1
Hydrochemie – výpočty
Hydrochemie – výpočty
Teorie celkový oxid uhličitý: c(CO2)T = c(H2CO3*) + c(HCO3-) + c(CO32-) Výpočet forem CO2 z distribučních koeficientů δ a c(CO2)T
c(H2CO3*) = δ0 c(CO2)T c(HCO3-) = δ1 c(CO2)T c(CO32-) = δ2 c(CO2)T Výpočet forem CO2 z NK KNK4,5 = c(OH-) + 2c(CO32-) + c(HCO3-) – c(H+) KNK8,3 = c(OH-) + c(CO32-) – c(H2CO3*) – c(H+) KNK10,6 = c(OH-) – c(HCO3-) – 2c(H2CO3*) – c(H+) ZNK4,5 = c(H+) – c(HCO3-) – 2c(CO32-) – c(OH-) ZNK8,3 = c(H+) + c(H2CO3*) – c(CO32-) – c(OH-) ZNK10,6 = c(H+) + 2c(H2CO3*) + c(HCO3-) – c(OH-) Pivokonský, ÚŽP PřF UK, 2013
2
Hydrochemie – výpočty
Hydrochemie – výpočty
pH = 4,5-8,3 lze stanovit KNK4,5 a ZNK8,3 zanedbáváme OH-, H+, a CO32KNK4,5 = c(HCO3-) ZNK8,3 = c(H2CO3*)
pH < 4,5 lze stanovit ZNK4,5 a ZNK8,3 zanedbáváme OH-, CO32- a HCO3ZNK4,5 = c(H+) ZNK8,3 = c(H+) + c(H2CO3*)
pH > 8,3 lze stanovit KNK4,5 a KNK8,3 zanedbáváme H+ a H2CO3* => vyskytuje se OH-, CO32- a HCO3!!! OH- a HCO3- neexistují vedle sebe !!! => jsou 3 možnosti: a) HCO3- a CO32- vedle sebe => c(HCO3-) = KNK4,5 – 2KNK8,3 b) pouze CO32- => c(CO32-) = KNK8,3 c) CO32- a OH- vedle sebe => c(CO32-) = KNK4,5 – KNK8,3 c(OH-) = 2KNK8,3 – KNK4,5 Jak je rozlišit? Kritérium rozlišení = 2KNK8,3 – KNK4,5 < 0 => HCO3- a CO32-
~ 0 => CO32-
> 0 => CO32- a OHPivokonský, ÚŽP PřF UK, 2013
3
Hydrochemie – výpočty Hydrochemie – výpočty
1.00
HCO3-
H2CO3*
0.90
CO32-
0.80 0.70
delta
0.60
δ0 δ1 δ2
0.50 0.40 0.30 0.20 0.10 0.00 3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
pH
Distribuční diagram uhličitanového systému
Pivokonský, ÚŽP PřF UK, 2013
4
Hydrochemie – výpočty
Hydrochemie – výpočty
Vápenato-uhličitanová rovnováha Rovnice vápenato-uhličitanové rovnováhy CaCO3(s) + H2CO3* = Ca2+ + 2HCO3-
KA = K1KsK2-1 = 10-4,345 (T = 25 °C)
CaCO3(s) + H+ = Ca2+ + HCO3-
KB = KsK2-1 = 102,01 (T = 25 °C)
K1 = 10-6,35, K2 = 10-10,33, KS = 10-8,35
Rovnovážný oxid uhličitý – cr(H2CO3*) nebo cr(CO2) = volný oxid uhličitý, který je v rovnováze s c(Ca2+) a c(HCO3-) Rovnovážná křivka
cr (CO2 ) =
K2 c(Ca 2 + ) ⋅ c 2 ( HCO3− ) K1 ⋅ K S
c(H2CO3*) < cr(H2CO3*) – vylučování CaCO3 z vody – inkrustující voda c(H2CO3*) > cr(H2CO3*) – rozpouštění CaCO3 – agresivní voda
Pivokonský, ÚŽP PřF UK, 2013
5
Hydrochemie – výpočty
Hydrochemie – výpočty
Příklad Ve vodě byly analyticky zjištěny tyto hodnoty: KNK4,5 = 2 mmol/l, ZNK8,3 = 0,8 mmol/l. Vypočtěte hodnotu pH vody a koncentraci veškerého oxidu uhličitého za předpokladu, že ve vodě převažuje uhličitanový systém. Řešení: změřeny KNK4,5 a ZNK8,3 => pH = 4,5-8,3 => výskyt HCO3- a H2CO3* KNK4,5 = c(HCO3-) = 2 mmol/l ZNK8,3 = c(H2CO3*) = 0,8 mmol/l c(CO2)T = c(H2CO3*) + c(HCO3-) = 0,8 + 2 = 2,8 mmol/l KNK4,5 = c(HCO3-) = δ1 c(CO2)T => δ1 = c(HCO3-)/c(CO2)T = 2/2,8 = 0,714 Z distribučního diagramu odečteme hodnotu pH cca 6,75 ZNK8,3 = c(H2CO3*) = δ0 c(CO2)T => δ0 = c(H2CO3*)/c(CO2)T = 0,8/2,8 = 0,286 - Z distribučního diagramu odečteme hodnotu pH cca 6,75 Pivokonský, ÚŽP PřF UK, 2013
6
Hydrochemie – výpočty
Hydrochemie – výpočty
Příklad Analýzou vody byly zjištěny tyto hodnoty: pH = 6,7, KNK4,5 = 4,9 mmol/l, ZNK8,3 = 2,3 mmol/l. Jaká bude celková ZNK (ZNK10,6)? Řešení: ZNK10,6 = c(H+) + 2c(H2CO3*) + c(HCO3-) – c(OH-) - (viz výše) změřeny KNK4,5 a ZNK8,3 + pH = 6,7 => výskyt HCO3- a H2CO3*, zanedbáváme OH-, H+, a CO32- => ZNK10,6 = 2c(H2CO3*) + c(HCO3-) = 2 ZNK8,3 + KNK4,5 = 2*2,3 + 4,9 ZNK10,6 = 9,5 mmol/l
Pivokonský, ÚŽP PřF UK, 2013
7
Hydrochemie – výpočty
Hydrochemie – výpočty
Příklad Povrchová voda má hodnotu pH 7,5 a koncentraci veškerého CO2 4 mmol/l. Odpadní voda obsahuje kyselinu sírovou o koncentraci 10 mmol/l. Jaké nejvyšší množství odpadní vody lze vypustit do toku, aby hodnota pH neklesla pod 6,5?
Pivokonský, ÚŽP PřF UK, 2013
8
Hydrochemie – výpočty
Hydrochemie – výpočty Řešení: Je nutné znát hodnotu KNK4,5. pH = 7,5 => zanedbáváme OH-, H+, a CO32Z grafu odečteme hodnotu δ1; δ1 = 0,935 => Tj. KNK4,5 = c(HCO3-) = δ1 c(CO2)T = 0.935*4 = 3,74 mmol/l Přípustná hodnota pH v toku = 6,5 => z grafu δ1 = 0,59 => KNK4,5 = δ1 c(CO2)T = 0.59*4 = 2,36 mmol/l (pod tuto hodnotu nesmí klesnout KNK v toku) Z rozdílu obou hodnot KNK4,5 se vypočte nejvyšší přípustné množství kyseliny, které lze vypustit do toku: ∆ KNK4,5 = 3,74 – 2,36 = 1,38 mmol/l jednosytné (!!!) kyseliny Kyselina sírová = dvojsytná kys. => max. množství = 1,38/2 = 0,69 mmol/l odp. voda: c1 = 10 mmol/l H2SO4; V1 = ??? litrů tok: c2 = 0,69 mmol/l; V2 = 1 m3 = 1000 litrů
c1V1 = c2V2 => V1 = c2V2/c1 =0,69*1000/10 =
69 litrů odpadní vody na 1 m3 vody v toku Pivokonský, ÚŽP PřF UK, 2013
9
Hydrochemie – výpočty
Hydrochemie – výpočty
Příklad Stanovte agresivní, příp. inkrustující, charakter vody z jejího rozboru. Rozborem vody bylo zjištěno složení: KNK4,5 = 2,5 mmol.l-1, cm(Ca) = 80 mg.l-1, cm(CO2) = 50 mg.l-1 . Řešení:
M(Ca) = 40,1 g.mol-1; M(CO2) = 44,0 g.mol-1; KNK4,5 = c(HCO3-).
Z hmotnostních koncentrací vypočítat látkové koncentrace c(Ca) a c(CO2). c(Ca) = cm(Ca) /M(Ca) = 80 / 40,1 = 1,995 mmol.l-1 c(CO2) = cm(CO2) /M(CO2) = 50 / 44,0 = 1,136 mmol.l-1 Vypočítat rovnovážnou koncentraci cr(CO2) z rovnice:
K2 cr (CO2 ) = c(Ca 2 + ) ⋅ c 2 ( HCO3− ) K1 ⋅ K S
K1 = 10-6,35, K2 = 10-10,33, KS = 10-8,35
cr(CO2) = 10-10,33 /10 -6,35 / 10-8,35 * 0,001995 * 0,00252 = 0,0002923
mol.l-1 = 0,2923 mmol.l-1
Porovnat cr(CO2) s koncentrací CO2 ve vodě a určit charakter vody. c(CO2) = 1,136 mmol.l-1 > cr(CO2) = 0,292 mmol.l-1 ⇒ voda je agresivní Pivokonský, ÚŽP PřF UK, 2013
10
Hydrochemie – výpočty
Hydrochemie – výpočty
Příklad Stanovte agresivní, příp. inkrustující, charakter vody z jejího rozboru. Rozborem vody bylo zjištěno složení: KNK4,5 = 12,3 mmol.l-1, cm (Ca) = 260 mg.l-1, cm (CO2) = 700 mg.l-1. M(Ca) = 40,1 g.mol-1; M(CO2) = 44,0 g.mol-1; KNK4,5 = c(HCO3-). Řešte sami ...
Pivokonský, ÚŽP PřF UK, 2013
