Calcolatore delle incrostazioni e della precipitazione nell'acqua
Valuta preliminarmente la formazione di incrostazioni di carbonato di calcio, solfato di calcio, solfato di bario, solfato di stronzio, fluoruro di calcio, silice e idrossido di magnesio a partire da un'analisi dell'acqua. Il calcolatore riporta anche la forza ionica, i coefficienti di attività, l'indice di saturazione di Langelier (LSI) basato sulle attività e l'indice di stabilità di Ryznar (RSI).
Temperatura del modello: esclusivamente 25 °C. Si tratta di un calcolo semplificato di valutazione preliminare per acque diluite, non di un modello completo di equilibrio o precipitazione. Considera le concentrazioni di metalli disciolti, solfato e fluoruro come concentrazioni di ioni liberi, trascurando le coppie ioniche e i complessi metallici. Non utilizzarlo come calcolo di progettazione per acqua di mare, salamoie, sistemi ad alta pressione o acqua a una temperatura diversa.
Inserisci l'analisi dell'acqua
Utilizza le concentrazioni delle sostanze disciolte espresse in mg/L secondo la base di espressione indicata. I campi obbligatori devono contenere un numero; inserisci zero solo quando giustificato dall'analisi. Lascia vuoti i campi facoltativi relativi a costituenti non noti: le righe dei minerali corrispondenti saranno contrassegnate con «Non valutato». Un risultato inferiore al limite di rilevabilità non equivale automaticamente a zero. Tutte le misurazioni devono descrivere la stessa acqua a 25 °C.
Chimica dell'acqua e indici di stabilità
Per le acque diluite, le concentrazioni sono utilizzate come approssimazione della molalità. I coefficienti di attività sono adimensionali. Lo squilibrio di carica è calcolato con la formula 100 × (carica cationica − carica anionica)/(carica cationica + carica anionica); è una verifica della completezza, non una prova dell'accuratezza analitica.
| Forza ionica stimata, I (mol/L) | |
|---|---|
| Coefficiente di attività γ, |z| = 1 | |
| Coefficiente di attività γ, |z| = 2 | |
| Coefficiente di attività γ, |z| = 3 | |
| Carbonato libero stimato (mg/L come CO₃) | |
| Bicarbonato libero stimato (mg/L come HCO₃) | |
| Squilibrio di carica stimato con segno (%) | |
| pH di saturazione della calcite, pHₛ | |
| LSI basato sulle attività = pH − pHₛ | |
| RSI = 2pHₛ − pH |
Saturazione dei minerali a 25 °C
SI = log₁₀(IAP/K); il rapporto di saturazione è IAP/K = 10SI. Un SI positivo indica sovrasaturazione rispetto alla fase indicata in questo modello. Non significa che la precipitazione sia certa o immediata. I risultati sono visualizzati come normali numeri decimali, senza notazione e+.
| Fase minerale | SI | Rapporto di saturazione | Interpretazione |
|---|---|---|---|
| Calcite CaCO₃ | |||
| Gesso CaSO₄·2H₂O | |||
| Anidrite CaSO₄ | |||
| Barite BaSO₄ | |||
| Celestina SrSO₄ | |||
| Fluorite CaF₂ | |||
| Silice amorfa SiO₂(a) | |||
| Quarzo SiO₂ | |||
| Brucite Mg(OH)₂ | |||
| Idrossiapatite (facoltativa) Ca₅(PO₄)₃OH |
Significato dei risultati
LSI, RSI e saturazione della calcite
L'LSI confronta il pH misurato con il pH al quale la calcite raggiunge la saturazione. In questo caso, il pHₛ si ottiene risolvendo l'equilibrio della calcite a parità di alcalinità totale, concentrazione di calcio e coefficienti di attività, includendo i contributi all'alcalinità di fosfato, silice e acqua considerati nel modello. L'intervallo di ricerca è pH 5–11,5; non viene riportata alcuna soluzione al di fuori di tale intervallo. Questa formulazione basata sull'attività può differire dai calcolatori empirici dell'LSI basati sui solidi disciolti totali (TDS). Il SI della calcite valuta l'acqua effettivamente inserita, mentre l'LSI utilizza il pH di saturazione calcolato; i loro valori numerici non sono necessariamente identici.
Un LSI positivo indica una tendenza termodinamica alla precipitazione del carbonato di calcio; un LSI negativo indica sottosaturazione rispetto alla calcite. L'RSI è un indice empirico di stabilità calcolato come 2pHₛ − pH. Non ha un significato diretto in termini di rapporto di saturazione e deve essere interpretato sulla base dell'esperienza con lo specifico sistema idrico. Nessuno dei due indici è una misura diretta della corrosione dei metalli e una bassa tendenza alla formazione di incrostazioni non dimostra che l'acqua non sia corrosiva.
Forza ionica e coefficienti di attività
La forza ionica è stimata mediante I = ½Σcᵢzᵢ². L'equazione di Davies a 25 °C è log₁₀γᵢ = −0,509zᵢ²[√I/(1 + √I) − 0,3I]. L'attività è approssimata dal prodotto di γ per la concentrazione molare rapportata alla concentrazione standard. Alla silice disciolta neutra viene assegnato un coefficiente di attività pari a uno. Il calcolo determina iterativamente la forza ionica insieme alla ripartizione acido-base di carbonato, fosfato e silice.
Il modello è limitato a I ≤ 0,1 mol/L e genera un avviso al di sopra di 0,01 mol/L. Si tratta di un limite per una valutazione preliminare, non di una garanzia di accuratezza. La formazione di coppie ioniche può essere rilevante anche al di sotto di tale limite, soprattutto per solfato, fosfato e metalli bivalenti. Gli ioni sconosciuti o non elencati possono modificare la forza ionica e il bilancio di carica. Quando questi effetti sono rilevanti, è necessario un modello completo come PHREEQC, con una banca dati e un modello di attività appropriati.
Perché la fase minerale e la base di espressione dei dati sono importanti
Il solfato di calcio è riportato separatamente come gesso e anidrite. La silice è riportata come silice amorfa e quarzo: la sola sovrasaturazione rispetto al quarzo non dimostra un rischio di rapido sporcamento da silice amorfa. La ripartizione della silice tiene conto dei primi due stadi di dissociazione dell'acido silicico; la polimerizzazione, i colloidi e i depositi di silicati metallici non sono modellati. L'idrossiapatite è una delle possibili fasi di fosfato di calcio, non una previsione di ogni deposito di fosfato. Altri fosfati di calcio, complessi metallici e la cinetica delle reazioni possono governare il comportamento dei sistemi reali.
La saturazione non è una quantità di precipitato
Un SI di +1 corrisponde a un rapporto di saturazione di 10 per la reazione così come è scritta; un SI di −1 corrisponde a 0,1. Un rapporto non è una percentuale di incrostazione né una concentrazione in massa. Questo calcolatore non rimuove il materiale precipitato, non ricalcola l'equilibrio dopo la precipitazione, non prevede il tempo di induzione, non calcola il dosaggio di antincrostante e non stima la massa dei depositi. Temperatura, pressione, scambio gassoso, superfici, miscelazione, inibitori e tempo di permanenza possono modificare il risultato. Inserire l'analisi della corrente da valutare; non moltiplicare le concentrazioni dell'alimentazione per un fattore di recupero dell'osmosi inversa (RO) senza un adeguato bilancio di massa del concentrato.
L'etichetta «Vicino all'equilibrio» utilizza una banda di visualizzazione da −0,05 a +0,05 SI per evitare di attribuire eccessivo significato a minime differenze numeriche. L'equilibrio termodinamico corrisponde a SI = 0; la banda di visualizzazione non rappresenta un'incertezza analitica universale né un limite operativo. Un valore di ingresso pari a zero dà un prodotto delle attività ioniche nullo e nessun SI logaritmico finito. L'assenza di dati facoltativi dà «Non valutato» anziché un risultato pari a zero.
Basi di calcolo e costanti
Il modello utilizza i valori nominali di log K a 25 °C della banca dati WATEQ4F distribuita dall'USGS. Si assume che l'attività dell'acqua sia pari a uno. Per la ripartizione del carbonato si utilizza pK₂ = 10,329 e per l'acqua pKw = 14. Per l'ortofosfato si utilizzano valori di log K di protonazione cumulativa pari a 12,346 e 19,553; l'acido fosforico completamente protonato è trascurato nell'intervallo di pH supportato. I valori di log K di dissociazione dell'acido silicico sono −9,83 e −23. L'alcalinità viene convertita utilizzando 50 mg CaCO₃ per meq e corretta per i contributi di idrossido, ioni idrogeno, fosfato e silicato considerati nel modello prima di calcolare il carbonato.
| Fase | Espressione dell'IAP in termini di attività | log K a 25 °C |
|---|---|---|
| Calcite | a(Ca²⁺) × a(CO₃²⁻) | −8.48 |
| Gesso | a(Ca²⁺) × a(SO₄²⁻) | −4.58 |
| Anidrite | a(Ca²⁺) × a(SO₄²⁻) | −4.36 |
| Barite | a(Ba²⁺) × a(SO₄²⁻) | −9.97 |
| Celestina | a(Sr²⁺) × a(SO₄²⁻) | −6.63 |
| Fluorite | a(Ca²⁺) × a(F⁻)² | −10.60 |
| Silice amorfa | a(H₄SiO₄) | −2.71 |
| Quarzo | a(H₄SiO₄) | −3.98 |
| Brucite | a(Mg²⁺) / a(H⁺)² | 16.84 |
| Idrossiapatite (facoltativa) | a(Ca²⁺)⁵ × a(HPO₄²⁻)³ / a(H⁺)⁴ | −3.4210 |
Per la brucite la reazione è Mg(OH)₂ + 2H⁺ ⇌ Mg²⁺ + 2H₂O. Per l'idrossiapatite è Ca₅(PO₄)₃OH + 4H⁺ ⇌ 5Ca²⁺ + 3HPO₄²⁻ + H₂O. I rispettivi valori di log K si riferiscono quindi a queste reazioni di dissoluzione acida, non a una semplice espressione del Ksp di un idrossido o di un fosfato.
Riferimenti e calcolatori correlati
Dati termodinamici WATEQ4F utilizzati qui; Documentazione USGS sui coefficienti di attività e sulle specie in soluzione acquosa; Documentazione USGS sugli equilibri dei minerali.
Calcolatore dell'indice di Langelier · Calcolatore dell'indice di Ryznar · Bilancio di carica dell'analisi dell'acqua · Forza ionica e coefficienti di attività · Tutti i calcolatori
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