روش اندازه‌گیری گاز کربنیک در آب
روش اندازه‌گیری گاز کربنیک در آب
گاز کربنیک علاوه بر انحلال در آب با عوامل موجود در آب به صورت ترکیب نیز در می‌آید
در صورت وجود کلسیم
در آب‌های طبیعی که pH آنها نزدیک به 8 می‌باشد تعادلی بین کلسیم کربنات و کلسیم بی‌کربنات موجود در آب در اثر وجود گاز کربنیک آزاد به وجود می‌آید که موجب جلوگیری از رسوب شدن کلسیم کربنات از صورت محلول به صورت جامد می‌گردد.
گاز کربنیک موجود در آب شامل سه قسمت می‌باشد:
- گاز کربنیک آزاد
- گاز کربنیک متعادل کننده
- گاز کربنیک متعلق به کربنات‌ها و بی‌کربنات‌ها
مجموعه فوق را گاز کربنیک کل گویند.
مواد و محلول‌های مورد نیاز:
1- محلول سدیم کربنات با نرمالیته مورد نظر ( معمولاً چون مقدار بر حسب کلسیم کربنات گزارش می‌شود 1/50 نرمال می‌گیرند)
2- محلول فنل فتالئین: 0/5 گرم در 100 میلی‌لیتر آب‌مقطر
روش اندازه‌گیری گاز کربنیک آزاد
جهت اندازه‌گیری گاز کربنیک آزاد تقریباً مشابه به روش اکسیژن باید نمونه‌برداری نمایید، به این ترتیب که یک بالن ژوژه در حجم مورد نظر انتخاب کنید و لوله نمونه‌برداری را تا نیم سانتی‌متری کف ظرف وارد نمایید و نمونه‌گیری کنید، به این روش سه ظرف را پر کنید و آن‌گاه در حضور فنل فتالئین به اولی به تدریج سدیم کربنات با نرمالیته مشخصی اضافه کنید و بعد از هر افزایش محلول را به هم بزنید تا رنگ محلول گلی کم‌رنگ شود، حجم مصرفی سدیم کربنات را یادداشت نمایید. به نمونه دوم همان حجم سدیم کربنات را در یک مرحله اضافه کنید و به هم بزنید تا به نتیجه قبلی اطمینان پیدا نمایید و در صورت کم و زیاد بودن حجم مصرفی آزمایش را با نمونه سوم و حجم تنظیم شده سدیم کربنات تکرار نمایید.
تذکر:
1- از وارد شدن گاز کربنیک هوا به محلول جلوگیری نمایید.
2- چنان‌چه در مرحله اول پس از افزودن فنل فتالئین تغییر رنگ حاصل شد، نشان دهنده عدم وجود گاز کربنیک آزاد در محلول می‌باشد.
تعادل کربنات آب‌ها و pH تعادلی
کربنات‌های نامحلول که در مسیر جریان آب یا در مجاورت آن قرار گیرند در اثر وجود گاز کربنیک آزاد به صورت بی‌کربنات‌ها در آب حل می‌شوند و اگر حالت اشباع کربناتی در شرایط موجود در محیط پیش آید، بالارفتن درجات حرارت که خود سبب کاهش انحلال گاز یا خارج شدن آن در محیط است منجر به رسوب شدن جزئی از بی‌کربنات‌ها به صورت کربنات‌های نامحلول می‌گردد.
یک سیستم مرکب از کلسیم کربنات، کلسیم بی‌کربنات و کربنیک اسید وقتی در حالت تعادل است که در حرارت ثابت مقدار یون کلسیم موجود در آن و قلیائیت آب تغییر ننماید، pH چنین حالتی را pH تعادلی نامند و به pHs نمایش می‌دهند.
کاربرد مطالب فوق در دستگاه‌های خنک‌کن جهت جلوگیری از رسوب‌گذاری و خوردگی می‌باشد که به دلیل اهمیت شرح و روش علمی کار در زیر آورده شده است.
دستگاه خنک کن و مشکلات رسوب‌سازی در آنها
در بیشتر دستگاه‌های خنک‌کن مشکل اصلی رسوب‌سازی، تشکیل رسوب کلسیم کربنات است که در اثر تجزیه یون بی‌کربنات در آب در اثر گرما به وجود می‌آید.
در اثر تجزیه بخشی از بی‌کربنات‌ها با آزاد شدن CO2 به کلسیم کربنات تبدیل می‌شود و از آن جایی که حلالیت کلسیم کربنات در آب در دمای معمولی فقط در حدود ppm 20 می‌باشد رسوب‌سازی کلسیم کربنات در دستگاه حتماً انجام می‌پذیرد. در سال 1936 پروفسور Langelier معادله‌ای ارائه داد که شرایط مناسب در حال تعادل بودن کلسیم کربنات در آب را نشان می‌دهد. با کوتاه کردن معادله وی روش ساده‌ای برای تشخیص خاصیت خوردگی یا رسوب‌دهندگی آب به دست می‌آید.
در رابطه فوق pH، pH موجود در دستگاه است.
چنان‌چه در رابطه بالا ضریب مثبت باشد نشان‌دهنده رسوب‌سازی است، از آن جایی که رسوب قلیایی لایه‌ای نیمه تراوا بر روی سطح فلز تشکیل می‌دهد مثبت بودن ضریب سیری از نشان‌دهنده خورنده نبودن آب به حساب می‌آورند و منفی بودن اندیس را نشان‌دهنده خورندگی آب می‌دانند. در هر صورت ممکن است در اثر تغییرات دمای آب و سطح فلز دستگاه خنک کن امکان وجود هر دو یعنی خورندگی و رسوب در محلول‌های مختلف یک دستگاه باشد.
همان طور که langelier تاکید کرده ضریب سیری جهت و تمایل محیط را به تشکیل رسوب‌دهی یا خورندگی نشان می‌دهد و به هیچ وجه نشان دهنده کمی نمی‌باشد. در کار دیده شده که برخی از آب‌ها با این که ضریب سیری مثبت داشتند خورنده نیز بوده‌اند و دلیل این امر به واسطه این است که LANGELIER-INDEX نشان نمی‌دهد چه مقدار کلسیم کربنات رسوب خواهد کرد. در موارد خاص کمبود رسوب باعث می‌شود که سطح فلز کامل حفاظت نشود. برای روشن شدن بیشتر به دو مورد زیر توجه نمایید.
مشخصات آب شماره 1 نشان می‌دهد که آب با pHs=6 نشان می‌دهد این دو به مقدار زیادی پایین‌تر می‌باشند، بنابراین pHs درباره تمایل رسوب‌دهندگی آب صحبت می‌کند تا ضریب سیری 0/5 به این دلیل RYZNAR ضریب پایداری را به صورت فرمول زیر نشان داد:
و بعد از یک سلسله کار و تمرین روی دستگاه‌های خنک‌کن موفق شد که نشان بدهد با اندیس پایداری 6 یا کمتر تمایل رسوب‌دهی افزایش می‌یابد و تمایل به خورندگی کم می‌شود و هنگامی که ضریب‌پایداری از 7 افزایش یابد پوشش محافظ کلسیم کربنات تشکیل نخواهد شد. و هرگاه ضریب‌پایداری بالا برود و به 7/5 تا 8 برسد خوردگی شدید خواهد شد.
روش‌های جلوگیری از تشکیل رسوب
الف – تنظیم ضریب اشباع: اولین کوشش برای ثابت نگهداشتن بازه یک دستگاه این است که pH دستگاه را طوری تنظیم کنند تا آب مورد نظر نه رسوب‌دهنده و نه خورنده باشد و این کار به وسیله تنظیم سیری صورت می‌گیرد، در عمل طبیعی است که ضریب سیری را به مقدار بسیار کم مثبت نگه می‌دارند تا پوشش کلسیم کربنات در روی جدار فلز تشکیل شود و از خوردگی فلز جلوگیری به عمل آورد.
در برخی از دستگاه‌ها که بازده بیشتر در تبادل گرما لازم می‌باشد حتی ورقه نازکی از رسوب نیز زیان‌آور است، چون خود این لایه مانعی برای تبادل گرما خواهد بود، و از طرفی تجربه نشان داده است که در زیر لایه رسوب قابل نفوذ نیز خوردگی ایجاد می‌شود.
ب- اسیدزنی: برای کم کردن سختی قلیایی یا ترکیب شدن با یون‌های قلیایی بی‌کربنات، یون‌های بی‌کربنات را به آب در گردش خنک‌کن اضافه نمایید.
این روش که ACID-DE.ALKALIZATION نامیده می‌شود به طور کامل رسوب کلسیم کربنات را برطرف خواهد کرد در عمل اغلب از سولفوریک اسید استفاده می‌شود و در نتیجه ترکیب کلسیم سولفات می‌باشد. باید توجه داشت که کلسیم سولفات نیز به طور نسبی در آب محلول می‌باشد. این روش باعث زیادشدن حالت خورندگی آب می‌شود زیرا کاهش دهنده طبیعی خوردگی موجود در آب (کلسیم بی‌کربنات) در اثر ترکیبات با اسید از آب جدا می‌شود و به صورت کلسیم سولفات در می‌آید بنابراین متداول است که همراه با اسید یک کاهش‌دهنده مناسب نیز به کار رود.
ج- تنظیم رسوب به وسیله مواد افزودنی: راه دیگر برای جلوگیری از رسوب‌سازی افزایش مواد ویژه‌ای می‌باشد که از این مواد شدت رسوب‌دهی را کاهش می‌دهد و هم‌چنین در ترکیب رسوب‌های سخت که ممکن است در روی سطح فلز ته‌نشین گردند اثر می‌گذارند و از آن جلوگیری به عمل می‌آورند. به عنوان مثال از پلی‌فسفات همراه با تانن می‌توان نام برد. ولی به دلیل ناپایداری و تشکیل رسوب فسفات و هم‌چنین مساعد نبودن محیط برای رشد گیاهان آبزی، کمپانی‌های بزرگ برای یافتن موادی که بتواند جایگزین پلی‌فسفات شود، پژوهش‌های دامنه‌داری کرده‌اند.
جدول محاسبه سریع ضریب سیری ضریب سیری کلسیم کربنات
مقدار A و B و C و D را از جدول بالا بخوانید.
مثال:
درجه فارنهایت 140 = دما
میلی‌گرم بر لیتر بر حسب کلسیم کربنات 200 = سختی کلسیم
میلی‌گرم بر لیتر بر حسب کلسیم کربنات 160 = قلیائیت متیل اورانژ
میلی‌گرم بر لیتر 400 = کل مواد جامد محلول
2/79 = pCa
2/50 = pALK
در 140 درجه فارنهایت 1/56 =C
7/80 = pH
pHs = pCa+pALK+C
pHs = 2/7+2/5+1/56=6/76
7/8-6/76=1/04= اختلاف
1/04 = اندیس اشباع
خاصیت رسوب گذاری SI>0
آب در حال تعادل SI=0
خاصیت خوردگی SI<0
برای استفاده از جدول تعیین pHs اینگونه عمل نمایید. pHs = pCa + pALK +C
pCa : میزان سختی کلسیم کربنات محاسبه نمایید و از مقابل سختی PPm ، خطی افقی رسم کنید تا خط pCa را قطع کند سپس از نقطه تقاطع. خطی عمود بر محور pCa رسم کنید و مقدار آن را بخوانید.
pALK: میزان قلیائیت متیل اورانژ را بر حسب کلسیم کربنات محاسبه کنید و تر مقابل میزان PPm آن خطی افقی رسم کنید تا خط pALK را قطع کند. سپس از محل نقطه تقاطع خطی عمود بر محور pALK رسم کنید و مقدار آن را بخوانید.
C: میزان کل مواد جامد محلول را برحسب PPm در جدول تعیین نمایید. سپس از آن نقطه خطی افقی رسم کنید تا منحنی دما را قطع کند سپس از محل تقاطع خطی عمود بر محور رسم کنید و میزان آن را بخوانید.
منبع:
پیکری، محمود، و کرباسیان، احمد. (1394). آزمایش‌های آب. انتشارات ارکان دانش
