Rechner für Belagbildung und Ausfällung in Wasser

Beurteilen Sie anhand einer Wasseranalyse vorläufig die Belagbildung durch Calciumcarbonat, Calciumsulfat, Bariumsulfat, Strontiumsulfat, Calciumfluorid, Siliciumdioxid und Magnesiumhydroxid. Der Rechner gibt außerdem die Ionenstärke, die Aktivitätskoeffizienten, einen aktivitätsbasierten Langelier-Sättigungsindex (LSI) und den Ryznar-Stabilitätsindex (RSI) aus.

Wasseranalyse eingeben

Verwenden Sie die Konzentrationen gelöster Stoffe in mg/L auf der angegebenen Bezugsbasis. Pflichtfelder müssen eine Zahl enthalten; geben Sie nur dann null ein, wenn dies durch die Analyse gerechtfertigt ist. Lassen Sie optionale Felder für unbekannte Bestandteile leer: Die zugehörigen Mineralzeilen werden mit „Nicht beurteilt“ gekennzeichnet. Ein Nichtnachweis bedeutet nicht automatisch null. Alle Messwerte müssen dasselbe Wasser bei 25 °C beschreiben.

Wasserzusammensetzung bei 25 °C

Parameter	Konzentration / Wert	Erforderliche Einheit
pH bei 25 °C *		5–11.5
Gesamtalkalinität *		mg/L als CaCO₃
Calcium, Ca *		mg/L als Ca
Magnesium, Mg *		mg/L als Mg
Natrium, Na *		mg/L als Na
Kalium, K *		mg/L als K
Chlorid, Cl *		mg/L als Cl
Sulfat, SO₄ *		mg/L als SO₄
Barium, Ba		mg/L als Ba
Strontium, Sr		mg/L als Sr
Fluorid, F		mg/L als F
Gelöstes Siliciumdioxid		mg/L als SiO₂
Gelöstes Orthophosphat		mg/L als P

Hydroxylapatit zur orientierenden Prüfung auf Calciumphosphat einbeziehen

Die Alkalinität wird als CaCO₃ angegeben, nicht in mg/L Hydrogencarbonat. Sulfat wird als SO₄ angegeben, nicht als Schwefel; Siliciumdioxid als SiO₂, nicht als Silicium; Phosphat als gelöstes Orthophosphat, angegeben als P, nicht als Gesamtphosphor oder in mg/L PO₄. Geben Sie im Calciumfeld nicht die Gesamthärte ein. Um als PO₄ angegebenes Orthophosphat in P umzurechnen, multiplizieren Sie mit 0,3261; um als Si angegebenes gelöstes Siliciumdioxid in SiO₂ umzurechnen, multiplizieren Sie mit 2,1393.

Belagsbildung überschlägig berechnen Beispiel-Wasseranalyse laden Werte löschen

Wasserchemie und Stabilitätsindizes

Bei verdünnten Wässern werden die Konzentrationen als Näherung für die Molalität verwendet. Aktivitätskoeffizienten sind dimensionslos. Die Ladungsbilanzabweichung wird nach der Formel 100 × (Kationenladung − Anionenladung)/(Kationenladung + Anionenladung) berechnet; sie dient der Vollständigkeitsprüfung und ist kein Nachweis der analytischen Richtigkeit.

Mineralsättigung bei 25 °C

SI = log₁₀(IAP/K); das Sättigungsverhältnis beträgt IAP/K = 10^SI. Ein positiver SI bedeutet in diesem Modell eine Übersättigung in Bezug auf die angegebene Phase. Dies bedeutet nicht, dass eine Ausfällung sicher oder unmittelbar eintritt. Die Ergebnisse werden als gewöhnliche Dezimalzahlen ohne e+-Notation angezeigt.

Was die Ergebnisse bedeuten

LSI, RSI und Calcitsättigung

Der LSI vergleicht den gemessenen pH-Wert mit dem pH-Wert, bei dem Calcit die Sättigung erreicht. Hier wird pHₛ durch Lösung des Calcitgleichgewichts bei gleicher Gesamtalkalinität, Calciumkonzentration und gleichen Aktivitätskoeffizienten bestimmt. Dabei werden die im Modell berücksichtigten Beiträge von Phosphat, Siliciumdioxid und Wasser zur Alkalinität einbezogen. Der Suchbereich beträgt pH 5–11,5; eine Lösung außerhalb dieses Bereichs wird nicht ausgegeben. Diese aktivitätsbasierte Formulierung kann von empirischen, TDS-basierten LSI-Rechnern abweichen. Der Calcit-SI bewertet das tatsächlich eingegebene Wasser, während der LSI den berechneten Sättigungs-pH-Wert verwendet; ihre Zahlenwerte müssen nicht identisch sein.

Ein positiver LSI zeigt eine thermodynamische Tendenz zur Ausfällung von Calciumcarbonat an; ein negativer LSI zeigt eine Untersättigung gegenüber Calcit an. Der RSI ist ein empirischer Stabilitätsindex, der als 2pHₛ − pH berechnet wird. Er hat keine direkte Bedeutung als Sättigungsverhältnis und sollte anhand von Erfahrungen mit dem jeweiligen Wassersystem interpretiert werden. Keiner der beiden Indizes ist ein direktes Maß für Metallkorrosion, und eine geringe Neigung zur Belagsbildung belegt nicht, dass das Wasser nicht korrosiv ist.

Ionenstärke und Aktivitätskoeffizienten

Die Ionenstärke wird anhand folgender Formel abgeschätzt: I = ½Σcᵢzᵢ². Die Davies-Gleichung bei 25 °C lautet: log₁₀γᵢ = −0,509zᵢ²[√I/(1 + √I) − 0,3I]. Die Aktivität wird näherungsweise als γ multipliziert mit der auf die Standardkonzentration bezogenen molaren Konzentration berechnet. Neutralem gelöstem Siliciumdioxid wird ein Aktivitätskoeffizient von eins zugewiesen. Die Berechnung bestimmt die Ionenstärke iterativ zusammen mit der Säure-Base-Verteilung von Carbonat, Phosphat und Siliciumdioxid.

Das Modell ist auf I ≤ 0,1 mol/L beschränkt und gibt oberhalb von 0,01 mol/L eine Warnung aus. Dies ist eine Grenze für die Vorprüfung, keine Genauigkeitsgarantie. Die Bildung von Ionenpaaren kann auch unterhalb dieser Grenze von Bedeutung sein, insbesondere bei Sulfat, Phosphat und zweiwertigen Metallen. Unbekannte oder nicht aufgeführte Ionen können die Ionenstärke und die Ladungsbilanz verändern. Wenn diese Effekte relevant sind, ist ein vollständiges Modell wie PHREEQC mit einer geeigneten Datenbank und einem geeigneten Aktivitätsmodell erforderlich.

Warum Mineralphase und Bezugsbasis der Angaben wichtig sind

Calciumsulfat wird getrennt als Gips und Anhydrit dargestellt. Siliciumdioxid wird als amorphes Siliciumdioxid und Quarz dargestellt: Eine Übersättigung gegenüber Quarz allein belegt kein Risiko einer raschen Belagsbildung durch amorphes Siliciumdioxid. Die Verteilung der Siliciumdioxidspezies berücksichtigt die ersten beiden Dissoziationsstufen der Kieselsäure; Polymerisation, Kolloide und Metallsilikatablagerungen werden nicht modelliert. Hydroxylapatit ist eine mögliche Calciumphosphatphase, keine Vorhersage für jede Phosphatablagerung. Andere Calciumphosphate, Metallkomplexe und die Reaktionskinetik können das Verhalten realer Systeme bestimmen.

Die Sättigung ist kein Maß für die Ausfällungsmenge

Ein SI von +1 entspricht für die Reaktion in der angegebenen Form einem Sättigungsverhältnis von 10; ein SI von −1 entspricht 0,1. Ein Verhältnis ist weder ein prozentualer Belagsanteil noch eine Massenkonzentration. Dieser Rechner entfernt kein ausgefälltes Material, berechnet das Gleichgewicht nach einer Ausfällung nicht neu, sagt keine Induktionszeit voraus, berechnet keine Antiscalant-Dosierung und schätzt keine Ablagerungsmasse ab. Temperatur, Druck, Gasaustausch, Oberflächen, Durchmischung, Inhibitoren und Verweilzeit können das Ergebnis verändern. Geben Sie die Analyse des zu bewertenden Wasserstroms ein; multiplizieren Sie die Zulaufkonzentrationen nicht mit einem RO-Ausbeutefaktor, ohne eine geeignete Massenbilanz für das Konzentrat aufzustellen.

Die Kennzeichnung „Nahe am Gleichgewicht“ verwendet einen Anzeigebereich von −0,05 bis +0,05 SI, um eine Überinterpretation geringfügiger numerischer Unterschiede zu vermeiden. Das thermodynamische Gleichgewicht liegt bei SI = 0; der Anzeigebereich ist weder eine allgemeingültige analytische Unsicherheit noch eine Betriebsgrenze. Eine Nulleingabe ergibt ein Ionenaktivitätsprodukt von null und keinen endlichen logarithmischen SI. Fehlende optionale Daten führen zur Anzeige „Nicht bewertet“ statt zu einem Ergebnis von null.

Berechnungsgrundlagen und Konstanten

Das Modell verwendet nominelle log-K-Werte bei 25 °C aus der vom USGS bereitgestellten WATEQ4F-Datenbank. Die Wasseraktivität wird als eins angenommen. Für die Verteilung der Carbonatspezies wird pK₂ = 10,329 verwendet, für Wasser pK_w = 14. Für Orthophosphat werden kumulative Protonierungs-log-K-Werte von 12,346 und 19,553 verwendet; vollständig protonierte Phosphorsäure wird im unterstützten pH-Bereich vernachlässigt. Die log-K-Werte für die Dissoziation der Kieselsäure betragen −9,83 und −23. Die Alkalinität wird mit 50 mg CaCO₃ pro meq umgerechnet und vor der Berechnung des Carbonats um die im Modell berücksichtigten Beiträge von Hydroxid, Wasserstoffionen, Phosphat und Silikat korrigiert.

Für Brucit lautet die Reaktion Mg(OH)₂ + 2H⁺ ⇌ Mg²⁺ + 2H₂O. Für Hydroxylapatit lautet sie Ca₅(PO₄)₃OH + 4H⁺ ⇌ 5Ca²⁺ + 3HPO₄²⁻ + H₂O. Ihre log-K-Werte beziehen sich daher auf diese Säureauflösungsreaktionen und nicht auf einen einfachen Ksp-Ausdruck für Hydroxid oder Phosphat.

Quellen und verwandte Rechner

Hier verwendete thermodynamische Daten aus WATEQ4F; USGS-Dokumentation zu Aktivitätskoeffizienten und Spezies in wässriger Lösung; USGS-Dokumentation zu Mineralgleichgewichten.

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