w trakcie eksperymentów byá on myty w kwasie i wielokrotnie páukany wodą destylowaną. IntensywnoĞü napowietrzania regulowano za pomocą zaworu i rotametru. Zmienną niezaleĪną byáa objĊtoĞü wprowadzanego do wody powietrza (V = 0,17–16,7 dm3), obliczona jako iloczyn natĊĪenia przepáywu powietrza i czasu trwania napowietrzania. Eksperyment prowadzono w nastĊpujących warunkach:
natĊĪenia przepáywu powietrza Q = 20–50 dm3h–1, czas napowietrzania t = 0,5–20 min, wysokoĞü warstwy wody H = 50 cm, temperatura wody 20°C. Wykonano równieĪ se- rie badawcze dla zmiennych wysokoĞci warstwy wody H = 25, 50 i 75 cm, przy na- tĊĪeniu przepáywu powietrza Q = 30 dm3·h–1 i czasie napowietrzania t = 0,5–20 min.
W wodzie przed napowietrzaniem i po napowietrzaniu mierzono pH, zasadowoĞü ogól- ną i kwasowoĞü ogólną. Pomiary pH wykonano metodą potencjometryczną, zasadowoĞü i kwasowoĞü – metodą miareczkowania alkacymetrycznego wobec oranĪu metylenowe- go i fenoloftaleiny. StĊĪenie agresywnego dwutlenku wĊgla (CO2a) obliczano przy uĪyciu równaĔ (1)–(3), przyjmując dla temperatury 20°C wartoĞü staáej k jako 0,0063 [Gomóáka i Gomóáka 1992]. Zmiany agresywnoĞci i korozyjnoĞci wody po procesie napowietrzania oceniono na podstawie indeksów przedstawionych wzorami (4)–(14). WartoĞü pK2 przy-
jĊto jako 10,38, a pKs jako 8,45 w temperaturze 20°C [APHA/AWWA/WEF 1998]. Ob- liczane indeksy nie uwzglĊdniaáy wystĊpowania nieorganicznych kompleksów wapnia i magnezu. Przeprowadzono jednoczynnikową analizĊ wariancji dla serii zmiennych wysokoĞci warstwy wody (H) oraz serii zmiennego natĊĪenia przepáywu powietrza (Q) w arkuszu kalkulacyjnym Excel, poziom istotnoĞci alfa zostaá przyjĊty w wysokoĞci 0,05.
WYNIKI BADAē
Wyniki pomiarów pH oraz obliczeĔ stĊĪenia agresywnego dwutlenku wĊgla w wo- dzie po napowietrzaniu w funkcji iloĞci przetáoczonego powietrza pokazano na rysunkach 1 i 2. Jak widaü z przebiegu punktów pomiarowych, wraz ze wzrostem iloĞci przetáo- czonego powietrza wzrasta pH wody, co jest związane z usuwaniem agresywnego CO2a, którego stĊĪenie maleje. Warto podkreĞliü, Īe punktem wyjĞciowym w badaniach jest woda podziemna o wyjątkowo niekorzystnych parametrach, to jest niskim pH znacząco odbiegającym od normatywnego dla wody do spoĪycia (6,5–9,5) oraz wysokim stĊĪeniu CO2a (okoáo 60 mg·dm–3). ZróĪnicowanie krzywych wzrostu pH i spadku CO2a wynika z faktu, iĪ pH jest funkcją logarytmiczną w odróĪnieniu od zawartoĞci CO2a. Wpáywa to równieĪ na zróĪnicowanie zmiennoĞci obu parametrów w funkcji wysokoĞci warstwy wody poddawanej napowietrzaniu. W wiĊkszoĞci serii badawczych juĪ po przetáocze- niu okoáo 5 dm3 (co moĪna przykáadowo odnieĞü do napowietrzania z intensywnoĞcią 0,5 dm3·min–1 przez 10 min) pH wody osiąga wartoĞü 7,0. W tych warunkach znacząco, bo okoáo 6-krotnie, obniĪa siĊ stĊĪenie CO2a, pozostając na poziomie 5–10 mg·dm–3.
Analizując przebieg serii badawczych na rysunku 2 moĪna stwierdziü, Īe wraz ze wzrostem wysokoĞci warstwy wody (H) nieznacznie poprawia siĊ efekt odkwaszania, mierzony jako wzrost pH, i zmniejsza siĊ stĊĪenie CO2a. MoĪe to wynikaü z faktu, Īe wraz ze wzrostem wysokoĞci warstwy wody wydáuĪa siĊ czas przepáywu pĊcherzyków powietrza, co sprzyja zwiĊkszonej dyfuzji tlenu do wody, a dwutlenku wĊgla – z wody do powietrza. Inaczej w przypadku przebiegu serii badawczych dla zmiennego natĊĪenia
a b
Rys. 1. Zmiany pH (a) oraz stĊĪenia agresywnego CO2a (b) w wodzie podziemnej w funkcji ob- jĊtoĞci powietrza (V) dla zmiennego natĊĪenia przepáywu powietrza (Q)
Fig. 1. Changes of pH (a) and concentration of aggressive CO2a (b) in ground water in the func- tion of air volume (V) for variable air À ow rate (Q)
przepáywu Q (rys. 1), gdzie serie badawcze pokrywają siĊ. Dlatego teĪ przy uĪyciu jed- nowymiarowej analizy wariancji przetestowano hipotezĊ zerową zakáadającą, Īe Ğredni efekt odkwaszania wody, mierzony jako pH, i stĊĪenie agresywnego dwutlenku wĊgla w badanym zakresie H oraz Q nie zaleĪy od zmiennych H i Q. Dla serii H wartoĞü sta- tystyki F (0,089) nie przekracza wartoĞci krytycznej (3,354), dlatego nie ma podstaw do odrzucenia hipotezy zerowej o równoĞci Ğrednich. Podobnie w przypadku serii Q war- toĞü statystyki F (0,464) nie przekracza wartoĞci krytycznej testu (2,866). Oznacza to, Īe zmienne H i Q w zakresie wielkoĞci, które obejmowaá eksperyment, nie mają znaczącego wpáywu na Ğredni efekt odkwaszania wody. W związku z powyĪszym dalsze wnioskowa- nie prowadzono na podstawie ujednoliconych serii pomiarowych.
Wykorzystując wyniki pomiarów oraz dane na temat wáaĞciwoĞci ¿ zyczno-chemicz- nych surowej wody podziemnej [Reczek i in. 2014], obliczono podstawowe wskaĨniki korozyjnoĞci, które przedstawiono na rysunku 3 i omówiono w tekĞcie. Badana woda podziemna charakteryzowaáa siĊ bardzo silnymi wáaĞciwoĞciami korozyjnymi w sto- sunku do betonu i stali, o czym Ğwiadczą wartoĞci indeksów agresywnoĞci korozyjnej:
LSI ~ –2,3; RSI ~ 15; AI ~ 9,8; I ~ 40; IL = 5,9, ILƍ = 6,0. Taka woda jest szczególnie agresywna w stosunku do armatury i urządzeĔ wykorzystywanych przy jej ujmowaniu oraz magazynowaniu przed uzdatnieniem (np. zbiorników wody surowej). Proces na- powietrzania zdecydowanie obniĪaá stopieĔ jej korozyjnoĞci, szczególnie intensywnie w początkowej fazie napowietrzania (rys. 3). W efekcie zmieniaáy siĊ wartoĞci indeksów korozyjnoĞci, zaleĪnych od zmian równowagi wĊglanowo-wapniowej, które zachodziáy podczas kontaktu wody z powietrzem i usuwania nadmiaru CO2a. Wraz ze zwiĊkszaniem iloĞci wprowadzanego powietrza do wody wartoĞci indeksów stabilizowaáy siĊ, osiągając poziomy: LSI = –1,5– –1; RSI = 14–13,5; AI – 10,5–11; I = 1–0,5. Indeksy LSI oraz RSI charakteryzowaáy wodĊ po procesie odkwaszania ¿ zycznego jako wciąĪ bardzo agre- sywną, natomiast wartoĞci indeksu AI wskazywaáy juĪ tylko na moĪliwoĞü wystąpienia korozji w stosunku do betonu. Podobnie indeks I, który ma bardzo silny związek ze stĊ- Īeniem CO2a, pozwalaá na scharakteryzowanie napowietrzonej wody jako lekko koro- zyjnej dla konstrukcji betonowych. Proces napowietrzania nie zmieniaá wartoĞci indek- sów IL oraz ILƍ, poniewaĪ podczas procesu nie dochodziáo do zmian zasadowoĞci wody
a b
Rys. 2. Zmiany pH (a) oraz stĊĪenia agresywnego CO2a (b) w wodzie podziemnej w funkcji ob- jĊtoĞci powietrza (V) dla zmiennej wysokoĞci warstwy napowietrzanej wody (H) Fig. 2. Changes of pH (a) and concentration of aggressive CO2a (b) in ground water in the func-
tion of air volume (V) for variable layer of aerated water (H)
oraz zmian stĊĪenia anionów chlorkowych, siarczanowych(VI) czy azotanowych(V).
Zgodnie z tym wskaĨnikiem woda pozostawaáa wysoce korozyjna w stosunku do Īeliwa i stali, bez wáaĞciwoĞci umoĪliwiających tworzenie siĊ naturalnych warstw ochronnych.
Potwierdza to fakt, Īe wody o tak specy¿ cznych wáasnoĞciach jak analizowana (niska zasadowoĞü) pomimo odkwaszenia ¿ zycznego pozostają korozyjne i wymagają odkwa- szania chemicznego.
PODSUMOWANIE
Woda podziemna ujmowana na stacji wodociągowej w Seroczynie charakteryzowaáa siĊ bardzo wysokim stĊĪeniem CO2a i niską zasadowoĞcią, co wpáywaáo na jej bardzo silną agresywnoĞü korozyjną w stosunku do betonu i stali. Potwierdzono to za pomocą obliczeĔ wartoĞci popularnie stosowanych indeksów korozyjnoĞci, zaleĪnych i niezaleĪ- nych od zmian równowagi wĊglanowo-wapniowej. Czynnik ten naleĪy braü pod uwagĊ przy projektowaniu i eksploatowaniu instalacji i obiektów ujmujących wodĊ o takich wáaĞciwoĞciach, a szczególnie przy doborze cementów oraz powáok ochronnych.
Eksperyment napowietrzania wykazaá przydatnoĞü procesu do zmniejszenia korozyj- noĞci wody, co związane byáo z usuniĊciem CO2a do poziomu 5–10 mg·dm–3 i wzro- stem pH do wartoĞci 7. W badaniach proces odkwaszania ¿ zycznego nie umoĪliwiá Rys. 3. Zmiany indeksów korozyjnoĞci i agresywnoĞci wody podziemnej w funkcji objĊtoĞci
powietrza (V)
Fig. 3. Changes of corrosiveness and aggressiveness indices of ground water in the function of air volume (V)
d b a
c
uzyskania niekorozyjnych wáaĞciwoĞci wody. Wynikaáo to z faktu, Īe woda podziemna posiadaáa bardzo specy¿ czne parametry, do których naleĪy zaliczyü niską zasadowoĞü – 0,7 mval·dm–3, niskie pH – 6,0 oraz wysoką kwasowoĞü – 2,2 mval·dm–3, co wymagaáo dodatkowego zastosowania chemicznej alkalizacji. Za pomocą analizy wariancji wyka- zano znikomy wpáyw wysokoĞci warstwy wody i natĊĪenia przepáywu powietrza w ba- danym zakresie na efekt odkwaszania tej wody.
Przy ocenie korozyjnoĞci wody naleĪy analizowaü kilka wskaĨników, gdyĪ pojedyn- czy moĪe doprowadziü do wyciągniĊcia faászywych wniosków. Taka sytuacja wystąpiáa w niniejszych badaniach, gdzie wartoĞci indeksów AI i I wskazywaáy na znaczne osáa- bienie wáaĞciwoĞci korozyjnych napowietrzonej wody, natomiast wartoĞci indeksów LSI, RSI, IL oraz ILƍ przeczyáy temu, de¿ niując ją wciąĪ jako silnie korozyjną. KoniecznoĞü wykorzystywania róĪnych indeksów wynika z faktu, Īe z reguáy wody podziemne mają bardzo zróĪnicowany skáad, a indeksy róĪnią siĊ stosowanymi parametrami: pH, twardo- Ğcią, zasadowoĞcią, CO2a, temperaturą, stĊĪeniem wapnia, chlorków czy siarczanów.
PIĝMIENNICTWO
Alvarez-Bastida, C., Martínez-Miranda, V., Vázquez-Mejía, G., Solache-Ríos, M. (2013). The cor- rosive nature of manganese in drinking water. Science of the Total Environment, 447, 10–16.
APHA/AWWA/WEF (1998). Standard Methods for the Examination of Water and Wastewater.
20th edn. American Public Health Association / American Water Works Association / / Water Environment Federation, Washington DC, USA.
Davil, M.F., Mahyi, A.H., Norouzi, M., Mazloomi, S., Amarluie, A., Tardast, A., Karamitabar, Y.
(2009). Survey of corrosion and scaling potential produced water from Ilam Water Treat- ment Plant. World Applied Sciences Journal, 7, 1–6 (Special Issue of Applied Math).
Dąbrowski, W., Buchta, R. (2001). Ocena Polskiej Normy PN-72/C-04609 w zakresie obliczeĔ równowagi wĊglanowej. Gospodarka Wodna, 4, 161–163.
Dąbrowski, W., Buchta, R., Dąbrowska, B., Mackie, I. (2010). Calcium carbonate equilibria in water supply systems. Environment Protection Engineering, 36 (2), 75–94.
Delion, N., Mauguin, G., Corsin, P. (2004). Importance and impact of post treatment on design and operation of SWRO plants. Desalination, 165, 323–334.
Gomóáka, B., Gomóáka, E., (1992). ûwiczenia laboratoryjne z chemii wody. Wydawnictwo Poli- techniki Wrocáawskiej, Wrocáaw.
Kowal, A.L., ĝwiderska-BróĪ, M. (2007). Oczyszczanie wody. Wydawnictwo Naukowe PWN, Warszawa.
Larson, T.E., Skold, R.V., (1958). Laboratory studies relating mineral water quality of water on corrosion of steel and cast iron. Corrosion, 14, 285–288.
Mouza, A.A., Dalakoglou, G.K., Paras, S.V. (2005). Effect of liquid properties on the performance of bubble column reactors with ¿ ne pore spargers. Chemical Engineering Science, 60, 1465–1475.
Plottu-Pecheux, A., Democrate, C., Houssais, B., Gatel, D., Cavard, J. (2001). Controlling the cor- rosiveness of blended waters. Desalination, 138, 237–249.
PN-72/C-04609 Woda i Ğcieki. WstĊpna jakoĞciowa ocena korozyjnego dziaáania zimnych wód naturalnych na przewody z Īeliwa, stali zwykáej lub ocynkowanej.
Reczek, L., Michel, M., Siwiec, T., Nowak, P. (2014). Odkwaszanie wody ujmowanej w stacji wodociągowej w Seroczynie. Instal, 356 (11), 76–80.
Reczek, L., Michel, M., Siwiec, T., Nowak, P. (2015). Usuwanie manganu i niklu z wody ujmowa- nej w stacji wodociągowej w Seroczynie. Instal, 358 (1), 42–44.
Satora, S. (2008). WskaĨniki hydrochemiczne ujmowanych wód podziemnych na obszarze woje- wództwa maáopolskiego. Przemysá Chemiczny, 87 (5), 566–568.
WĊglewski, W. (2008). Modelowanie zniszczenia betonu wywoáanego korozją siarczanową. Roz- prawa doktorska. Instytut Podstawowych Problemów Techniki Polskiej Akademii Nauk, Warszawa.
Withers, A. (2005). Options for recarbonation, remineralisation and disinfection for desalination plants. Desalination, 179, 11–24.
ĩelazny, H. (2010). Warunki wilgotnoĞciowe i zanieczyszczenie korozyjne stalowych elementów koryt w eksperymentalnej tuczarni trzody chlewnej. Acta Sci. Pol. Architectura, 9 (3), 51–57.
THE INFLUENCE OF AERATION ON THE CHANGE OF CORROSIVE AGGRESSIVENESS OF GROUNDWATER IN RELATION TO CONCRETE AND STEEL
Abstract. The results of investigation on changes of groundwater corrosiveness during aeration were presented. The independent variables were air À ow rate, aeration time as well as water layer height. The physic-chemical parameters of water for determining the changes of its properties using indirect methods were measured. The changes of water corrosivity were evaluated using Langelier Saturation Index (LSI), Ryznar Stability Index (RSI), Ag- gressiveness Index (AI), Index of Intensity (I) and Larson-Skold Index (IL). It was found that aeration substantially decreases the corrosiveness of water by increasing pH value and decreasing the concentration of aggressive CO2a. However, the very low alkalinity enables to achieve the non-corrosive properties of water.
Key words: aggressive carbon dioxide, physical de-acidi¿ cation of water
Zaakceptowano do druku – Accepted for print: 21.03.2016
Cytowanie: Siwiec, T., Michel, M.M., Reczek, L. (2016). Wpáyw napowietrzania na zmianĊ agre- sywnoĞci korozyjnej wody podziemnej w stosunku do betonu i stali. Acta Sci. Pol. Architectura, 15 (1), 95–105.
