L L L L NDWLRQHQ DQLRQHQ

Transcriptie

1 Hoofdstuk 4 Waterchemie 4 Waterchemie Voordat we kunnen ingaan op de verschillende zuiveringsprocessen die gebruikt worden bij de drink en afvalwaterzuivering, moeten we weten welke stoffen er in water voor kunnen komen en hoe deze stoffen in een waterig milieu reageren Hiervoor is enige kennis van de waterchemie noodzakelijk In dit hoofdstuk wordt getracht op eenvoudige wijze enig inzicht te geven in de relevante onderdelen van de waterchemie In het verloop van het college wordt de waterchemie gebruikt voor het verklaren van allerlei verschijnselen Hierbij kan gedacht worden aan de samenstelling van water, maar ook de interactie van water met materialen zoals beton Extra aandacht wordt besteed aan het kalkkoolzuurevenwicht Dit evenwicht speelt een belangrijke rol bij de drinkwaterzuiveringsprocessen In afb 41 staan enige termen weergegeven die na bestudering van deze stof bekend zullen zijn De chemie die behandeld zal worden is voor een groot gedeelte gelijk aan de chemie zoals behandeld op het VW 41 Het periodiek systeem Het periodiek systeem is een rankschikking van de elementen zoals ze in de natuur voorkomen Het periodiek systeem is door Mendelejef in 1869 opgesteld Het bestond in 1869 nog maar uit 60 atoomsoorten, maar bevatte ook een voorspelling voor VWHUN]XXU &D& PPR & R[\GDWH & EXIIHU ]ZDN]XXU Afb 41 Een aantal termen uit de waterchemie S Z stoffen die op dat moment nog niet bekend waren In het periodieke systeem zijn de elementen van links naar rechts gerankschikt naar oplopend atoomnummer Stoffen die chemisch gezien op elkaar lijken zijn onder elkaar geplaatst (bijvoorbeeld magnesium en calcium of chloor en broom) p de volgende pagina s wordt van de belangrijkste in water bekende elementen de atoommassa, de lading en het voorkomen in water vermeld De meeste elementen zijn op empirisch wijze in de drinkwaterzuivering terechtgekomen In het verleden heeft men gevonden dat een bepaalde stof een goede werking had op de kwaliteit van het water, later is dit pas met behulp van de waterchemie verklaard Afb 4 Periodiek systeem 1

2 CT340 Inleiding Gezondheidstechniek Waterstof (H) komt op aarde voor in combinatie met zuurstof in water, maar ook in organische stof als planten, olie en kolen De atoommassa van waterstof bedraagt 1, de lading is meestal gelijk aan 1 De voor de waterchemie bekendste verbindingen waar waterstof deel van uitmaakt zijn H, H 3, H, CH 4 en CH Koolstof (C) komt als kooldioxide (C ) voor in de atmosfeer en in water ok wordt koolstof gevonden als bestanddeel van gesteenten in de vorm van calciumcarbonaat, ijzercarbonaat, ed Daarnaast is koolstof een onderdeel van de organische stoffen De atoommassa van koolstof bedraagt 1, de lading is gelijk aan 4 of 4 De voor de waterchemie bekendste verbindingen waar koolstof deel van uitmaakt zijn HC 3, C, CaC 3 en CH 4 Stikstof (N) is het belangrijkste element in de atmosfeer, de atmosfeer bestaat voor 78 volumeprocent uit stikstofgas Stikstof vormt met zuurstof de verbinding N (nitriet) en N 3 (nitraat) en met waterstof NH 4 (ammonium) Daarnaast komt stikstof ook voor in organische stoffen De atoommassa van stikstof bedraagt 14, de lading is gelijk aan 3 of 5 De voor de waterchemie bekendste verbindingen waar stikstof deel van uitmaakt zijn N 3, NH 4, N en N Zuurstof () komt voor in de atmosfeer in 1 volumeprocent Zuurstof komt voor in talloze organische verbindingen Zuurstof is een sterke oxidator Naast zuurstof ( ) is ozon ( 3 ) een nog sterkere oxidator De atoommassa van zuurstof bedraagt 16, de lading is gelijk aan De voor de waterchemie bekendste verbindingen waar zuurstof deel van uitmaakt zijn, H, H 3, H, C en 3 Fluor (F) komt in kleine hoeveelheden voor in water en is noodzakelijk voor het voorkomen van tandbederf De atoommassa van fluor bedraagt 19, de lading is gelijk aan 1 Fluor komt in water meestal voor als het ion F Natrium (Na) is belangrijk voor de voeding en komt bijvoorbeeld voor in de vorm van zout (NaCl) Daarnaast wordt het ook veel in de industrie gebruikt De atoommassa van natrium bedraagt 3, de lading is gelijk aan 1 De voor de waterchemie bekendste verbindingen waar natrium deel van uitmaakt zijn Na, NaH, NaCl en Na C 3 Magnesium (Mg) komt voor in de vorm van gesteenten in de ondergrond Door het oplossen van magnesiumzouten komt magnesium in het water terecht Magnesium bepaalt mede met calcium de hardheid van water De atoommassa van magnesium bedraagt 4,3, de lading is gelijk aan De voor de waterchemie bekendste verbindingen waar magnesium deel van uitmaakt zijn Mg en Mg(H) Aluminium (Al) wordt bij een lage ph (ph <5) van het water uit gesteenten opgelost Daarnaast wordt aluminium gebruikt als vlokmiddel (Al(H 3 )) voor de verwijdering van zwevende stof en colloïdale deeltjes De atoommassa van aluminium bedraagt 7, de lading is gelijk aan 3 De voor de waterchemie bekendste verbindingen waar aluminium deel van uitmaakt zijn Al 3, Al(H) 3 en Al (S 4 ) 3 Fosfor (P) wordt altijd in combinatie met andere elementen gevonden en wordt veel gebruikt als voedingsstof Een teveel aan fosfor leidt tot eutrofiëring en algengroei De atoommassa van fosfor bedraagt 31, de lading is gelijk aan 3 of 5 De voor de waterchemie bekendste verbinding waar fosfor deel van uitmaakt is P 4 3 Zwavel (S) komt in de ondergrond voor in gesteenten (FeS) nder anaerobe omstandigheden wordt soms H S (moerasgas) gevormd Zwavelzuur (H S 4 ) wordt bij de drinkwaterzuivering gebruikt om de ph te verlagen De atoommassa van zwavel bedraagt 3, de lading is gelijk aan 6 of 1 De voor de waterchemie bekendste verbindingen waar zwavel deel van uitmaakt zijn S 4, H S en H S 4 Chloride (Cl) komt voor als chloor (Cl ) dat wordt gebruikt voor de desinfectie van water Chloor is een krachtige oxidator die organische stof afbreekt Daarnaast komt chloride voor in de vorm van NaCl Zoutzuur (HCl) wordt gebruikt voor een verlaging van de ph van water De atoommassa van chloride bedraagt 35,5, de lading is gelijk aan 1 of 0 De voor de waterchemie bekendste verbindingen waar chloride deel van uitmaakt zijn Cl, NaCl, HCl en Cl Calcium (Ca) komt voor in gesteenten in de bodem Calcium speelt een belangrijke rol in het kalkkoolzuur evenwicht Calcium bepaalt samen met magnesium de hardheid van water De atoommassa van calcium bedraagt 40, de lading is gelijk aan De voor de waterchemie bekendste verbindingen waar calcium deel van uitmaakt zijn Ca, CaC 3, Ca(H) Mangaan (Mn) komt in water voor door oplossen van mangaangesteenten Mangaan (Mn ) in water geeft zwarte afzettingen Wanneer mangaanhoudend water in contact komt met zuurstof oxideert het mangaan tot Mn 4 en dit vormt weer Mn(H) of Mn De atoommassa van mangaan bedraagt 54,9, de lading is gelijk aan of 4 De voor de waterchemie bekendste verbindingen waar mangaan deel van uitmaakt zijn Mn, Mn 4, Mn(H) en Mn IJzer (Fe) komt in het water door oplossen van ijzerhoudend gesteente Wanneer ijzerhoudendwater in contact komt met zuurstof oxideert het Fe tot Fe 3 en wordt er Fe(H) 3 gevormd ok wordt ijzerchloride gebruikt als vlokmiddel voor de verwijdering

3 Hoofdstuk 4 Waterchemie van zwevende stof en colloïdale deeltjes De atoommassa van ijzer bedraagt 55,8, de lading is gelijk aan of 3 De voor de waterchemie bekendste verbindingen waar ijzer deel van uitmaakt zijn Fe, Fe 3, Fe(H) 3 en FeCl 3 Arseen (As) komt in grondwater voor en is soms de oorzaak dat spoelwaterslib niet gestort mag worden omdat dit slib te hoge concentraties aan arseen bevat De atoommassa van arseen bedraagt 75, de lading is gelijk aan 3 of 5 De voor de waterchemie bekendste verbindingen waar arseen deel van uit maakt zijn As 5 en As 3 Kwik (Hg) komt in water voor door industriële lozingen Kwik hoopt zich op in het vet bij mensen en dieren en is zeer schadelijk voor de gezondheid De atoommassa van kwik bedraagt 00,6, de lading is gelijk aan De voor de waterchemie bekendste verbinding waar kwik deel van uitmaakt is Hg ood (Pb) komt in water voor door het oplossen van loden leidingen bij een lage ph De atoommassa van lood bedraagt 07,, de lading is gelijk aan De voor de waterchemie bekendste verbinding waar lood deel van uitmaakt is Pb 4 Fysische eigenschappen van water Water komt in drie fasen voor, nl: als damp, vloeistof en vast Water in deze fasen heeft verschillende eigenschapen Zo heeft water in de vaste en vloeibare vorm een geordende structuur, terwijl deze orde er in de dampvorm niet is In dit deel over de waterchemie beperken wij ons tot water in de vloeibare fase De structuurformule voor water is H, ofwel twee atomen waterstof zijn verbonden met één atoom zuurstof De lading van de waterstofatomen is 1, de lading van het zuurstofatoom is, een watermolecuul is dus neutraal geladen De waterstof en zuurstofatomen liggen niet op een rechte lijn, maar onder een hoek van 105 Een molecuul waarbij de ladingsverdeling niet symmetrisch is wordt een dipool genoemd Stoffen die een dipool zijn, noemt men polaire stoffen De binding tussen de atomen van polaire stoffen noemt men een polaire atoombinding mdat de atomen onder een hoek liggen worden de polaire bindingen niet opgeheven Stoffen die geen dipool hebben zijn apolair Polaire stoffen zijn goed in water oplosbaar (en dus moeilijk te verwijderen uit water), apolaire stoffen zijn slecht in water oplosbaar (en dus makkelijk te verwijderen uit water) Bij dipolen waarbij sprake is van Hatomen gebonden aan of Natomen hebben we te maken met een bijzonder effect, namelijk er is sprake van waterstofbruggen Het Hatoom vormt een brug met een overeenkomstig of Natoom in een naburig molecuul De krachten tussen moleculen ten gevolge van waterstofbruggen zijn vrij groot Het gevolg van de waterstofbruggen bij water is dat het kookpunt van water hoog is (100 C) Stoffen die waterstofbruggen vormen zijn goed in water oplosbaar Deze moleculen worden in water omringd door watermoleculen We noemen dit hydratatie In tabel 41 staan allerlei fysische eigenschappen van water weergegeven p de voor dit college belangrijkste eigenschappen zal nader ingegaan worden Een watermolecuul bestaat uit één zuurstof en twee waterstofatomen De molecuulmassa van water bedraagt 18 g/mol De dichtheid van water is een functie van de temperatuur Bij 0 C is de dichtheid van water 999,9 kg/m 3, bij 4 C bedraagt deze 1000 kg/m 3 en bij hogere temperaturen neemt de dichtheid weer af nder de 0 C bedraagt de dichtheid van water (het is dan ijs geworden) 917 kg/m 3 mdat de dichtheid van de vaste fase kleiner is dan de vloeistof fase, drijft ijs op water Tabel 41 Fysische eigenschappen van water Chemische samenstelling H molecuulmassa o dichtheid (4 C) o kinematische viscositeit (10 C) o dynamische viscositeit (10 C) vormingswarmte o smeltwarmte (0 C) o soortelijke warmte (0 C) verdampingswarmte elect geleidingsvermogen o oppervlakte spanning (0 C) o diëlectrische constante (0 C) ok de viscositeit ( stroperigheid) van water is afhankelijk van de temperatuur Bij lagere temperaturen is water visceuzer (stroperiger) Bij hogere temperaturen is water vloeibaarder De viscositeit bij 10 C bedraagt 1, m s 1, bij 0 C bedraagt de viscositeit 1, m s 1 De viscositeit speelt bijvoorbeeld een rol bij het bezinkgedrag van deeltjes Deeltjes zinken sneller naar de bodem wanneer de viscositeit lager is (hogere temperatuur) De aanwezigheid van vreemde stoffen zal sommige eigenschappen van water sterk veranderen, andere eigenschappen niet Als voorbeeld wordt zeewater gegeven Zeewater heeft een gehalte aan opgeloste stoffen van 3,5% (voornamelijk NaCl) De dichtheid van zeewater is hierdoor hoger, nl 105 kg/m 3 De viscositeit van zeewater is ongeveer 10% hoger en : : : : : : : : : : : 18, , , ,7 4, , , ,1 1 6 g mol 1 k g m 3 m s 1 P a s k J mol 1 k J kg 1 k J m o k J kg 1 S N/m F/m 3 C 1 3

4 CT340 Inleiding Gezondheidstechniek het geleidingsvermogen zelfs 5400 maal zo groot Bevriezing vindt pas plaats bij C De overige waarden zijn hetzelfde of bijna hetzelfde als voor zuiver water 43 Concentraties en equivalenten De eenheid waarin stoffen in water opgegeven worden is meestal mg/l, g/m 3 of kg/m 3 Echter in de chemie wordt met een andere eenheid gerekend, nl de mol of molariteit Een mol is gelijk aan moleculen De molariteit kan berekend worden wanneer de concentratie van een stof in water en de molaire massa bekend zijn De concentratie van een stof in water wordt berekend door de hoeveelheid stof (massa) te bepalen in een bepaald volume (m 3 ) PRDUWHW FRQFHQWUDWH PRDUHPDVVD eenheid molariteit mol/l eenheid concentratie g/l eenheid molaire massa g/mol De molaire massa is de som van de atoommassa van de verschillende atomen De molaire massa voor water (H ) is gelijk aan 18 g/mol (16 1) en de molaire massa voor keukenzout (NaCl) gelijk aan 58,5 g/mol (3 35,5) Met behulp van de molaire massa zijn concentraties om te rekenen tot molariteiten 10 g/l NaCl komt overeen met 10/58,5 5,7 10 mol/l 57 mmol/l NaCl 114 mg/l Ca(H) komt overeen met 114/74 1,54 mmol/l Ca(H) m dit aan te geven gaan we als voorbeeld uit van een lympisch zwembad met een grootte van 50 0 m 3 (ofwel 000 m liter) gevuld met water en de hoeveelheid suiker die erin gegooid wordt om een bepaalde concentratie te bereiken Anorganische macroverontreinigingen zijn stoffen zoals chloride, natrium en nitraat Deze stoffen komen in water voor in concentraties van milligrammen per liter Zo bevat Rijnwater bijvoorbeeld 100 mg/l ( 0,1 kg/m 3 ) chloride Dit komt in ons voorbeeld overeen met 0, kg chloride Een concentratie van 100 mg/l chloride is dus gelijk aan 00 pakken suiker in het zwembad ok wordt de orde van grootte soms weergegeven als parts per million (ppm) 1 ppm is gelijk aan 1 mg/l van een stof in 1 liter water (1 mg/l 1 g/m 3 0,001 kg/m 3, 1 liter water is 1000 kg, dus 1 mg/l stof in 1 liter water 0,001/1000 1/ ) Een concentratie van 100 mg/l chloride in het zwembad bedraagt 100 ppm Gassen komen in water voor in concentraties van enige milligrammen per liter De verzadigingswaarde van zuurstof in water bij 10 C is ongeveer 10 mg/l ofwel 0,01 kg/m 3 ofwel 10 ppm Dit komt overeen met 0, kg suiker in het zwembad Zware metalen behoren tot de microverontreinigingen Zware metalen komen voor in microgrammen per liter Arseen komt voor in gehalten van ongeveer 10 µg/l (0,00001 kg/m 3 ) Dit komt overeen met 0, ,0 kg suiker in het zwembad ofwel 1 theelepeltje suiker in het zwembad De concentratie zware metalen van 10 µg/l is gelijk aan 0,01 ppm 10 ppb ( parts per billion) Bestrijdingsmiddelen komen voor in water in concentraties van 0,1 µg/l (110 7 kg/m 3 ) Dit komt overeen met ,000 kg 0, gram suiker in het zwembad Dit is ongeveer gelijk aan een korreltje suiker in het hele zwembad De concentratie van 0,1 µg/l is gelijk aan 1 ppb Het aantonen van 1 µg/l bestrijdingsmiddel in water is te vergelijken met het vinden van 1 tonijn in de Middellandse Zee m te vermijden dat er onduidelijkheden optreden over de eenheid van stoffen wordt in het vervolg een concentratie weergegeven met ( ) en de molariteit met [ ] Verontreinigingen zijn in verschillende orde van grootte in water aanwezig Zo is bij het college waterverontreinigingen en zelfreiniging gesproken over marco en microverontreinigingen Maar over welke orde van grootte spreken we? Als voorbeeld wordt de equivalente concentratie van 19 mg/l waterstofcarbonaat berekend De structuurformule voor waterstofcarbonaat is HC 3 Waterstofcarbonaat bestaat uit de atomen waterstof, koolstof en zuurstof en is negatief geladen De molaire massa van waterstofcarbonaat is gelijk aan 61 g/mol ( ) De valentie is 1 Het equivalente gewicht is gelijk aan 61 (61/1) De equivalente concentratie is gelijk aan,11 meq/l (19/61) Voorbeeld berekening equivalente concentratie 4

5 Hoofdstuk 4 Waterchemie Equivalenten Met behulp van de molaire massa kunnen we uit concentraties de molariteit berekenen Daarnaast is het ook nog mogelijk om het equivalente gewicht en de equivalente concentratie te berekenen De equivalente concentratie wordt gebruikt bij de berekening van de ionenbalans Het equivalente gewicht is gelijk aan de molaire massa gedeeld door de valentie fwel in formulevorm: PRDUHPDVVD HTXYDHQW JHZFKW YDHQWH eenheid equivalent gewicht g/mol eenheid valentie De valentie van een atoom is de lading Voor chloride (Cl ) is de valentie 1, voor calcium (Ca ) is de valentie De equivalente concentratie is gelijk aan de concentratie gedeeld door het equivalente gewicht fwel in formulevorm: HTXYDHQW H FRQFHQWUDWH FRQFHQWUDWH HTXYDHQWJHZFKW eenheid equivalente concentratie eq/l Ionen in water Alle anorganische stoffen zijn in zekere mate oplosbaar in water De oplosbaarheid van stoffen neemt toe bij een hogere temperatuur, terwijl de druk geen invloed heeft In water komen veel stoffen voor, gedeeltelijk zijn deze stoffen op natuurlijke wijze in het water terecht gekomen, gedeeltelijk door menselijk handelen (lozing van huishoudelijk en industrieel afvalwater) Alle stoffen worden dus in water aangetroffen, echter wel in verschillende hoeveelheden Zo is de eenheid waarin waterstofcarbonaat en chloride worden weergegeven mg/l, terwijl de eenheid voor lood en koper µg/l is (een factor duizend lager) Wanneer van een water de samenstelling gegeven wordt, kun je niet afleiden waarvan de verschillende ionen afkomstig zijn Is natrium nu afkomstig van NaCl of van NaS 4, en is sulfaat afkomstig van MgS 4 of NaS 4? Wel kunnen we kijken of de ionenbalans van een watersoort klopt In water dient de som van de positieve ladingen gelijk te zijn aan de som van de negatieve ladingen In formulevorm: Ê NDWRQHQ F ¼ ] 0: Ê DQRQHQ F ¼ ] 0: De termen in de ionenbalans zijn de volgende: c i concentratie (mg/l) MW i ionmassa, molaire massa (g/mol) z i valentie () Bij het opstellen van de ionenbalans volstaat het meestal wanneer alleen de ionen meegenomen worden die in grote concentraties (mg/l) in water voorkomen, de anorganische macroverontreinigingen Dit zijn de volgende anionen (ionen met een negatieve lading): HC 3, Cl, S 4, N 3 ; en de volgende kationen (ionen met een positieve lading): Na, K, Mg, Ca, Fe, Mn en NH 4 Activiteiten In water zijn ionen aanwezig in verschillende concentraties Wanneer deze concentraties klein zijn, kan worden verondersteld dat de ionen elkaar niet zullen beïnvloeden (ideale oplossing) Naarmate echter de concentraties groter worden, zal de beïnvloeding door electrostatische krachten groter worden Ionen met een gelijke lading stoten elkaar immers af, ionen met een verschillende lading trekken elkaar aan De waterige oplossing gedraagt zich nu niet meer als een ideale oplossing In een ideale oplossing zijn alle ionen beschikbaar voor reacties, bij een nietideale oplossing is maar een gedeelte van de ionen beschikbaar voor reacties Dit gedeelte Met behulp van de ionenbalans kan een ontbrekende stof in een wateranalyse berekend worden De watersamenstelling van water uit de duinen bij Wijk aan Zee is als volgt: 43 mg/l K ; 14 mg/lca ; 7,3 mg/l Mg ; 8,4 mg/lfe ; 1,8 mg/l NH 4 ; 49,7 mg/l Cl ; 353,8 mg/l HC 3 ;? mg/l S 4 De concentratie sulfaat kan berekend worden door de som van de equivalente concentraties van de kationen te berekenen en deze af te trekken van som van de equivalente concentraties van de anionen (behalve sulfaat) Er volgt dan: Som equivalente concentraties kationen 1,1 6, 0,6 0,3 0,1 8,3 meq/l Som equivalente concentraties anionen 1,4 5,8 7, meq/l De equivalente concentratie van sulfaat bedraagt 1,1 meq/l ofwel 5,9 mg/l Voorbeeld berekening ionenbalans 5

6 CT340 Inleiding Gezondheidstechniek wordt de schijnbare concentratie genoemd De schijnbare concentratie zal altijd kleiner zijn dan de werkelijke concentratie (de situatie waarin alle ionen beschikbaar zijn) Bij allerlei berekeningen in de waterchemie rekenen we niet met de werkelijke concentratie van een ion, maar met een schijnbare concentratie a i, die we de activiteit van het ion noemen Tussen de werkelijke concentratie c i en de schijnbare concentratie a i bestaat een relatie: D I ¼ F a i schijnbare concentratie [mol/l], c i werkelijke concentratie [mol/l], f i activiteitscoëfficiënt [] De activiteitscoëfficiënt geeft aan welk deel van de ionen beschikbaar is voor chemische reacties Door gebruik te maken van activiteiten kunnen we nietideale oplossingen beschouwen als ideale oplossingen De grootte van de activiteitscoëfficiënt blijkt afhankelijk te zijn van de totale concentratie aan ionen in de oplossing en van de lading van de ionen In de vergelijking voor de ionsterkte worden beide invloeden meegenomen: ¼ F Ê ¼ ] 0: waarin: I ionsterkte [mol/l], samenstelling Rijnwater (eenheden in mg/l): anionen: HC 3 87; S 4 89; Cl 155 kationen: Na 115; Ca 7; Mg 16 Ê Ë ¼ Ì ¼ Í F 0: ] Û Ý Î Ü ¼ ¼ ¼ ¼ Ï Ð Î ¼ ¼ ¼ ¼ Ï Ð Voorbeeld Berekening ionsterkte van Rijnwater anionen m de ionsterkte te berekenen moeten in principe alle concentraties aan ionen bekend zijn, echter in de praktijk blijkt het voldoende als de concentraties van de belangrijkste ionen bekend zijn, nl: Na, H 3, Ca, Mg, Cl, S 4, HC 3 Met behulp van de ionsterkte kan de activiteit van een bepaald ion berekend worden met behulp van de formule: Þ ß à Þ ß à [ ] PPR ¼ kationen RJ I $ ¼ ] ¼ % ¼ D ¼ $ ¼ 7 % ¼ 7 7 waarin: T temperatuur [ K] d i afstand waarop twee ionen elkaar kunnen naderen [eenheid in Å m] Bij benadering is afstand waarop ionen elkaar kunnen naderen gelijk aan de straal van het gehydrateerde ion Voor de verschillende ionen zijn de waarden van d i gegeven in tabel 4 De invloed van de activiteitscoëfficiënten is het grootste wanneer we te maken hebben met water waarin veel ionen aanwezig zijn De invloed is het kleinste bij water waarin bijna geen ionen aanwezig zijn In gedestilleerd water zijn geen ionen aanwezig, de ionsterkte van dit water bedraagt dus ook 0 De activiteitscoëfficiënt voor 1, en 3waardige ionen zal dan ook 1 bedragen, de werkelijke concentratie is gelijk aan de schijnbare concentratie In Rijnwater zijn veel ionen aanwezig p de vorige pagina hebben we uitgerekend dat de ionensterkte van Rijnwater ongeveer 10 mmol/l bedraagt De activiteitsconstanten voor de 1, en 3waardige ionen zijn dan f I 0,90, f II 0,66 en f III 0,39 ofwel van de eenwaardige ionen zal 90% beschikbaar zijn voor reacties, van tweewaardige ionen maar 66% De onderlinge invloed van ionen op elkaar is merkbaar, maar niet erg groot In zeewater zijn erg veel ionen aanwezig, de ionsterkte van zeewater bedraagt 1000 mmol/l De activiteitsconstanten voor de 1, en 3waardige ionen Tabel 4 Afstand waarop ionen elkaar kunnen naderen (eenheid is Å 10 m) Ion d i (Å) H 3 9 M g 8 C a 6 C 3 5 N a, HC, S Cl 3 6

7 Hoofdstuk 4 Waterchemie zijn bij deze ionsterkte f I 0,56, f II 0,10 en f III 0,06 De onderlinge invloed van ionen op elkaar is duidelijk merkbaar Bij de berekeningen van met zeewater zal rekening gehouden moeten worden met activiteiten Het ruwe water dat voor de drinkwaterbereiding gebruikt wordt heeft bijna altijd een ionsterkte lager dan 10 mmol/l De invloed van ionen op elkaar is dus wel aanwezig, maar niet groot Daarom wordt in het vervolg de invloed van activiteiten niet meegenomen Aangenomen wordt dat het water volkomen ideaal is, ofwel alle ionen die in het water aanwezig zijn, zijn beschikbaar voor de optredende reacties Dit betekent niet dat de onderlinge beïnvloeding er niet is Bedenk dat, wanneer exacte berekeningen gemaakt dienen te worden, de activiteiten wel meegenomen moeten worden 44 Reactievergelijkingen De atoomtheorie van Dalton zegt dat een chemische reactie beschouwd kan worden als een hergroepering van atomen Atomen zijn onvernietigbaar, ze kunnen niet verloren gaan Bij een reactie verdwijnen dus geen atomen en komen er dus geen atomen bij Voor en na een reactie (links en rechts van de pijl) is er een gelijk aantal atomen van elk soort Daarnaast dient ook de lading voor en na de reactie gelijk te zijn m een reactievergelijking kloppend te maken dient het aantal atomen en de lading voor en na de pijl met behulp van coëfficiënten gelijk gemaakt te worden Bij het oplossen van ijzerchloride in water krijgen we ijzer(fe 3 ) en chloride(cl )ionen (zie voorbeeldkader opstellen reactievergelijkingen) Er zijn twee soorten reactie te onderscheiden, evenwichtsreacties en aflopende reactie Bij een evenwichtsreactie reageren de stoffen A en Vergelijking: FeCl 3 Fe 3 Cl controle: voor pijl na pijl Fe: 1 Fe: 1 Cl: 3 Cl: 1 lading: neutraal lading: positief m deze vergelijking kloppend te maken ontstaat er niet 1 attom chloride, maar ontstaan er 3 atomen chloride De atoombalans is dan als volgt: Vergelijking: FeCl 3 Fe 3 3 Cl controle: voor pijl na pijl Fe: 1 Fe: 1 Cl: 3 Cl: 3 lading: neutraal lading: neutraal De reactievergelijking klopt nu Voorbeeld opstellen reactievergelijkingen B met elkaar en worden de stoffen C en D gevormd A B C D mdat de reactie omkeerbaar is (C D worden omgezet in A B) zal na verloop van tijd een evenwichtsituatie ontstaan, waarbij de omzettingssnelheden van de beide reacties aan elkaar gelijk zijn Het evenwicht is bereikt Dit wil niet zeggen dat er geen stoffen C en D meer gevormd worden Er worden nog steeds stoffen C en D gevormd, maar er verdwijnen ook stoffen C en D die in stoffen A en B worden omgezet Wanneer de oorspronkelijke concentraties van de stoffen A en B bekend zijn, kan de samenstelling bij evenwicht berekend worden indien de evenwichtsconstante K bekend is De evenwichtsconstante is afhankelijk van de temperatuur Bij de berekening van de evenwichtsconstante wordt de concentratie van stoffen gegeven in mol/l >& ¼>' >$ ¼ >% Bij de reactievergelijking zagen we dat er vaak meerdere molen reageren of gevormd worden Dit wordt meegenomen in de berekening van de evenwichtsconstante A 4 B 3 C D >& ¼>' >$ ¼>% Evenwichtsreacties komen voor bij zwakke zuren en basen en bij redoxreacties De waarde van de evenwichtsconstanten voor de verschillende reacties is bekend en op te zoeken in tabellen Niet alle reacties zijn omkeerbaar Wanneer we te maken hebben met volledige splitsing in ionen A en B hebben we in de oplossing geen moleculen AB meer AB(s) A (aq) B (aq) ok voor deze reactie kan een constante (K s ) opgesteld worden Deze constante wordt het oplosbaarheidsproduct genoemd De constante is gelijk aan: K s [A ] [B ] In het oplosbaarheidsproduct worden alleen die stoffen meegenomen die in water zijn opgelost, vaste stoffen worden niet meegenomen De oplosbaarheidsconstante is afhankelijk van de temperatuur Bij hogere temperaturen is de waarde van K s groter, ofwel er kan meer van een stof in water opgelost worden 7

8 CT340 Inleiding Gezondheidstechniek plosbaarheid van NaCl Het oplosbaarheidsproduct van NaCl bedraagt 37,8, ofwel K sp 37,8 K sp 37,8 [Na ] [Cl ] [x] [x] x 37,8 x 6,15 mol/l molaire massa NaCl 58,5 totaal op te lossen in 1 liter water 360 gram plosbaarheid van CaC 3 Het oplosbaarheidsproduct van CaC 3 bedraagt 3, K sp 3, [Ca ] [C 3 ] [x] [x] x 6, 10 5 mol/l molaire massa CaC 3 100,1 totaal op te lossen in 1 liter water 6,3 mg De oplosbaarheid van CaC 3 in water is veel lager dan van NaCl plosbaarheid FeCl 3 Het oplosbaarheidsproduct van FeCl 3 bedraagt 7906 De reactievergelijking voor het oplossen van ijzerchloride is: FeCl 3 Fe 3 3 Cl, per mol FeCl 3 ontstaat er 1 mool Fe 3 en 3 mol Cl K sp 7906 [x] [3x] 3 7 [x] 4 x 5,67 mol/l De molaire massa van FeCl 3 is 16,6 g/mol In water kan dus 16, 5, g FeCl 3 worden opgelost Voorbeeld berekening van oplosbaarheid Wanneer meerdere identieke ionen gevormd worden dan wordt het oplosbaarheidsproduct als volgt berekend: A B 3 (s) [A 3 ] (aq) 3 [B ] (aq) K [A 3 ] [B ] 3 Aflopende reacties komen voor bij het oplossen van zouten in water, zoals NaCl, CaC 3, FeCl 3, Al (S 4 ) 3 De waarde van het oplosbaarheidsproduct is voor slecht oplosbare stoffen bekend en op te zoeken in tabellen ok zuurbase reacties kunnen aflopende reacties zijn Dit geldt voor sterk zuren en basen Een sterk zuur, bijvoorbeeld HCl, komt alleen voor in de vorm van het H en Cl ion 45 plosbaarheid en neerslag Zouten zijn stoffen die uit positieve en negatieve ionen (een ion is een geladen atoom) zijn opgebouwd Als voorbeeld kan NaCl gegeven worden Deze stof is opgebouwd uit positieve natriumionen en negatieve chlorideionen Zouten zijn in zekere mate oplosbaar in water De mate van oplosbaarheid van zouten is uit te drukken in op oplosbaarheidsproduct Dit oplosbaarheidsproduct volgt uit de evenwichtsreactie, bijvoorbeeld: CaC 3 (s) Ca (aq) C 3 (aq) De evenwichtsconstante is gedefineerd als: >&D ¼>& >&D& Aangezien alleen ionen invloed hebben op de ligging van het evenwicht, wordt deze vergelijking herschreven tot K sp [Ca ] [C 3 ] waarin K sp het oplosbaarheidsproduct is De waarde van K sp is afhankelijk van de temperatuur en de schijnbare concentratie aan ionen in de oplossing Hoe hoger de waarde voor K sp is, hoe beter een zout in water oplosbaar is Is de waarde van het oplosbaarheidsproduct laag dan is een zout slecht oplosbaar in water en ontstaat er een neerslag De belangrijkste zouten waarmee we in de drinkwaterbereiding te maken hebben, zijn: NaCl, FeCl 3, Fe(H) 3, Al (S 4 ) 3, Al(H) 3, CaC 3, NaH, FeS en Ca(H) De hoeveelheid van een zout die opgelost wordt in water kan berekend worden met het oplosbaarheidsproduct In de onderstaande voorbeelden wordt de oplosbaarheid van NaCl, CaC 3 en FeCl 3 berekend We hebben gezien dat sommige zouten goed in water oplosbaar zijn en andere minder goed in water oplosbaar Wanneer twee goed oplosbare zouten bij elkaar gevoegd worden dan ontstaat soms een slecht oplosbaar zout met als gevolg de vorming van een neerslag Dit is bijvoorbeeld het geval wanneer we Na C 3 en CaCl in water oplossen Beide zouten zijn goed oplosbaar, waardoor Na, Ca, C 3 en Cl ionen in water voorkomen Ca en C 3 geven echter een neerslag, waarbij calciumcarbonaat neerslaat 8

9 Hoofdstuk 4 Waterchemie Natronloog (NaH) en ijzerchloride (FeCl 3 ) zijn goed oplosbare zouten De waarde van het oplosbaarheidsproduct van NaH is 110,5 en de waarde van het oplosbaarheidsproduct van FeCl 3 is 7,906 Wanneer we 100 gram van deze zouten aan 1 liter demiwater toevoegen zullen ze volledig oplossen en komen in water de volgende ionconcentraties voor: [Fe 3 ] 0,6 mol/l; [Na ],5 mol/l; [H ],5 mol/l; [Cl ] 1,85 mol/l Het oplosbaarheidsproduct van Fe(H) 3 is en van NaCl 37,8 Uit deze oplosbaarheidsproducten blijkt dat Fe(H) 3 een slecht oplosbaar zout is Wanneer we aan demiwater NaH en FeCl 3 toevoegen zal dus Fe(H) 3 neerslaan Met behulp van het oplosbaarheidsproduct kan berekend worden hoeveel mol/l van Fe 3 en H opgelost kan worden zonder dat er een neerslag gevormd wordt [Fe 3 ] [3 H ] 3 7 x 4 7, moll In oplossing zal dus blijven 7, mol/f Fe 3 en, mol/l H, het oeverige Fe 3 zal met H neerslaan tot Fe(H) 3 Aangezien er een overmaat H ionen is, zal de concentratie H echter groter zijn dan, mol/l Fe 3 3 H Fe(H) 3 0,6,5 0 0,6 1,86 0,6 7, ,64 0,6 Vervolgens moet gecontroleerd worden of NaCl niet neerslaat Dit is niet het geval waardoor de uiteindelijke watersamenstelling zal bedragen: [Fe 3 ] 7, mol/l; [Na ],5 mol/l; [H ] 0,64 mol/l; [Cl ] 1,85 mol/l Van neerslagreacties wordt in de waterzuivering veel gebruik gemaakt Vooral bij de verwijdering van zwevende en colloïdale stoffen Aan water worden goed oplosbare zouten gedoseerd, bijvoorbeeld FeCl 3 Hierdoor komen Fe 3 en Cl ionen in het water Water bestaat naast H moelculen ook uit H en H 3 ionen De Fe 3 ionen slaan met het in het water aanwezige hydroxide neer tot Fe(H) 3 vlokken Colloïdale deeltjes worden door deze vlokken, die door botsing met andere vlokken steeds groter worden, ingesloten De gevormde vlokken zijn eenvoudig met bezinking te verwijderen In de waterchemie hebben we te maken met nog een paar belangrijke slecht oplosbare stoffen, nl: CaC 3 K sp 4, Fe(H) 3 K sp Al(H) 3 K sp FeS K sp 1, Zuurbasereacties Verschillende oplossingen smaken zuur, andere basisch De mate van zuur zijn van een oplossing noemen we de zuurgraad De zuurgraad wordt uitgedrukt in de eenheid ph In water varieert deze van circa 0 tot 14 De zuurgraad van zuiver water is ongeveer 7 In een zure oplossing is de ph lager dan 7, in een basische oplossing hoger dan 7 De zuurgraad heeft een belangrijke invloed op de watersamenstelling en op verschillende processen in water Water dient bij de zuivering een bepaalde ph te hebben omdat anders chemische en biologische omzettingsprocessen niet verlopen Er zijn verschillende manieren om de zuurgraad te bepalen De eenvoudigste manier gebruiken we elke dag allemaal, de tong Zo proeven we allemaal het verschil tussen azijn en zeep Echter de tong is niet erg nauwkeurig om de zuurgraad te bepalen Een andere manier voor de bepaling van de ph is een lakmoespapiertje Een lakmoespapiertje is een indicator die bij een bepaalde ph een kleur heeft Door de kleur van het lakmoespapiertje na dompeling in de te meten vloeistof te vergelijken met een standaard kleur kan de zuurgraad van de vloeistof bepaald worden Een andere methode voor de phbepaling is een zuurbase indicator Een phindicator is een stof die bij een bepaalde ph een bepaalde kleur geeft Wanneer nu de ph verandert, verandert de kleur van de indicator Dit is het omslagpunt Een phbepaling met een zuurbase indicator is slecht indicatief m de zuurgraad van een oplossing te meten moet je achtereenvolgens een aantal verschillende indicatoren toevoegen en uit de kleuren kun je de ph afleiden 9

10 CT340 Inleiding Gezondheidstechniek Tabel 43 ph s van diverse producten Product ph zoutzuur 1, 6 azijn, 5 appel 3, 5 bier 4 water 7 bloed 7, 5 zeep 9 natronloog 15 De meest toegepaste methode voor de bepaling van de ph is de phmeter Deze meet nauwkeurig de zuurgraad van het water afspelen bij dosering van natronloog en kalkmelk aan water zijn: NaH H 3 Na H H 3 Na H Ca(H) H 3 Ca H H 3 Ca 4 H Naast zuren en basen zijn er ook stoffen die in staat zijn om zowel H ionen op te nemen als H ionen af te staan Deze stoffen worden amfolyten genoemd Voorbeelden van amfolyten zijn water en waterstofcarbonaat HCl H Cl H 3 NH 3 H NH 4 H HC 3 H C 3 H 3 HC 3 H H C 3 H Sterkte van zuurbase reacties Niet alle zuren zijn even sterk Hiermee wordt bedoeld dat niet alle zuren in staat zijn de H ionen over te dragen Zo is zoutzuur een sterk zuur, terwijl azijnzuur een zwak zuur is Hoe sterker een zuur is, Zuren kenmerken zich doordat zij een H ion afstaan in een waterige oplossing Dit H ion vormt met een watermolecuul een H 3 ion, ofwel HZ (aq) H (l) H 3 (aq) Z (aq) Voorbeelden van stoffen die H ionen afstaan zijn zoutzuur (HCl), zwavelzuur (H S 4 ), salpeterzuur (HN 3 ) HCl H H 3 Cl HN 3 H H 3 N 3 H S 4 H H 3 S 4 Basen kenmerken zich doordat zij H ionen in een waterige oplossing opnemen B (aq) H (l) H (aq) HB (aq) Voorbeelden van stoffen die H ionen kunnen opnemen zijn ammoniak (NH 3 ) en hydroxide (H ) NH 3 H NH 4 H H H 3 H Natronloog (NaH) en kalkmelk (Ca(H) ) zijn ook basen Zoals we al bij de oplosbaarheidsreacties gezien hebben, splitst natronloog zich in waterige oplossing in Na en H, kalkmelk splitst zich in Ca en H Water bestaat uit H moleculen en H 3 en H ionen Bij dosering van natronloog en kalkmelk aan water binden de H ionen van de basen zich met de H 3 ionen uit het water De reacties die zich Afb 43 Zuurgraad wordt uitgedrukt in ph hoe meer H ionen overgedragen worden In een zoutzuur oplossing stelt zich het volgende evenwicht in: HCl H H 3 Cl We kunnen nu de evenwichtsconstante K z schrijven als: > ¼>& ] >& In de evenwichtsvoorwaarde komt H niet voor omdat deze weinig verandert door de ionisatie en 10

11 Hoofdstuk 4 Waterchemie daarom verwaarloosd wordt De waarde van K z voor bovenstaande reactie bedraagt 1 10 Wanneer de waarde van K z groter dan 1 is spreken we over sterke zuren, is de waarde van K z kleiner dan 1 dan spreken we over zwakke zuren Zo is de waarde van K z van de reactie NH 4 H NH 3 H 3 gelijk aan 5, Ammonium is dus een zwak zuur ok voor basen kunnen we een evenwichtsconstante definiëren, deze evenwichtsconstante noemen we K b In een ammoniak oplossing stelt zich hetvolgende evenwicht in: NH 3 H NH 4 H We schrijven nu de evenwichtconstante K b als: >1 ¼> >1 E Wanneer K b een waarde heeft groter dan 1 heb je te maken met een sterke base, heeft K b een waarde kleiner dan 1 dan spreken we over een zwakke base Tussen de zuurconstante en de baseconstante bestaat een eenvoudig verband Wanneer we de zuurconstante van ammonium en de baseconstante van ammoniak uitschrijven en met elkaar vermenigvuldigen, zien we: > ¼ >1 >1 ¼ > ¼ ¼ > ¼ > ] E >1 >1 De term [H 3 ] [H ] wordt de waterconstante genoemd en is gelijk aan (T15 C) Is nu de zuurconstante bekend dan kunnen we berekenen hoe groot de baseconstante is Zuiver water is in staat om stroom te geleiden De reden daarvan is dat water niet alleen voorkomt in de vorm van H moleculen, maar ook als H 3 en H ionen, zij het in geringe concentraties Bij een ph van 7 is de molariteit van zowel H 3 als H gelijk aan 10 7 mol/l, terwijl de molariteit van H 55,5 mol/l bedraagt Een liter water weegt namelijk 1000 g en dit is gelijk aan 1000/18 55,5 mol/l De evenwichtconstante van water is gelijk aan: > ¼> > Wanneer H 3 en H ionen water vormen zal de toename in de molariteit van H niet merkbaar zijn, H wordt veronderstelt constant te zijn De evenwichtsconstante voor water wordt nu gedefinieerd als K w [H 3 ] [H ] Deze evenwichtsconstante wordt ook wel de waterconstante genoemd Bij een temperatuur van 15 C is de waarde van de waterconstante gelijk aan Dit houdt in dat het product van [H 3 ] en [H ] altijd gelijk zal zijn aan Definitie ph De ph is gedefinieerd als de negatieve logaritme van de concentratie aan H 3 ionen, ofwel ph log[h 3 ] Eenheid [H 3 ] is mol/l Vaak vindt men in de literatuur ook de term [H ] Deze term is gelijk aan [H 3 ], immers [H ] [H ] [H 3 ] In basische oplossingen zijn H ionen aanwezig Als de basische stof is opgelost, onttrekt de base een proton aan een H molecuul, waarvan dan een H ion overblijft De mate waarin een oplossing basisch is, wordt bepaald door de concentratie aan H ionen Voor een basische oplossing kunnen we schrijven: ph log[h ] Aangezien we weten dat geldt K w [H 3 ] [H ] (ofwel ph ph 14) kunnen we uit de ph de ph berekenen Berekening van ph Nu de theorie van zuurbase reacties bekend, gaan we deze theorie aan de hand van praktijkvoorbeelden toepassen door de ph van een aantal oplssingen te berekenen Berekening ph demiwater In demiwater zijn alleen H moleculen aanwezig Een gedeelte van de H moleculen komt voor als H 3 ionen en een gedeelte als H ionen De waarde voor de waterconstante is gelijk aan en is gedefinieerd als [H 3 ] [H ] Hebben we te maken met demiwater dan komen er evenveel H 3 ionen voor als H ionen De concentratie van beide is dus x H H H 3 H Er geldt nu: [x] [x] [x] 10 7 De concentratie aan H 3 ionen is dus 10 7 mol/l en de concentratie aan H ionen is ook 10 7 mol/l De ph is gedefinieerd als ph log[h 3 ] log[10 7 ] 7 De concentratie H 3 ionen is erg laag (10 7 mol/l 0,019 mg/l) Zeker wanneer dit vergeleken wordt met chloride dat in water aanwezig kan zijn (circa 100 mg/l) Toch speelt de H 3 concentratie een zeer belangrijke rol in de waterchemie Berekening ph zuiver zoutzuur Zoutzuur heeft een soortelijk gewicht van 1500 kg/ m 3 en een molaire massa van 36,5 g/mol De molari 11

12 CT340 Inleiding Gezondheidstechniek teit van zuiver zoutzuur is 1500/36,5 41,1 mol/l Wanneer ervan uitgegaan wordt dat alle zoutzuur omgezet wordt in H 3 en Cl ionen dan ontstaat er ook 41,1 mol/l aan H 3 ionen De ph is dan gelijk aan: ph log[41,1] 1,6 HCl H H 3 Cl 41, ,1 41,1 41,1 0 41,1 41,1 De ph van zuiver zoutzuur is dus lager dan 0 p dezelfde wijze kan ook de ph van een sterke base berekend worden Als voorbeeld nemen we natronloog Zoals we al gezien hebben lost natronloog goed op in water waardoor we Na en H ionen krijgen Het soortelijke gewicht van natronloog bedraagt 000 kg/m 3 De molaire massa van natronloog bedraagt 40, waardoor de molariteit 50 mol/l bedraagt De ph van natronloog bedraagt nu: ph log[50] 1,7 De ph van een base wordt berekend met ph ph 14, in dit geval bedraagt de ph van de base dus 15,7 Berekening ph sterk zuur in zuiver water (aflopende reactie) Bij verschillende waterzuiveringsprocessen is het wel eens noodzakelijk om de ph van het water te verhogen of te verlagen m de ph te verlagen wordt een zuur gedoseerd, om de ph te verhogen wordt een base gedoseerd Dosering van 100 mg/l zoutzuur aan zuiver water levert een sterke phdaling op wanneer wordt uitgegaan van de aflopende reactie Alle zoutzuur wordt dan namelijk omgezet in H 3 ionen 100 mg/l HCl is gelijk aan 100/36,5,74 mmol/l HCl Bij volledige omzetting ontstaat er dus ook,74 mmol/l H 3 We hadden te maken met zuiver water De ph van dit water is 7, ofwel een H 3 concentratie van 10 7 mol/l (10 4 mmol/l) De H 3 concentratie neemt dus sterk toe en de ph daalt tot,56 Naast een daling van de ph neemt de chlorideconcentratie toe In dit geval stijgt de chlorideconcentratie tot,74 mmol/l 97,3 mg/l Volgens de norm mag drinkwater maar 150 mg/ l chloride bevatten Dosering van 100 mg/l Ca(H), een sterke base, aan zuiver water geeft een phstijging wanneer uitgegaan wordt bij een aflopende reactie De kalkmelk wordt namelijk omgezet in hydroxide(h )ionen 100 mg Ca(H) is gelijk aan 100/74 1,35 mmol/l Ca(H) Ca(H) Ca H 1,35 mmol/l 0 mmol/l 10 4 mmol/l 1,35 1,35,70 0 1,35 mmol/l,70 mmol/l De ph log(, ),56; de ph is dus 11,44 Bij de dosering van kalkmelk neemt het calciumgehalte toe Er wordt 1,35 mmol/l Ca gevormd ofwel 54 mg/l Berekening ph sterk zuur in zuiver water (evenwicht) In het vorige voorbeeld namen we aan dat al het zoutzuur zich splitst in H 3 en Cl ionen Bij de aflopende reactie wordt echter geen rekening gehouden met de ligging van het evenwicht We moeten namelijk rekening houden met de zuurconstante Voor zoutzuur is deze zuurconstante K a gelijk aan 100 Schrijven we nu de evenwichtsreactie op wanneer we 100 mg/l (,74 mmol/l) zoutzuur doseren dan kunnen we berekenen hoe de verhouding tussen H 3, Cl en HCl is HCl H H 3 Cl, mol/l mol/l x x x, x 10 7 x x > ¼>& & [ PPR > [ ¼>[ > ¼ [ Er zal dus,67 mmol/l aan H 3 en Cl ionen en 0,07 mmol/l HCl aanwezig zijn De ph is dan gelijk aan log(, ),57 Het verschil in ph met de aflopende reactie is klein Dit komt omdat zoutzuur een sterk zuur is, het ioniseert bijna volledig en je kunt het dus als een aflopende reactie beschouwen In het vervolg wordt een reactie met een sterk zuur met een enkele pijl aangeduid: HCl H H 3 Cl Berekening ph zwak zuur met aflopende en evenwichtsreactie Koolzuur is een zwak zuur Eigenlijk moeten we H C 3 schrijven, maar dit valt direct uiteen in H en C In de buitenlucht is 0,7 mg/l 0,016 mmol/l C aanwezig Bij oplossen van koolzuur in water speelt de volgende reactie zich af (aflopende reactie): C H H 3 HC 3 0,016 mmol/l 10 4 mmol/l 0 mmol/l 0,016 0,016 0,016 0 mmol/l 0,0161 mmol/l 0,016 mmol/l De ph wordt nu 4,8 ( log(1, )) De zuurconstante (K z ) van koolzuur is 4, De 1

13 Hoofdstuk 4 Waterchemie phberekening met de evenwichtreactie is als volgt: C H H 3 HC 3 0,016 mmol/l 10 4 mmol/l 0 mmol/l x x x 0,016 x 10 4 x x > ¼ >& & [ ¼ > [ ¼>[ ¼ > ¼ [ PPR De ph bedraagt nu 5,61 Dit is beduidend hoger dan wanneer met de aflopende reactie gerekend wordt Bij zwakke zuren en basen wordt in het vervolg de reactie met een dubbele pijl aangegeven: C H H 3 HC 3 Buffers Het doseren van een zuur aan een oplossing kan een grote phvariatie betekenen Een variatie in de ph kan verstrekkende gevolgen hebben Zo kan een kleine phvariatie in het bloed van de mens leiden tot bewusteloosheid of zelfs de dood Een phvariatie in water kan ervoor zorgen dat bepaalde bacteriën niet meer kunnen leven waardoor de biologische activiteit in een snelfilter afneemt en de omzetting van ammonium in nitraat niet meer verloopt Gelukkig bevat water (en ook bloed) stoffen die ervoor zorgen dat door de toevoeging van kleine hoeveelheden zuur of base de ph niet verandert We noemen een oplossing met deze eigenschappen een buffer Een buffer bestaat uit een zwak zuur en zijn geconjugeerde base Zowel het zuur als de base dienen in de oplossing in ongeveer dezelfde hoeveelheid voor te komen De belangrijkste buffer in water in koolzuur/waterstofcarbonaat Als er in water waterstofcarbonaat aanwezig is, verandert de ph van het water maar licht wanneer er wat zuur gedoseerd wordt Wanneer er grote hoeveelheden zuur gedoseerd worden en bijna alle waterstofcarbonaat omgezet is in koolzuur dan pas gaat de ph snel omlaag 47 Kalkkoolzuurevenwicht 471 Koolzuur Koolzuur in water is afkomstig van uitwisselingsprocessen tussen water en de atmosfeer, biologische productie door aerobe en anaerobe afbraakprocessen of door het oplossen van carbonaathoudende gesteenten Het geheel van C, HC 3 en C 3 bepaalt een aantal belangrijke parameters in de waterchemie, nl zuurgraad (ph), agressiviteit en bufferend vermogen Koolzuur opgelost in water komt voor in de volgende vormen: C, HC 3 en C 3 Welke vorm in water aanwezig is, kan bepaald met de volgende reactiesvergelijkingen: 1 e dissociatie van koolzuur: C H H 3 HC 3 (1) > ¼>& >& K 1 3, (T 10 C) e dissociatie van koolzuur: HC 3 H H 3 C 3 () > ¼ >& >& K 3, (T 10 C) De dissociatie van koolzuur is afhankelijk van de ph (H 3 concentratie), temperatuur (verwerkt in de evenwichtsconstanten K 1 en K ) en de ionsterkte van de oplossing Bij verwaarlozing van de invloed van de ionsterkte kunnen de verschillende vormen, waarin koolzuur in water voorkomt, berekend worden met de volgende formules & 7 >& >& >& >& a ¼ & 7 a > > > & a ¼ & 7 a > > & a ¼ & 7 a > ¼> ¼> ¼> ¼ ¼ > ¼ ¼ ¼ 13

14 CT340 Inleiding Gezondheidstechniek & & & eerste dissociatievergelijking van koolzuur, C H H 3 HC 3 waaruit volgt > ¼>& >& ¼ Afb 44 S Het %Cdiagram voor koolzuur als functie van de ph bij een temperatuur van 10 o C Deze evenwichtsvergelijking is om te schrijven tot: ¼>& > >& Aan de hand van afbeelding 44 is globaal de verhouding tussen de C, HC 3 en C 3 concentratie vast te stellen indien de ph bekend is Wanneer de ph lager dan 4,4 is komt alleen C voor in water Bij een ph van 6,4 is de C concentratie gelijk aan de HC 3 concentratie Bij een ph van 8,4 is er voornamelijk HC 3 aanwezig en vanaf ph 10,4 is er voornamelijk C 3 in het water aanwezig In tabel 44 is het percentage van voorkomen van de verschillende vormen van koolzuur in water als functie van de ph Tabel 44 Globaal voorkomen van de verschillende vormen van koolzuur als functie van de ph ph [] 4,4 5,4 6,4 7,4 8,4 9,4 10,4 11,4 1,4 C ] C [%C [%C] , H C 3 [%C] , Van een watersoort is bekend dat de ph 7,4 bedraagt De HC 3 concentratie is gemeten en bedraagt, mmol/l De C concentratie kan nu geschat worden door gebruik te maken van tabel 1 Bij een ph van 7,4 is de verhouding ongeveer HC 3 :C 10:1, ofwel de C concentratie zal ongeveer 0, mmol/l bedragen Voorbeeld globale bepaling watersamenstelling weergegeven Het verband tussen ph, C en HC 3 concentratie is exact te berekenen door gebruik te maken van de Schrijven we deze vergelijking om in natuurlijke logaritmen dan volgt: RJ> RJ ( ) RJ[ & ] RJ>& met ph log[h 3 ] volgt hieruit S RJ ( ) Ë Û Ì >& RJ Ü Ì Ü Í >& Ý Ë Û Ì >& RJ Ü Ì Ü Í >& Ý Deze laatste vergelijking is een erg belangrijke vergelijking in de waterchemie Hiermee kan de ph berekend worden wanneer de concentraties aan C en HC 3 bekend zijn ok kan de concentratie C bepaald worden wanneer de ph en de HC 3 Gegeven is de volgende watersamenstelling: C 4,3 mmol/l, HC 3 0,3 mmol/l Bereken de ph van dit water> [& ] Ë S RJÌ Í & Voorbeeld berekening ph Van een water is de volgende samenstelling gegeven: ph 7, en HC 3 3, mmol/l Bereken de C concentratie ph 6,46log[C ]log[hc 3 ] Þ log[c ] 6,467,0log[HC 3 ]0,74(,49)3,3 [C ]10 3,3 5, mol/l 0,58 mmol/l Voorbeeld berekening C concentratie Û Ë Û Ü RJÌ Ü Ý Í Ý 14

15 Hoofdstuk 4 Waterchemie De volgende samenstelling van water is gegeven: HC 3 3,0 mmol/l; C 4,0 mmol/l Bereken de ph van dit water en de hoeveelheid C 3 die in het grondwater aanwezig is Ë S RJÌ Í [& ] [ & ] concentratie bekend zijn Naast de ph van het water kan ook de concentratie aan carbonaat (C 3 ) berekend worden wanneer de concentratie C en HC 3 bekend zijn Hierbij wordt gebruik gemaakt van de tweede dissociatievergelijking van koolzuur, HC 3 H H 3 C 3 > ¼>& ¼ >& Na herschrijving volgt: Ë Û ( ) Ì >& S RJ Ü RJ Ì Ü Í >& Ý Ë Û Ì >& RJ Ü Ì Ü Í >& Ý Û Ë Û Ü RJÌ Ü Ý Í Ý ph 10,48 log [HC 3 ] log[c 3 ] Þ log[c 3 ] 6,3410,48log[HC 3 ] 4,14(,5)6,66 [C 3 ] 10 6,66, 10 7 mol/l 0,0131 mg/l Voorbeeld berekening C 3 concentratie Het is mogelijk dat het water niet aan deze evenwichtsvergelijking voldoet De hoeveelheid C in het water kan te hoog zijn, waardoor kalksteen uit de ondergrond opgelost wordt en de concentraties Ca en HC 3 stijgen ok is het mogelijk dat de concentraties aan Ca en HC 3 hoger dan de evenwichtswaarden zijn, met als gevolg kristallisatie (afzetting) van kalk Bij de bereiding van drinkwater proberen we het kalkkoolzuur evenwicht zoveel mogelijk te benaderen Het proces waarmee dit gebeurt wordt ook wel conditionering genoemd Conditionering wordt onderverdeeld in de processen ontzuren (uitblazen C, toevoegen van een base) en ontharden (verwijderen Ca ) Het kalkkoolzuur evenwicht De reactievergelijking 3 is eigenlijk een sommatie van een aantal reacties, nl de oplos/neerslagreactie van calciumcarbonaat en de dissociatiereacties van koolzuur CaC 3 Ca C 3 K s (4) C H HC 3 H 3 K 1 (1) C 3 H 3 0 HC 3 H 1 K () CaC 3 C H Ca HC 3 K a De evenwichtsconstante van de kalkkoolzuur reactie wordt gegeven door: > &D ¼>& ¼ ¼ D V >& (5) De waarde van de evenwichtsconstante K a wordt berekend uit de waarden van K 1, K en K s De waarden van de evenwichtsconstanten zijn temperatuursafhankelijk In alle volgende berekeningen zal telkens uitgegaan worden van een temperatuur van 10 C, tenzij anders vermeld In tabel 45 staan de waarden van de verschillende evenwichtconstanten bij deze 47 Theorie kalkkoolzuur evenwicht Inleiding Het belangrijkste evenwicht voor de gezondheidstechniek is het kalkkoolzuur evenwicht Dit evenwicht speelt een rol bij ontzuring, ontharding, corrosie en vorming van kalkafzettingen, allerlei processen die in de drinkwaterzuivering van belang zijn De reactievergelijking voor het kalkkoolzuur evenwicht is als volgt: CaC 3 C H Ca HC 3 (3) Tabel 45 Evenwichtconstanten van de reacties van het kalkkoolzuurevenwicht bij een temperatuur van 10 o C temperatuur [ o C] K 1 K [ mol/l] [mol/l] K s ] [mol/l K a ] [mol/l temperatuur weergegeven Wordt aangenomen dat alle in het water aanwezige Ca en HC 3 ionen afkomstig zijn van het kalkkoolzuur evenwicht, dan geldt de volgende vergelijking: [Ca ] 05 [HC 3 ] (6) De evenwichtsconstante wordt nu herschreven tot: 15

16 CT340 Inleiding Gezondheidstechniek D >&D ¼>& [& ] ¼ [& ] >& (7) Met behulp van deze evenwichtsconstante kan, indien de koolzuurconcentratie bekend is, de evenwichtsconcentratie aan HC 3 en Ca in water berekend worden Door allerlei afbraakprocessen in de ondergrond is de concentratie aan C in grondwater veel hoger dan 0,7 mg/l, concentraties tot enkele honderden mg/l worden aangetroffen Als dit water gedurende langere periode in de ondergrond aanwezig is (en dat is zo bij grondwater) dan lost het aanwezige kalk op en nemen de concentraties aan Ca en HC 3 toe Wanneer dit water nu gewonnen wordt voor drinkwaterbereiding en in contact komt met de buitenlucht, verdwijnt het koolzuur als gevolg van het concentratieverschil met de atmosfeer Het gevolg hiervan is dat Ca en HC 3 niet meer in evenwicht zijn met het C gehalte en er afzetting van kalk plaats zal vinden Afzettingen van kalk zijn hinderlijk en moet daarom voorkomen worden Water dat kalk af kan zetten, noemen we kalkafzettend water Water kan ook in staat zijn om kalk op te lossen, dit water wordt kalkagressief water genoemd Water waarin zich een zekere concentratie koolzuur bevindt, wil het kalkkoolzuur evenwicht bereiken Echter wanneer er geen kalk in de ondergrond aanwezig is, kan het water zich niet in het kalkkoolzuur evenwicht bevinden p zandgronden, die geen kalk bevatten, is dit het geval Wanneer het water nu direct na winning gedistribueerd wordt, dan zal het koolzuur kalk uit de transportleidingen oplossen, waardoor broosheid van leidingen optreedt ppervlaktewater dat in contact staat met de atmosfeer heeft een koolzuurgehalte van 0,7 g/ m 3 ofwel 1, mol/l (zie waterchemie, gassen) Als dit water in kalkkoolzuur evenwicht is, kan met (7) berekend worden hoeveel waterstofcarbonaat in het water opgelost is en met (6) hoeveel calcium in het water aanwezig is ¼ >& >& ¼ > ¼ ¼ ¼ ¼ ¼ > &D ¼>& PPR ¼ PR Voorbeeld calciumconcentratie in evenwicht met lucht Tillmanscurve Door Tillmans is een grafische methode ontwikkeld om te bepalen of het water kalkafzettend of kalkagressief is Tillmans gaat uit van het kalkkoolzuur evenwicht en neemt aan dat alle Ca en HC 3 afkomstig zijn door het oplossen van kalk, ofwel dat de verhouding tussen HC 3 ionen en Ca ionen :1 bedraagt In afbeelding 45 is (7) grafisch weergegeven, waarbij de C concentratie een functie is van de HC 3 concentratie De curve die hierin wordt weergegeven wordt de Tillmanscurve genoemd Aan de hand van de Tillmanscurve worden een paar begrippen nader uitgelegd S 7 ƒ&, PPR R $ P >P ' ( S & % S & &>PPR Afb 45 Tillmanscurve bij een temperatuur van 10 o C Wanneer water een samenstelling heeft die precies op de lijn ligt dan is het water in evenwicht De koolzuurconcentratie van het water is gelijk aan de evenwichtskoolzuur concentratie Het water zal geen kalk oplossen of afzetten Wanneer water een samenstelling heeft die boven de lijn ligt, dan is de koolzuurconcentratie hoger dan de evenwichtskoolzuurconcentratie m het kalkkoolzuur evenwicht te bereiken zal dit water kalk op willen lossen totdat de evenwichtssituatie bereikt wordt Distributie van dit water betekent dat de distributieleidingen langzaam oplossen Het water is agressief voor de leidingen en wordt dan ook kalkagressief water genoemd Wanneer water een samenstelling heeft die onder de lijn ligt, is de koolzuurconcentratie lager dan de evenwichtskoolzuurconcentratie m het kalkkoolzuurevenwicht te bereiken zal dit water Ca en HC 3 ionen af willen zetten en er wordt CaC 3 gevormd Deze afzetting van kalk is hinderlijk omdat hierdoor bijvoorbeeld de weerstand in leidingen groter wordt en er meer wasmiddel gebruikt dient te worden Water dat onder de Tillmanscurve ligt wordt kalkafzettend water genoemd In de Tillmanscurve, zoals weergegeven in afbeelding 45, zijn enkele lijnen weergegeven: de lijn van A naar C geeft het gehalte vrij koolzuur 16

17 Hoofdstuk 4 Waterchemie weer Met vrij koolzuur wordt bedoeld koolzuur in de vorm van C en H C 3 ; het lijnstuk BC geeft het bijbehorend koolzuur weer, dit is het koolzuur dat in evenwicht is met kalk; de lijn van A naar B wordt het overtollig koolzuur genoemd; het lijnstuk AE geeft het agressieve koolzuur weer, dit is de oorspronkelijk hoeveelheid koolzuur verminderd met de hoeveelheid koolzuur die in evenwicht is met calciumcarbonaat, nadat het water heeft gereageerd met CaC 3, volgens de lijn AD Dit agressieve koolzuur is met beluchting of marmerfiltratie te verwijderen > ¼ >& >& Combinatie van vergelijkingen (5) en (8) geeft V > ¼>& ¼ ¼ V ofwel [& ] [& ] >&D ¼>& ¼ > >&D ¼>& (8) (9) Saturatieindex De bepaling van de C concentratie is lastig Door het concentratieverschil met de atmosfeer zal, wanneer een watermonster genomen wordt, direct gasuitwisseling plaatsvinden Als vervolgens de koolzuurconcentratie gemeten wordt, zal deze afwijken van de concentratie die werkelijk in het water aanwezig was (er wordt een te lage koolzuurconcentratie gemeten) Hierdoor wordt een fout geïntroduceerd wanneer op deze manier bepaald zou worden of water kalkafzettend of agressief is m dit probleem te voorkomen, wordt gebruik gemaakt van een bepaling waarbij de koolzuurconcentratie niet gemeten hoeft te worden Bij deze bepaling wordt gebruik gemaakt van een parameter die de verzadigingsindex genoemd wordt Van een watermonster is de samenstelling bepaald De concentratie C bedraagt 6,0 mmol/l, de concentratie HC 3 bedraagt 4,0 mmol/l Bepaal met de Tillmanscurve of dit water kalkagressief of kalkafzettend is Wanneer in afbeelding 45 het punt (4,0; 6,0) gezocht wordt, blijkt dat dit water kalkagressief is De evenwicht koolzuurconcentratie bedraagt ongeveer 0,8 mmol/l, de hoeveelheid vrij koolzuur bedraagt 6,0 mmol/l, de hoeveelheid bijhorend koolzuur bedraagt 0,8 mmol/l De hoeveelheid overtollig koolzuur bedraagt 5, mmol/l waarvan ongeveer 1,7 mmol/l agressief koolzuur is De evenwichtsconstante voor het kalkkoolzuurevenwicht wordt gegeven door de vergelijking > &D ¼>& ¼ V D [& ] De eerste dissociatie constante van koolzuur is: (5) >&D > ¼ >& V ¼ met ph log[h 3 ] volgt hieruit: ph s log[ca ] log[hc 3 ] log(k ) log(k s ) (10) Deze ph geeft het evenwicht aan tussen calciumcarbonaat en koolzuur in water en wordt de ph s (evenwichtsph) genoemd Het verschil tussen de gemeten ph en de evenwichtsph wordt de saturatieindex genoemd, ofwel in formulevorm: SI ph ph s (11) Wanneer SI groter dan 0 is, is het water kalkafzettend, wanneer de SI kleiner dan 0 is, is het water kalkagressief f water kalkagressief of kalkafzettend is kan bepaald worden met de concentraties van HC 3 en Ca en de ph De concentratie C hoeft nu niet meer bekend te zijn De formule van Tillmans kan nog verder vereenvoudigd worden Wordt aangenomen dat alle in het water aanwezige Ca en HC 3 ionen afkomstig zijn van het kalkkoolzuur evenwicht dan kan (10) vereenvoudigd worden Er geldt namelijk [Ca ] 05 [HC 3 ] (6) Combinatie van (5), (6) en (8) geeft de volgende vergelijking V V > ¼>& ¼ ¼ [& ] [& ] >& ¼> ¼>& ofwel 17

18 CT340 Inleiding Gezondheidstechniek >& ¼ > ¼ met ph log[h 3 ] volgt hieruit: V (1) vorming van koolzuur Als er niet voldoende HC 3 aanwezig is, zal de ph door de vorming van C sterk dalen Een derde reden voor conditionering van water is dat de koper en loodopname uit het leidingnet en drinkwaterinstallaties beperkt wordt ph s log(k ) log[hc 3 ] log(k s )log () Deze vergelijking geldt alleen voor water dat in het kalkkoolzuur evenwicht is De saturatieindex bedraagt nu: SI phph s (13) phlog(k ) log[hc 3 ] log(k s )log () In de evenwichtstoestand is de SI gelijk aan 0 en geldt voor de volgende relatie: ph log(k ) log[hc 3 ] log(k s )log () log[hc 3 ],38 (14) Relatie (14) is grafisch uitgezet in afbeelding 46 Hier is de ph een functie van de concentratie waterstofcarbonaat Een punt boven de lijn betekent kalkafzettend water en een punt onder de lijn kalkagressief water S Afb 46 6, NDNDJUHVVHI NDNDI]HWWHQG & >PPR Verband tussen de ph en de HC 3 concentratie volgens Tillmans bij de evenwichtssituatie (T 10 o C) Conditionering Het distribueren van water dat niet in evenwicht is, kan problemen opleveren Kalkagressief water tast de transportleidingen aan, kalkafzettend water geeft kalkaanslag in wasmachines en waterkokers m deze problemen zoveel mogelijk te voorkomen, wordt aan het te distribueren drinkwater de eis gesteld dat de SI tussen de 0, en 0, moet liggen m deze SI te bereiken is het soms nodig het water te behandelen, ook wel conditioneren genoemd Daarnaast dient het water aan het begin van de distributieleiding een minimaal gehalte van mmol/l waterstofcarbonaat te hebben Dit gehalte is noodzakelijk omdat in het leidingnet processen kunnen optreden met als gevolg Er worden twee verschillende conditioneringsmethoden onderscheiden, te weten ontzuren; ontharden Bij ontzuren wordt de overmaat aan C weggenomen en bij ontharden worden Ca ionen verwijderd Bij elk van de conditioneringsmethoden die in het navolgende behandeld worden, wordt, indien mogelijk, ook een grafische uitwerking gegeven met behulp van de Tillmanscurve Hierbij wordt telkens uitgegaan van een water met de volgende samenstelling 4 mmol/l C en 4 mmol/l HC 3, ofwel punt A in de verschillende afbeeldingen De concentratie calciumionen bedraagt,0 mmol/l, de ionsterkte 5 mmol/l en de temperatuur 10 C ntzuren ntzuren van water vindt plaats wanneer de ph verhoogd moet worden en wanneer de hardheid van het te ontzuren water laag is ntzuren kan op drie verschillende manieren verlopen De eerste manier is het verwijderen van koolzuur door water te beluchten, de tweede manier is het verwijderen van koolzuur door de dosering van een base aan het water en de derde manier is door het toepassen van filtratie over marmer of dolomitische filtermaterialen ntzuren door beluchting Grondwater heeft vaak een hoog gehalte aan koolzuur als gevolg van allerlei afbraakprocessen van organisch materiaal in de ondergrond Bij ontzuren door beluchting wordt het water met daarin een hoge concentratie opgelost koolzuur in contact gebracht met de atmosfeer mdat de koolzuurconcentratie in water in contact met de atmosfeer (ongeveer 0,7 mg/l op zeeniveau) lager is dan de koolzuurconcentratie in het gewonnen grondwater, zal het koolzuur uit het grondwater overgaan naar de atmosfeer De afname van het koolzuur kan versneld worden door het water intensief met de atmosfeer in aanraking te brengen (met bijvoorbeeld torenbeluchters, plaatbeluchters of cascades) Door de uitdrijving van koolzuur verandert alleen de C concentratie van het water, de HC 3 concentratie blijft gelijk ntzuring door beluchting kan toegepast worden wanneer de HC 3 concentratie hoog genoeg is m voldoende buffercapaciteit te hebben dient de concentratie HC 3 minimaal,0 mmol/l te zijn Heeft het water een hoge hardheid dan is het mogelijk dat door beluchting de koolzuurconcentratie kleiner wordt dan de evenwichtskoolzuurconcentratie en dat kalkafzetting optreedt 18

19 Hoofdstuk 4 Waterchemie Het ruwe water van een pompstation heeft de volgende samenstelling: C 4,0 mmol/l, HC 3 4,0 mmol/l; ph 6,46; Ca,0 mmol/l; I 5,00 mmol/l; temperatuur 10,0 o C Met behulp van (10) kan berekend worden dat de ph s van dit water 7,18 bedraagt en de SI07 Dit water is dus kalkagressief Door middel van een beluchtingsfase wordt dit water geconditioneerd Hierbij wordt gebruik gemaakt van een torenbeluchter Wanneer het rendement van de torenbeluchter 80% bedraagt, is de koolzuurconcentratie na beluchting 0,8 mmol/l De ph s van dit water bedraagt nog steeds 7,18 (waterstofcarbonaat wordt immers niet verwijderd) De ph bedraagt 7,16 waardoor de SI dus 0,0 is Voorbeeld ontzuren door beluchten Beluchting van een water wordt geïllustreerd in afbeelding 47 Door beluchting verandert de samenstelling van het water van punt A naar punt B In punt B is het evenwicht nog net niet bereikt R P >P & Afb 47 S $ % 7 ƒ&, PPR S S &>PPR Grafische weergave ontzuren met behulp van beluchting ntzuren door filtratie over marmer of dolomitische filtermaterialen Bij filtratie over marmer of dolomitische filtermaterialen wordt agressief water door een filterbed gevuld met calciumcarbonaat of halfgebrande dolomiet gefiltreerd De filtratie van water over calciumcarbonaat wordt ook wel marmerfiltratie genoemd Halfgebrande dolomiet is een mengkristal van calciumcarbonaat en magnesiumoxide Bij de filtratie over deze materialen neemt het gehalte agressief koolzuur af en nemen de calcium, (magnesium) en Het ruwe water van een pompstation heeft de volgende samenstelling: C 4,0 mmol/l; HC 3 4,0 mmol/l; ph 6,46; Ca,0 mmol/l; I 5,00 mmol/l; temperatuur 10,0 o C Met behulp van (10) kan berekend worden dat de ph s van dit water 7,18 bedraagt en de SI 07 Dit water is dus kalkagressief Door middel van marmerfiltratie wordt water geconditioneerd Wanneer een lijn met verhouding 1: vanuit punt A wordt getrokken, snijdt deze lijn de Tillmanscurve bij een HC 3 concentratie van ongeveer 6,1 mmol/l en een C concentratie van ongeveer 3 mmol/l Als we het punt willen berekenen waar de SI gelijk aan nul is dan dient onderstaande berekening gevolgd te worden CaC 3 C H HC 3 Ca x mmol/l 4,00 mmol/l 4,00 mmol/l,00 mmol/l xx xx 0 ( x) ( x ) ( 10 3 x) > &D ¼ >& > ¼ [ ¼ > ¼ [ ¼ [ ¼ PR D [& ] > ¼ [ Dit betekent dat wanneer het water zich in het kalkkoolzuurevenwicht bevindt de concentratie aan koolzuur,9 mmol/l, de concentratie aan waterstofcarbonaat 6, mmol/l en de concentratie aan calcium 3,1 mmol/l bedraagt De ph van dit water bedraagt 6,79 en de SI 0 Het marmerverbruik bedraagt 1,10 mmol/l Voorbeeld ontzuren door marmerfiltratie 19

20 CT340 Inleiding Gezondheidstechniek waterstofcarbonaatgehalten en de ph toe mdat filtratie over dolomitische filtermaterialen niet veel wordt toegepast beperken we ons tot de behandeling van marmerfiltratie Bij marmerfiltratie wordt agressief water over een filterbed gefiltreerd dat gevuld is met CaC 3 korrels Aangezien het water niet in kalkkoolzuurevenwicht is lossen de kalkkorrels op en als lang genoeg gewacht wordt bereikt het water het kalkkoolzuurevenwicht Marmerfiltratie gaat volgens de volgende reactie: CaC 3 C H Ca HC 3 Bij de reactie van kalkagressief water met kalksteen betekent het bereiken van het kalkkoolzuurevenwicht het einde van de reactie De reactie snelheid neemt daardoor af naarmate het evenwicht dichter genaderd wordt Het volgen van de ontzuring via marmerfiltratie met behulp van de Tillmanscurve is mogelijk omdat hierbij het uitgangspunt [Ca ] 05 [HC 3 ] geldt Bij elke mmol/l C die verdwijnt, wordt mmol/l HC 3 gevormd (lijn AC), de helling in de Tillmanscurve is 1: (afb 5) Bij marmerfiltratie is het niet mogelijk om door het evenwicht heen te schieten, ofwel agressief water wordt nooit kalkafzettend water R P >P & &>PPR Afb 48 S $ 7 ƒ&, PPR S S Grafische weergave ontzuren met behulp van marmerfiltratie In onderstaand voorbeeld gaan we ervan uit dat de ionsterke van het water voor en na de marmerfiltratie gelijk is In werkelijkheid zal deze ionsterkte niet gelijk zijn De concentratie aan calcium en waterstofcarbonaat is toegenomen waardoor de ionsterkte hoger zal zijn Dit heeft direct invloed of de activiteitsconstante van de verschillende ionen en dus op de SI Het gaat echter voor dit college te ver om dit in detail te behandelen Marmerfiltratie wordt toegepast wanneer het water na behandeling niet meer dan 100 mg/l (1,64 mmol/ l) HC 3 bevat omdat voor het bereiken van hogere concentratie HC 3 lange contacttijden (langer dan 30 minuten) nodig zijn Het filtermateriaal in een marmerfilter dient regelmatig bijgevuld te worden omdat kalksteen omgezet wordt in Ca en HC 3 ionen Aanvulling van kalk vindt meestal plaats wanneer 10% van de kalk verbruikt is In een marmerfilter kan naast ontzuring ook ontijzering, ontmanganing en nitrificatie optreden ' Het ruwe water van een pompstation heeft de volgende samenstelling: C 4,0 mmol/l; HC 3 4,0 mmol/l; ph 6,46; Ca,00 mmol/l; I 5,00 mmol/l; temperatuur 10,0 o C Met behulp van de (10) kan berekend worden dat de SI van dit water 071 bedraagt, ofwel dat dit water kalkagressief is Wanneer we dit water met behulp van Ca(H) willen conditioneren tot het kalkkoolzuurevenwicht tekenen we vanuit punt A een lijn met helling 1:1 Het evenwicht wordt bereikt bij een HC 3 concentratie van ongeveer 5,7 mmol/l en een C concentratie van,3 mmol/l CaC C HC 3 Ca 0,85 mmol/l 4,00 mmol/l 4,00 mmol/l,00 mmol/l 0,85 1,7 1,7 0,85 0 mmol/l,3 mmol/l 5,7 mmol/l,85 mmol/l de ph van het water bedraagt dan 6,86 en de SI 0 De hoeveelheid Ca(H) die gedoseerd is bedraagt 0,85 mmol/l Echter doordat aan dit water chemicaliën worden toegevoegd, zal ook hier de ionsterkte van het water veranderen met als gevolg een iets ander ph en SI Voorbeeld ontzuren door dosering base 0