Kalsiyum Karbonat Doygunluğu Tayini

Suyun kalsiyum karbonat ile doygunluğa ulaştığı andaki pH değeri doygunluk pH’ı veya pHs olarak bilinir. Langelier doyma indeksi (SI) numunenin gerçek pH’ından pHs’i çıkarmak suretiyle bulunur. Negatif doyma indeksi suyun CaCO₃‘ı çözme eğilimini, pozitif doyma indeksi ise CaCO₃ tabakası teşkil etme eğilimini gösterir. Bu indeks doğrudan doğruya korozyonla ilgili değildir. Suyun az miktar da ince karbonat tabakası teşkil etme eğilimi bir ölçüde koruyucu olabilir. Bu nedenle düşük miktarlardaki pozitif indeks çoğunlukla suyun korozif olmama durumunu gösterir. Buna karşılık negatif indeks korozyon ihtimalini gösterir.

 

Doyma indeksini hesaplamak için suyun metil oranj alkalinitesi, kalsiyum iyonu konsantrasyonu, pH, sıcaklık ve toplam filtre edilebilen katı madde miktarları belirlenmelidir.

 

Doyma İndeksinin Hesabı

 

pHs değeri, CaCO₃ çözeltisi için denge bağıntılarını ve karbonik asitin ikinci hidrolizine ilişkin bağıntıları kullanmak suretiyle hassas bir şekilde hesaplanabilir.

 

CaCO₃(s) ——-> Ca⁺² + CO₃^–

 

K₅= (Ca⁺²) CO3^-2 (1)

 

HCO₃^– ——-> H⁺ + CO₃^-2

 

K₂= [H⁺][CO₃^-2] / [HCO₃^–] (2)

 

(1) bağıntısını (2) ye bölmek ve düzenlemek suretiyle (H⁺) bulunur.

 

[H⁺] = (K₂/K₅) x [Ca⁺²][HCO₃^–] (3)

 

veya negatif logaritmalarını alarak ve [Ca⁺²] ile [HCO₃^–] konsantrasyonlarını CaCO₃^-2 cinsinden ifade etmek suretiyle pHs hesaplanabilir.

 

pHs = p [Ca⁺²] + p [HCO₃^–] + p [K₂/K₅] (4)

 

denge sabitlerinin değerleri literatürden temin edilir. Sıcaklığın ve iyon şiddetinin denge sabitleri üzerindeki etkisini dikkate almak üzere CaCO3 doygunluğundaki pH için, Larson tarafından aşağıdaki bağıntı geliştirilmiştir;

 

pHs = A + B – log[Ca⁺²] – log[Alkalinite] (5)

 

Burada kalsiyum iyonu konsantrasyonu ve alkalinite mg CaCO₃/l biriminde ifade edilir. (5) bağıntısında yer alan A ve B sabitlerinin değerleri Tablo 1 ve Tablo 2’de verilmiştir. Ca⁺² veya alkalinite konsantrasyonlarının logaritmaları Tablo 3’de özetlenmiştir. Bu metot ile pHs değeri 9.3 veya daha az olan suların doygunluk indeksi hesaplanır. Alkalinite olarak toplam alkalinite yerine bikarbonat alkalinitesi kullanılır.

 

Örnek olarak kalsiyum iyonu konsantrasyonu 200 mg CaCO₃/l, alkalinitesi 60 mg CaCO₃/l, sıcaklığı 16 °C ve toplam filtre edilebilen katı madde konsantrasyonu 650 mg/L olan bir su için bağıntı aşağıdaki gibi çözülür:

 

pHs = 2.20 + 9.88 – 2.30 – 1.78 = 8.00 (6)

 

Eğer numunenin ölçülen pH’ı 9.0 ise bu suyun doyma indeksi;

 

SI = pHa – pHs = 9.0 – 8.0 = + 1.0 (7)

 

olup su CaCO₃‘a göre aşırı doygundur.

 

Tablo 1. Su sıcaklığının fonksiyonu olarak A sabiti

Su sıcaklığı (UC)	A*
0	2.60
4	2.50
8	2.40
12	2.30
16	2.20
20	2.10
25	2.00
30	1.90
40	1.70
50	1.55
60	1.40
70	1.25
80	1.15

* K₂‘den yararlanarak hesaplanmıştır. 40 °C’nin üzerindeki değerler ekstrapolasyon ile bulunmuştur.

 

pHs değerinin 8 olması, suyun bu pH’ta hem CaCO₃‘ı çöktüremeyeceğini hem de çözemeyeceğini gösterir. Genellikle, suyun gerçek pH değerinin pHs’ten büyük olması, su dağıtım sistemindeki borularda koruyucu bir CaCO₃ tabakası birikimi olacağını ifade etmektedir. Borularda koruyucu CaCO₃ tabakalarının oluşumu polifosfatların uygulanması ile inhibe edilebilir. SI hesabı için ayrıca Caldwell-Lawrence diyagramını kullanmakta mümkündür. Yumuşatma işleminde kullanılacak kimyasal madde dozlarını belirlemek için bu diyagramdan yararlanılır.

 

CaCO3 doygunluğunun ölçümü için kullanılacak diğer bir metot, itici kuvvet indeksinin bulunmasıdır. DFI, Mc Cauley tarafından aşağıdaki formül ile tanınmıştır.

 

DFI = [Ca⁺²][CO₃^-2] / 1010 K₅ (8)

 

[Ca⁺²] ve [CO₃^-2] konsantrasyonlarının her ikisi de mg CaCO₃/l cinsinden ifade edilir.

 

DFI = 10(SI) (9)

 

formülünden DFI hesaplanır. Bu değer logaritma olmayıp, mevcut iyon ürünlerinin denge halinde mevcut olanlara oranıdır. 1 değeri denge halini gösterir. 1’in üzerindeki değerler, CaCO₃ birikimi olasılığını gösterir. 1’in altındaki değerler ise CaCO₃ çözme eğilimini ve muhtemel bir korozyonu ifade eder.

 

Tablo 2. Toplam filtre edilebilen katı maddenin fonksiyonu olarak B Sabiti

Toplam Filtre Edilebilen Katı Madde, mg/L	B
0	9.70
100	9.77
200	9.83
400	9.86
800	9.89
1000	9.90

 

Tablo 3. Kalsiyum iyonu ve alkalinite konsantrasyonlarının logaritmaları

Ca+2 veya Alkalinite (mg CaCO3/L)	log
10	1.00
20	1.30
30	1.48
40	1.60
50	1.70
60	1.78
70	1.84
80	1.90
100	2.00
200	2.30
300	2.48 .
400	2.60
500	2.70
600	2.78
700	2.84
800	2.90
900	2.95
1000	3.00