• Ei tuloksia

Treatment of the water of Lake Päijänne to decrease corrosion

N/A
N/A
Info
Lataa
Protected

Academic year: 2022

Jaa "Treatment of the water of Lake Päijänne to decrease corrosion"

Copied!
81
0
0

Kokoteksti

(1)

Teknillisen korkeakoulun rakennusinsinööriosastolla professori Eero Kajosaaren valvonnassa vv. 1980 - 81 tehty diplomityö

(2)

SISÄLLYSLUETTELO

Tiivistelmä

Summary

1

2

Johdanto Korroosio

2.1 Yleistä

2.2 Korroosion vaikutuksista

Korroosion vaikutus veden laatuun

Korroosion vaikutus vedenjakeluver koon 2.3 Polarisaatioilmiöt ja korroosionopeus 2.4 Korroosionestotekniikka

Yleistä

Kalkkiruostesuojateoria

Veden käsittely korroosion vähentämiseksi 3.1 Syövyttävän veden ominaisuuksia 3.2 Eri käsittelymenetelmiä

Vedenkäsittelykokeet koelaitoksella 4.1 Tavoitteet

4.2 Prosessien toteutus 4.3 Saavutetut tulokset Korroosiokokeet

5.1 Yleistä

5.2 Painohäviökokeet 5.3 Polarisaatiokäyrät

5.4 Lepopotentiaalimittaukset

5.5 Korroosiokokeiden tulosten tarkastelu Yhteenveto

Lähdeluettelo Liitteet

(3)

ALKUSANAT

Helsingin kaupungin vesilaitoksen siirtyessä käyttämään vesi­

johtoveden valmistuksessa raakavetenä Päijänteen vettä on nähty tarpeelliseksi tutkia alkaliniteetin nostoa veden syövyttävyy- den vähentämiseksi. Tässä työssä tarkastellaan alkaliniteetin noston vaikutuksia kemikalointikustannuksiin sekä kuparin, va­

luraudan ja hiiliteräksen korroosionopeuksiin.

Tutkittavia vedenkäsittelymenetelmiä on kaksi. Toisessa kemi- kalointivaihtoehdossa käytetään soodaa ja toisessa hiilidioksi­

dia ja kalkkia. Molempia vaihtoehtoja käyttäen alkalinitееtti nostetaan kolmeen ennalta sovittuun tavoitearvoon ja eri tavoin käsiteltyjä vesiä vertaillaan kemikaalimenekkien ja syövyitä­

vyyksien perusteella.

Tämä työ on tehty diplomityönä Teknillisen korkeakoulun raken­

nus ins inööriosastolia. Työn valvojana toimineelle professori Tero Kajosaarelle haluan esittää lämpimät kiitokseni avusta sekä kiinnostuksesta työtäni kohtaan.

Käytännön kokeet on tehty pääosin Helsingin kaupungin vesilai­

toksen Pitkäkosken vedenpuhdistus laitoksella ja tutkimustoimis­

ton koelaitoksella. Vesilaitosta kiitän työni rahoituksesta.

Työn ohjaajana on toiminut käyttökemisti Esko Vahtila, jolle haluan esittää kiitokseni avusta ja neuvoista työn aikana.

Käyttölaboratorion henkilökuntaa kiitän lukuisten vesinäyttei­

den analysoinnista. Tutkimustoimiston henkilökunnalle, erityi­

sesti koelaitosinsinööri Sakari Laineelle, esitän kiitokseni avusta vedenkäsittelykokeiden aikana. Koko Pitkäkosken veden—

puhdis tus laitoksen henkilökuntaa haluan kiittää niin avusta käytännön ongelmissa kuin henkisestä tuestakin työn aikana.

Korroosiokokeiden suorittamisessa ohjannutta apulaisprofessori Seppo Yläsaarta kiitän saamistani neuvoista samoin kuin Vuori- teollisuusosaston korroosionestotekniikan laboratorion henkilö­

kuntaa avusta ja tuesta. Samalla kiitän mahdollisuudesta

käyttää laboratorion tiloja ja välineistöä työssäni. Korroosio-

(4)

2

kokeisiin liittyen haluan vielä kiittää Kauko Kalliosaarta koe kappaleiden valmistuksesta, Merja Hintikäistä niiden valoku­

vauksesta ja DI Alpo Maasiltaa koekappaleiden puhdistuksesta.

Pääkaupunkiseudun Vesi Oy :tä kiitän mahdollisuudesta käyttää Asikkalanselän vedenottamon tiloja korroosiokokeiden suoritta­

miseen .

Anna-Liisa Salorantaa kiitän lämpimästi työni konekirjoituksesta.

Lopuksi haluan vielä erityisesti kiittää puolisoani Ilpoa hänen tuestaan työni ja koko opiskeluni aikana ja lapsiani Annaa ja Lauria heidän tuomastaan ilosta, joka on antanut voimia työhön.

Vanhempiani kiitän heidän henkisestä ja taloudellisesta tuestaan opiskeluaikanani ja monia ystäviäni heidän rohkaisustaan ja

avustaan käytännön ongelmissa.

Espoossa 23.11.1981 Marja Talikka

(5)

TIIVISTELMÄ

Käyttöveden valmistuksessa on tavoitteena tuottaa kuluttajalle lääkintöhallituksen vaatimukset täyttävää vettä. Tämän vuoksi veden laatu ei korroosion tai muunkaan syyn takia saa johto- verkossa laskea alle vaaditun tason. Johtoveden alhaisen aika liniteetin ja pienen kovuuden on todettu lisäävän korroosiosta aiheutuvaa veden laadun huononemista. Tämän vuoksi Helsingin kaupungin vesilaitoksella on nähty tarpeelliseksi tutkia veden alkaliniteetin nostoa siirryttäessä käyttämään raakavetenä Päi­

jänteen vettä.

Alkaliniteetti nostettiin kahta kemikalointitapaa käyttäen.

Toinen tapa perustui soodan syöttöön siten, että tarvittavaa lisäsoodaa varten syötettiin prosessiin ylimäärin alumiini- sulfaattia. Toinen kemikalointitäpä taas perustui hiilidioksi­

din ja kalkin syöttöön.

Vedenkäsi11elykokeet tehtiin vedentutkimus toimiston koelai toksella Pitkäkoskella. Päijänteen veden luonnollinen alka­

liniteetti 0,2 mval/1 nostettiin molemmilla kemikalointi-

tavoilla arvoihin 0.4, 0,6 ja 0,8 mval/1. Kemikaalien menexit mitattiin ja niistä laskettiin kemikalointikustannukset

kullekin vaihtoehdolle. Kaikissa tapauksissa tuli soodalla käsittely kalliimmaksi kuin hiilidioksidin ja kalkin käyttö.

Tämä ero kasvoi alkaliniteetin noustessa.

Korroosiokokeet tehtiin kaikilla eri tavoin käsitellyillä Päijänteen vesillä ja vertailun vuoksi myös nykyisellä

johtovede1lä ja Päijänteen raakavedellä. Raakavettä tutkit tiin paitsi koeolosuhteissa Pitkäkoskella myös AsikkalanseIän vedenottamolla Päijänne-tunneIin alkupäässä.

(6)

4

Tutkittavia materiaaleja olivat kupari, valurauta ja hiili- teräs. Korroosionopeuden mittauksessa oli pääpaino painohäviö kokeissa, joissa maksimikoeaika oli noin kolme kuukautta.

Kaikille materiaaleille ajettiin anodiset ja katodiset polari- saatiokäyrät kaikissa tutkittavissa vesissä. Polarisaatio- käyrien tulkitsemista varten tehtiin painohäviökokeiden koe­

olosuhteissa lepopotentiaalin mittauksia.

Painohäviökokeiden perusteella osoittautui raakavesi kuparia eniten syövyttäväksi. Kuparin korroosionopeus pieneni alkali- niteet in noustessa. Valuraudan ja hiiliteräksen korroosio­

nopeus ei ollut yhtä selvästi riippuvainen alkaliniteetista.

Raakavesi syövytti niitä hitaimmin. Varsinkin hiiliterästä näytti hiilidioksidilla käsitelty vesi syövyttävän nopeammin kuin soodalla käsitelty vesi. Kaikilla materiaaleilla 0,6 mval/1 alkaliniteetin soodalla käsitelty vesi oli syövyttä- vyydeltään lähellä nykyistä johtovettä. Polarisaatiokäyrät korreloivat kuparin kohdalla melko voimakkaasti painohäviö­

kokeiden kanssa. Muilla materiaaleilla ei vastaavaa korre­

laatiota ollut, mutta jonkinlainen trendi voitiin nähdä.

Sopivinta vedenkäsittelyvaihtoehtoa ei tässä työssä saatujen tulosten perusteella liene syytä nimetä. Perusteellinen vertailu kustannusten ja hyötyjen välillä vaatii lisätietoja nykyisistä ja tulevista asiaan vaikuttavista olosuhteista,

joihin diplomityössä ei ole mahdollista paneutua.

(7)

SUMMARY

In making potable water the aim is to produce water which meets the requirements of the National Board of Health even when it reaches the consument. Therefore the quality of water may not drop below these requirements in the

network because of corrosion or any other reason. Low

alcalinity and hardness of water has been found to increase the deterioration of water quality caused by corrosion.

Therefore it has been found necessary at the Helsinki City Waterworks to examine the bringing up of alcalinity as it

starts using lake Päijänne as its raw water source.

The alcalinity was brought up by using two chemical methods.

The other one was based on adding soda in such a way that an extra amount of aluminium sulphate was added to

neutralize the required amount of extra soda. The other method was based on adding carbon dioxide and calcium hydroxide.

The water treatment tests were performed at the pilot plant at Pitkäkoski. The natural alcalinity of the raw water 0.2 mval/1 was brought up to 0.4, 0.6 and 0.8 mval/1 by using both methods. The amounts of added chemicals were measured and the costs of each alternative were

calculated. In each alternative alcalinity it was more expensive to use soda than to use carbon dioxide and calcium hydroxide. This difference between the costs increased as the alcalinity went up.

Corrosion tests were made on all different kinds of treated Päijänne water and for the sake of comparison also on the potable water at present and the raw water of lake Päijänne. The raw water was examined not only in testing conditions at Pitkäkoski but also at the pumping station of the Päijänne tunnel at Asikkala.

(8)

6

There were three tested materials, copper, cast iron and carbon steel. Measuring weight losses was the most

important method of determining corrosion rate. In these gravimetric tests the maximum test period was about three months. Anodic and cathodic polarization curves were

determined for each material in each water. To be able to explain the polarization curves it was necessary to

measure the potentials of tested materials in the same conditions in which the weight losses were determined.

According to the gravimetric corrosion rate measurements raw water showed to be the most corrosive to copper. The corrosion rate decreased as the alcalinity was brought up. In case of cast iron and carbon steel the corrosion rate was not quite as clearly dependent on the alcalinity.

In raw water the corrosion rate of these materials was the lowest. Especially considering carbon steel the

water treated by carbon dioxide seemed to be more corrosive than the water treated by soda. The 0.6 mval/1 alcalinity water treated by soda corroded all materials about equally to the present potable water. In case of copper the

polarization curves correlated quite strongly with the gravimetric measurements. The other materials didn't have the same correlation but some kind of trend could be seen.

It may not be reasonable to name the most suitable water treatment method according to the results of this work.

For more profounding comparison between costs and benefits more information of present and future

circumstances would be needed. In this kind of work it is, however, not possible to have such a deep look at these questions.

(9)

1

JOHDANTO

Käyttöveden valmistuksessa pyritään tuottamaan kuluttajalle vettä, joka täyttää lääkintöhallituksen asettamat fysikaalis- kemialliset ja hygieeniset laatuvaatimukset. Tällöin ei

riitä, että vesi lähtee laitokselta nämä vaatimukset täyttä­

vänä, vaan sen laatu ei saisi jakeluverkossakaan laskea alle vaaditun tason.

Useat Suomen kaupunkien vesilaitokset käyttävät raakavete­

nään pehmeää pintavettä. Monilla niistä on ongelmana

nimenomaan jakelujärjestelmän reunaosilla havaittava veden laadun huononeminen, mikä aiheutuu valurauta- ja teräs- putkien syöpymisestä. Veden rautapitoisuus nousee yli suositeltavan ylärajan ja tämän seurauksena kohoaa myös väriarvo. Pahimmissa tapauksissa rautapitoisuus kohoaa . niin korkeaksi, että ilmenee myös makuhaittoja ja veden sakkaisuutta /6/.

Vedenkäsittelyn riittävyys tulee edellä mainitussa tilan­

teessa kyseenalaiseksi. Vaikka vesi puhdistetaan hyvin korkealuokkaiseksi kalliisti rakennetuissa käsittely­

laitoksissa ja maksetaan jatkuvasti kohoavia energia- ja kemikaalikustannuksia, saa osa kuluttajista veden käyt­

töönsä fysikaalis-kemialliselta laadultaan jakelujärjes­

telmässä pahoin huonontuneena/6Z.

Syöpymisestä aiheutuva veden laadun huononeminen olisi jo sinänsä riittävä syy korroosion torjumiskeinojen tutki­

miseen. Huomattava merkitys on kuitenkin myös korroosiosta aiheutuvilla kustannuksilla. Näitä korroosiokustannuksia ovat korroosion aiheuttama lisä hankkeen alkuinvestointei- hin sekä vuosittain pinnoitteista, rakenteiden ja lait­

teiden uusimisesta ja vedenkäsittelystä aiheutuvat kustan­

nukset. Korroosiotuotteiden vesijohtoputkien sisäläpimittaa

(10)

8

pienentävä vaikutus lisää painehäviöitä j a siten myös pumppauskustannuksia /10/.

Muita vesihuoltoon liittyviä korroosioneston merkitystä lisääviä tekijöitä ovat yllättäviltä häiriöiltä vältty­

minen, laitosten ja verkkojen käyttöiän lisääntyminen ja kiinteistöjen vedenkäyttölaitteiden varma pitkäaikainen toiminta /10/.

2

KORROOSIO

2.1

Yleistä

Korroosio on luonteeltaan sähkökemiallinen ilmiö, joka pe rustuu luonnonlakeihin. Rakenteisiin sitoutunut energia pyrkii vapautumaan ja metalli näin palamaan alkuperäiseen muotoonsa /8/.

Eri korroosiomuotoja ovat tasainen eli yleinen korroosio, pistekorroosio, galvaaninen korroosio, raerajakorroosio, selektiivinen liukeneminen, rakokcrroosio, piilokorroosio eroosiokorroosio ja jännityskorroosio /12/. Tässä työssä tarkastellaan kuparin, valuraudan ja hiiliteräksen korroo siota käyttövedessä. Näille metalleille ominaisia korroo siomuotoja kyseisillä koejärjestelyillä ovat tasainen kor­

roosio, pistekorroosio ja eroosiokorroosio.

Edellytyksenä korroosion syntymiselle on korroosioparin muodostuminen. Tällainen pari voi syntyä kahdesta eri rakenteesta, jotka ovat sähköisessä kosketuksessa keske­

nään, mutta tavallisemmin se muodostuu saman kappaleen eri energeettisessä asemassa olevien alueiden välille /8/

(11)

Korroosioparin syntymisen edellytyksenä on, että aktiivi­

sempi liukuneva anodi ja jalompi katodi ovat sähköisessä kosketuksessa keskenään ja molemmat ovat yhteydessä

elektrolyyttiin. Liukenemista säätelevällä anodireaktiolla tulee olla toimintaedellytykset eli liukenevaan ioniin

tulee kohdistua voimia, jotka pystyvät nostamaan sen liu­

kenemista vastustavan energiakynnyksen yli (aktivaatio- energia). Jotta myös katodireaktio toimisi, on sen tasa- painopotentiaalin oltava liukenevan metallin tasapaino- potentiaalia korkeammalla /2, 8/.

Potentiaalilieron syntyyn johtavia tekijöitä ovat mm.

metalliin liittyvät tekijät :

Sisäiset ominaisuudet

metallin epähomogeenisuus

raerajojen erikoisominaisuudet raerakenteen virheet

rakenteiden erilainen orientoituminen

paikallisesti erilainen lämpö - tai muu käsittely

Pinta

oksidi- tai muu pintakalvo ei ole aukoton

työstö (pinnan epätasaisuus, naarmut, kohoumat, terävät reunat ja kulmat)

kappaleen muoto

vaikuttavat mekaaniset jännitykset eivät ole kaikkialla yhtäsuuret

Elektrolyyttiin liittyvät tekijät

Liuenneen aineen väkevyys vaihtelee elektrolyytissä metallin pinnan eri kohdissa /2/.

(12)

10

Käyttövesissä raudan korroosio tapahtuu yleensä seuraa­

vasti :

2 +

anodi: 2 Fe —> 2 Fe + 4e

katodi: O2 (ads) + H20 + 4e —>4 OH /8/

Fe2+ + 2 OH' <=:>Fe(0H)2

Kokonaisreaktio

Fe + H20 +1/2 02 <—^ Fe(QH) 2 ferrohydroksidi (valkoinen ruoste)

Edelleen

4Fe ( OH ) 2 + 02—>4FeO ■ OH + 2 fi^O ferrihydroksidi (ruskea ruoste)

Jos happea on niukemmin:

Fe(OH).7 +2 FeO - OH —>Fe;0^ +2 H20 magnetiitti (musta ruoste)

Kuva 1 Sähkökemiallisen korroosion mekanismi vedessä /13/

2.2

Korroosion vaikutuksista

Korroosion vaikutus veden laatuun

Merkittävin korroosiosta aiheutuva veden laatumuutos on

metallipitoisuuksien nouseminen kuluttajan saamassa vedessä.

(13)

Yleisintä on rautapitoisuuden kasvu, mistä aiheutuva haitta on lähinnä esteettinen. Kupari- ja sinkkipitoisuuden nou­

sulla saattaa olla terveydellistäkin merkitystä. Toisaalta kuparilla on taipumus värjätä saniteettikalusteet ja vaaleat hiukset vihertäviksi.

Korroosiotuotteiden sakkautumat edistävät bakteerien ja korkeampienkin eliöiden lisääntymistä verkossa. lämän vuoksi saattaa veden aiheuttamalla korroosiolla olla myös veden hygieenistä laatua huonontava vaikutus.

Metallihydroksidisakat lisäävät metalliputkistojen piste- korroosiota. Ilmiö perustuu saostumien aiheuttamiin happi­

pitoisuuden eroihin putken pinnalla. Veden virtausnopeu­

della ja puhdistuskemikaalien metallihydroksidijäännöksillä on siis huomattava vaikutus korroosionopeuteen (alumiini- pitoisuuden tavoitearvo < 0,3 mg/I).

Korroosion vaikutus vedenjakeluverkkoon

Korroosiolla on huomattava vaikutus vedenjakeluverkon suunnitteluun ja sen yhteydessä tehtäviin ratkaisuihin.

Tämä vaikutus ulottuu käsittelylaitokselta aina kiinteis­

töjen vesilaitteisiin asti.

Käsittelylaitoksilla ja -laitteissa korroosio vaikuttaa materiaalivalintoihin, toimintavarmuuteen, huolto- ja korjaustoimiin, työturvallisuuteen ja laitoksen yleis- hygieniaan sekä veden laatuun. Korroosiolle alttiita

osia ovat siirtoputket, venttiilit, käyttölaitteet, käyttö- automatiikkalaitteet sekä kemikaalien syöttölaitteet ja siirtoputket.

(14)

12

Verkossa korroosio vaikuttaa investointitalouteen, käyttö-, huolto- ja korjauskustannuksiin, jakelujärjestelmän toimi­

vuuteen ja johtoverkosta saatavan veden laatuun. Putki- rikkojen syynä on 10 § :ssa tapauksista syöpyminen /17/.

Korjattuja vesijohtoputkivuotoja on keskimäärin 10 kpl 100 km kohti vuodessa. Näistä puhtaasti korroosiosta aiheutuneita on yksi kappale 100 km kohti vuodessa.

Korroosio vaikuttaa kuitenkin usein myös muista syistä aiheutuneiden vuotojen syntymiseen.

Pienetkin reiät vesijohtoverkossa voivat aiheuttaa suuria taloudellisia menetyksiä. Jos paine verkossa on 5 bar, ovat vuotuiset vuotavat vesimäärät :

reika 0 1 mm n. 500 m /a vastaa omakotitalon vuosikulutusta

- reikä 0 5 mm n. 12000 " vastaa 20 huoneiston vuosikulutusta

reikä 0 10 mm n. 40000 " vastaa 70 -90 huoneis­

ton vuosikulutusta Edellä mainittujen menetysten lisäksi jää kyseisestä vuotovesimäärästä saamatta myös jätevesimaksu.

Putkirikoista aiheutuvia kustannuksia lisäävät myös hätä- työstä aiheutuvat lisääntyneet palkkakustannukset, tul vista aiheutuvien omaisuusvahinkojen sekä liikenneväli­

neiden vaurioiden korvaus sekä vedensaannin turvaamiseksi tarvittavat tankkiautokuljetukset /16/.

Ongelmana valurautaputkis sa ja osittain myös teräsputkissa on hitaan ja suhteellisen tasaisen korroosion aiheuttama putken sisäpinnan kuortuminen erilaisilla saostumilla ja korroosiotuottei11a. Tästä aiheutuu putken sisähalkai- sijan pieneneminen, mikä taas vaikuttaa energiatalouteen

(15)

aiheuttaa noin 1 p/m^ lisäyksen veden hintaan. Viiden millimetrin kerrostuma NS 150 putken sisäpinnalla lisää virtausvastuksia n. 40 % ja NS 300 putkessa n. 18 % /16/.

Korroosiolla on todennäköisesti merkittävä osuus veden biokemiallisten muutosten syntymiseen tai se edistää näille muutoksille edullisten olosuhteiden muodostumista

(kerrostumat).

Kiinteistöjen sisäisten vedenjakoputkien korroosiovauriot aiheuttavat eniten häiriöitä vedensaannissa. Tämä johtuu käytetyistä materiaaleista, rakentamistavoista ja olo­

suhteista, johtojen sijoituspaikoista, johtojen pienestä koosta (tukkeutuvat kokonaan nopeasti) yms.

Terästä ja valurautaa on käsitelty jo edellä. Johtoverkon osalta esitetty pätee myös kiinteistöjen vesijohdoissa.

Kuparin korroosionkestävyys on useimmiten erinomainen.

Joskus kuparissa saattaa kuitenkin esiintyä pistemäistä korroosiota lämminvesipuolella. Tapaukset liittyvät put­

kistoon saostuviin alumiinihydroksidi-, rautaoksidi- tms.

saostumiin. Lämpötilalla näyttää olevan varsin selvä vaikutus korroosionopeuteen. Kuparille ominainen kor­

roosiomuoto on eroosiokorroosio, joka johtuu liian suuresta virtausnopeudesta /17/.

(16)

1 4

2.3

Polarisaatioilmiöt ja korroosionopeus

Metallin syöpymistä kuvaa elektrolyytissä kulkevan virran määrä. Niin kauan kuin virta pysyy pienenä liukeneminen

jatkuu aktiivialueella, mutta virran suuretessa elektro­

deilla tapahtuva polarisoituminen aiheuttaa korroosio- virran heikkenemisen /9/.

Aktivaatiopolarisaatio kuvaa sitä potentiaalin nousua, joka tarvitaan, jotta liukenemisreaktio anodilla ja

elektroneja kuluttava reaktio katodilla voisivat tapahtua.

Mitä suurempi polarisointi reaktioiden aktivoimiseen tarvitaan, sitä pienempi on korroosionopeus /8/.

Jos katodireaktioon osallistuvan ionin hidas siirtyminen liuoksesta katodipinnalle rajoittaa elektronien kulumista katodireaktiossa tai liuenneen metallin konsentraation kasvaminen syöpymiskohdan välittömässä läheisyydessä hidastaa anodireaktiota, on kysymyksessä konsentraatio- polarisaatio /8/. Tällöin elektrodipinnan läheisyydessä on suurempi ionikonsentraatio kuin muussa elektrolyytissä ja se häviää sekoitettaessa tai veden virtauksen vaiku­

tuksesta /9/.

Vastuspolarisaatiotapauksessa elektrodille erottuu aineita, jotka suurentavat vastusta. Vastusta suurentavat esimer­

kiksi anodin passivoitumisessa oksidit ja katodilla vedyn ylijännite. Ylijännite syntyy, kun useampivaiheisen

elektrodiprosessin jokin vaihe on hidas /9/.

Kokonaispolarisaatio on em. polarisaatioiden summa. Se on siis se potentiaaliero, joka anodi- ja katodipinnan potentiaalieron tulee ylittää, jotta korroosioreaktio lähtisi liikkeelle ja pysyisi käynnissä.

(17)

W = liuennut metallimäärä (g) e = metallin ekvivalenttipaino F = Faradayn vakio (96 500 C) I = korroosiovirta

t = aika (s)

Korroosionopeus voidaan laskea myös seuraavalla kaavalla, jolle yksiköksi saadaan painohäviökokeissa tavallisesti käytettävä yksikkö mg/dm" • d.

Korroosionopeus = 0,0895 i M i = korroosiovirran tiheys pA/cm2

M = metallin ekvivalenttipaino /23/

Korroosiovirran suuruus riippuu avoimen korroosioparin potentiaalierosta, elektrolyytin sähkönvastuksesta ja elektrodien polarisaatioasteesta. Polarisaation lisäys vähentää korroosionopeutta /2/.

Hitaimman osareaktion nopeus määrää korroosioreaktion nopeuden. Katodisesti rajoitetussa tapauksessa anodi- reaktio pyrkii tapahtumaan nopeammin kuin katodireaktio.

Tällöin katodilla tapahtuu voimakas polarisoituminen ja korroosiopotentiaali lähenee anodireaktiota vastaavaa

potentiaalia. Anodisesti rajoitetussa korroosioreaktiossa taas korroosiopotentiaali lähenee katodireaktiota

vastaavaa potentiaalia. Korroosioreaktio voi olla myös sekarajoitettu tai vastusrajoitettu. Tällöin polari­

soitumista ei tapahdu vaan korroosiovirran voimakkuuden määrää lähinnä elektrolyytin vastus /2/.

(18)

tforr ees/o у/r fo —* —■“

KotodteesU Anodfsestl Sehe- Voetus-

rojoitettu rajoitettu ryfortettu rajoitettu

Kuva 2 Eri tavoin rajoitetut korroosiotapaukset /2/.

Polarisaatiomittausten tuloksena saadaan polarisaatio- käyrät. Potentiostaatilla ja galvanostaatilla voidaan kuvata, mitä elektrodeilla tapahtuu vakiopotentiaalissa ja vakiollisen virran olosuhteissa. Kuvassa 3 /9/

esitetään aktiivi-passiivimetallin potentiostaattinen anodinen polarisaatiokäyrä. Kun virta ylittää kriittisen arvon (i ), polarisoituminen aiheuttaa siirtymisen

aktiivialueelta passiivialueelle, jossa korrooslovirta pysyy hyvin pienenä /9/.

Korroosionopeuksia ilmaistaan mm. painehäviönä pinta alayksikköä ja aikayksikköä kohti tai tunkeumasyvyytenä aikayksikössä /9/.

(19)

2.4

Korroosiotekniikka Yleistä

Korroosiota voidaan estää vaikuttamalla korroosiorekati oiden edellytyksenä oleviin ilmiöihin :

vaikuttamalla elektrolyyttiin

anodi- tai katodiosareaktioihin - katkaisemalla anodi- ja katodikohdan välinen

sähköinen kosketus eristävillä materiaaleilla tai vastusta suurentavilla pinnoitteilla

tasoittamalla potentiaalieroja materiaalin- valinnalla, pinnoitteilla tai sähköisellä suojauksella joko anodisesti tai katodisesti /11 , 15/.

(20)

Termodynaamisia funktioita apuna käyttäen voidaan metal­

leille piirtää teoreettinen pH-potentiaalidiagrammi.

Kuva 4: Pourbaix-diagrammi raudalle vesiliuoksessa /2/.

Kuva 4.

Pourbaix’n pH-potentiaali- piirros raudalle. Suurella korroosioalueella (vasemmal­

la) rauta liukenee positii­

visina ioneina, pienen kor­

roosioko Imion alueella (oi­

kealla) negatiivisina ionei­

na. Passiivisuus- ja immuu- nisuusalueilla rauta ei syövy.

(M. Pourbaix: Thermodyna­

mics of Dilute Aqueous Solutions, Edward Arnold

& Co, London 1949, s. 91)

1000

PASSIIVISUUS

KORROOSIO

-500 KORROOSIO

IMMUUNISUUS -1OO0

Suurella korroosioalueella rauta liukenee positiivisina ioneina ja pienen korroosiokoImion alueella negatiivisina ioneina. Passiivisuusalueella raudan pintaan muodostuu oksidikalvo ja liukeneminen hidastuu. Immuunisuusalueella metallin pinnalla kehittyy vetyä ja metalli suojautuu

katodisesti /11/.

Kuvion perusteella rauta saadaan pois korroosioalueelta kolmella eri tavalla:

potentiaali tehdään positiivisemmaksi, jolloin metalli passivoituu

korroosioympäristö tehdään emaksisemmäksi, jolloin metalli myös passivoituu

potentiaali teh tään negatiivisemmaksi, jolloin metalli siirtyy immuunille alueelle ja korroosio on termodynaamisista syistä mahdoton /11/.

(21)

Kalkkiruostesuoj ateoria

Vedessä oleva hiilidioksidi voi olla joko vapaana tai sidottuna bikarbonaattiin tai karbonaattiin. Sidottu hiilidioksidi on karbonaattiin kuuluvaa hiilidioksidia

ja puoleksi sidottu bikarbonaatin hajaantuessa poistuvaa hiilidioksidia. Näiden määrät ovat yhtäsuuria ja puolet bikarbonaatissa olevasta hiilidioksidista, sillä reaktio voidaan kirjoittaa

co32~ + co2 + h2o 2 hco3

Massavaikutuslain mukaan saadaan yhtälön tasapainovakio seuraavasti :

[HCO j2

k = ----ó--- [co3 nco2][H2o]

Laimeissa liuoksissa [H20] on likimain vakio. Sen vuoksi voidaan merkitä k • [H^ 0] = K

[HCO 2~]

к = - - - - 2"i- - - -

[C03¿ ][C02]

Yhtälön mukaan tiettyä bikarbonaattipiloisuutta vastaa tietty vapaa hiilidioksidimäärä. Tätä bikarbonaatin

kanssa tasapainossa olevaa vapaata hiilidioksidia kutsutaan suojatuksi hiilidioksidiksi. luu osa vapaasta hiilidioksi­

dista on aggressiivista. Jos vedessä on vapaata hiili­

dioksidia vähemmän kuin suojattu hiilidioksidimäärä, hajaantuu bikarbonaattia niin paljon, että tasapaino hiilidioksidimäärän kanssa saavutetaan.

(22)

20

Jos taas vapaata hiilidioksidia on yli suojatun määrän . ja kalkkia on läsnä, liukenee sitä veteen, kunnes tasa­

paino saavutetaan /5/.

Jos vedessä on vapaata hiilidioksidia vähemmän kuin

suojattu hiilidioksidimäärä, hajaantuu bikarbonaattia niin paljon, että tasapaino hiilidioksidimäärän kanssa saavu­

tetaan. Jos taas vedessä on aggressiivista hiilidioksidia eli hiilidioksidia on yli suojatun määrän ja vesi on

kosketuksissa karbonaatin kanssa, veteen pyrkii liukene­

maan bikarbonaatteja, kunnes tasapaino saavutetaan /5/.

Vedessä oleva hiilidioksidi jakaantuu siis seuraavasti.

KOKONAIS C02

Sidottu C02 Osaksi sidottu C02 Vapaa C02 (karbonaatit) (bikarbonaatit)

co3 hco3 ____________________

Suojattu Aggressiivinen

co2 co2

/19/

Veden sanotaan olevan kalkki-hiilihappotasapainossa, kun se ei sisällä aggressiivista hiilidioksidia. Hiili

dioksidin ja karbonaattien pitoisuudet tasapainotilanteessa riippuvat veden pH:sta ja lämpötilasta. Kun vesi on

kalkkihiilihappotasapainossa, se ei syövytä karbonaatteja eikä aiheuta saostumia. Pienikin pH:n nosto aiheuttaa karbonaatin saostumisen ja pieni lasku jo mahdollisesti syntyneen sakan liukenemisen /19, 7/.

(23)

üuoiottu hiilihappo ldrop4=_

i I IЛ i ■ ■ Д < t

, . l._

t ■'г.-

су :

100 : ■_________ ;

I Sidottu ÇOÏ тфА|

AI Stalin itketti n/l HCl rnl/r- ttYt 300 г

Г--1- -

Sikerboficottikovuus *dH.

Kuva 5. Tillmans in käyrä suojatun hiilihapon määrittämi­

seksi veden lämpötiloissa 5, 10 ja 15 °C sekä kalkki-hiilihappotasapainoa vastaava pH-käyrä /5/.

Kuvaan on merkitty sidotun CC^ : n määrän lisäksi myös vastaavat arvot alkaliniteetille, bikarbonaattimääri1le ja bikarbonaattikovuudelie saksalaisina asteina. Yhtälö suojatulle CCU : He on:

(24)

22

vapaa suojattu CO^ = k • CaO • (sidottu CC^) 2

missä k on lämpötilasta riippuva kerroin. Käyrät pätevät ankarassa mielessä vain puhtaaseen kalsiumbikarbonaatti- liuokseen nähden, mutta niitä voidaan riittävän tarkkoina käyttää vesijohtotekniikassa normaalisti esiintyvissä tapauksissa.

Langelierin indeksin avulla voidaan määritellä, onko vesi kalkkitasapainossa vai ei /4/.

(Alkoi initcctti) m-orvo. mvol/l

O* O"

rxUV IIVVHJT » « , , и

1) Veden suoioptoisuus jo lompotila entävät pisteen (1) -SKoalclla 2) scotu ф -skaa'jn piste ja veden Ca- pitoisuus skoo'ollo (¿i

Co-pitoisuus. mg Ca/I

3) saatu piste Ф ja veden j /m arvo skaalalla @ antavat pHs-arvon skoola'lo iS) / /

4) veden mitattu pH-pHs = / ikyi'ostysmaeksi

5) kun kyllostysindeksi on / /negatiivinen ,on vesi korrodoivaa . . . f ' positiivinen, muodostuu saostumaa

■Apulinjo

Kuva 6. Langelierin indeksi

(25)

Kalkkiruostesuojåkerros on korroosiota vähentävä suoja-1 kerros, joka syntyy rautaputken pinnalle ja estää

korroosion. Kun putken pinnalla tapahtuva korroosio nostaa veden pH—arvoa, alkaa kalkkitasapainossa olevan veden kalsiumkarbonaatti saostua. Syntyy tiivis kalsium- karbonaattia ja rautaa sisältävä yhdiste, joka estää

korroosion jatkumisen.

Jotta kalkkiruostesuojakerros voisi syntyä, tulee veden täyttää kaikki seuraava ehdot:

1

2

3

4

(5

Vesi ei saa sisältää aggressiivista hiilihappoa eli veden pH:n tulee olla lähellä kalkkitasapainoa Kovuuden tulee olla vähintään 2-4 dH

Alkaliniteetin tulee olla vähintään 0,6 - 1,0 mval/1

Vesi ei saa sisältää runsaasti klorideja tai sulfaatteja

Veden happipitoisuuden tulee olla vähintään 6 mg/l ja virtausnopeuden vähintään 0,5 m/s hapen saannin

turvaamiseksi) 13/

Yleensä Suomessa veden kokonaiskovuus ei riitä suojakerrok­

sen muodostumiseen, vaan vedenkäsittelyssä joudutaan neutraloimaan kaikki hiilihappo /20/.

(26)

24

3

VEDEN KÄSITTELY KORROOSION VÄHENTÄMISEKSI

3.1

Syövyttävän veden ominaisuuksia

Jotta korroosiota voisi tapahtua, tulee vedessä olla happea. Tarvittava määrä on kuitenkin niin pieni, että happea on vesijohtovedessä aina riittävästi. Tarpeeksi tehokasta hapenpoistoa ei ole taloudellisesti eikä

nautittavuussyistä mahdollista järjestää.

Kloridi- ja sulfaatti-ioneja pidetään korroosiota lisää- 2 + -

vinä tekijöinä. Ekvivalenttisunteen (SO^ + Cl )/alka- liniteetti arvon avulla voidaan arvioida veden syövyttä- vyyttä. Jos suhde on alle 0,2 ei kloridien ja sulfaat­

tien vaikutus ole korroosion kannalta merkittävä.

Laskettaessa suhdetta saadaan sulfaatin ekvivalenttimäärä jakamalla sen pitoisuus (mg/1) luvulla 48 ja kloridin luvulla 35 111.

Veden syövyitävyys lisääntyy huomattavasti pH-arvon ale­

tessa ja vapaan hiilidioksidimäärän kasvaessa. Esimerkiksi kuparin yleiskorroosiota tapahtuu, kun

pH <6,7

vapaa CC^ >15 mg/l

alkaliniteetti <1 mval/1 /7/

Puskuroinnin voimakkuuden vaikutuksesta syövyitävyyteen on todettu, että sen alittaessa arvon 0,5 mval/1/pH-yksikkö syövyttävyys lisääntyy huomattavasti /4/.

Voimakkaat veden laadun vaihtelut lisäävät korroosiota.

Korroosioneston kannalta olisi tärkeää saada erityisesti pH:n vaihtelut pysymään pieninä /13/.

(27)

Honet edellä luetelluista tekijöistä ovat sellaisia, jotka vaikuttavat negatiivisesti kalkkiruostesuojakerroksen

syntyyn. Kalkkiruostesuojateoriaa. on selvitetty edelli­

sessä luvussa.

Suomen itsenäisyyden juhlavuoden 1 967 rahaston (SITRA) vuosina 1977-79 teettämässä tutkimuksessa ’Korroosio vesilaitok­

silla, vesijohtoverkossa ja kiinteistöjen käyttövesilait­

teissa' todetaan, että vesijohtovesi on syövyttävää, mikäli se ei täytä seuraavia ehtoja:

pH

alkaliniteetti kloridit

sulfaatit KMnO^-kulutus

Ai Fe Mn

> 8,3

> 0,6 mval/1

< 50 mg/l

< 100 mg/l

< 20 mg/l

< 0,3 mg/l

) pitoisuuksien tulee täyttää

) lääkintöhallituksen talousvedelle ) määrittämät alemmat raja-arvot

Kun pH-arvo on alle 8.3, vesi saattaa sisältää vapaata hiilidioksidia, joka lisää syövyttävyyttä. Happamuuden tulisi myös olla mahdollisimman tasainen, sillä tutkimuk­

sessa havaittiin sekä lepopotentiaalimittauksin että painohäviönäytteillä nopeaa ja paikallista syöpymää sellaisissa näytepaikoissa, joissa pH vaihteli /13/.

(28)

26

3.2

Eri käsittelymenetelmiä

Keski-Euroopan vesilaitoksilla on vähentämiseksi pyritty saattamaan hiilihappotasapainoon siten, että hintään 2 - 2,5 °dH. Tämä vastaa 0,9 mval/1.

veden syövyitävyyden käsitelty vesi kalkki- kokona is kovuus on vä- alkaliniteettia 0,7 -

Suomessa on joillakin vesilaitoksilla (Savonlinna, Tampere, Kuopio) ryhdytty keinotekoisesti lisäämään

vesijohtoveden kovuutta. Pyrkimyksenä on saavuttaa alka­

lini teet in arvo 0,7 mval/1 ja pH-arvo 8,3. Kalkilla kyseiseen happamuuteen neutraloitaessa saavutetaan myös SITRAn tutkimuksessa suositeltu kokonaiskovuuden arvo 3-4 °dH.

Ruotsin vesilaitoksista oli käytettävissä tiedot seitsemästä veden kovuutta keinotekoisesti nostavasta vesilaitoksesta.

Näillä laitoksilla käytetään yleensä alkaliniteetin arvoja 0,6 - 0,9 mval/1 ja pH-arvoja 7,6 - 8,8. Painopiste on 0,6 - 0,7 mval/1 ja pH 7,7 - 7,9.

Tässä työssä tarkastellaan veden alkaliniteetin nostamista kahdella eri menetelmällä. Toinen perustuu hiilidioksidin ja kalkin ja toinen soodan syöttöön. Edellisessä tapauk­

sessa voidaan suoraan vaikuttaa veden bikarbonaatt i- pitoisuuteen. Soodaa käytettäessä joudutaan sen sijaan syöttämään veteen joko rikkihappoa tai ylimäärin alumiini- sulfaattia .

Hiilidioksidia ja kalkkia käytettäessä reaktiot ovat seuraavat :

A12(S04)3 + 3 Ca(OH)2 X 2 A1(0H)3 + 3 CaS04 2 C02 + Ca(OH)2 X Ca(HC03)2

(29)

Tässä tapauksessa alumiinisulfaatin syöttömäärä määräytyy KMnO^-kulutuksen mukaan.

Soodaa ja alumiinisulfaatin ylisyöttöä käytettäessä reaktiot ovat:

A12(S04)3 + 3 Na2 C03 + 3 H20 X 2 A1(0H)3 + 3 Na2 С0Ц + 3 C02

2 C02 + Ca(0H)2 X Ca(HC03)2

Mikäli alumiinisulfaatin ylisyötön sijasta käytetään rikki­

happoa, ovat reaktiot :

A12(S04)3 + 3 Na2 C03 + 3 H20 X 2 AI(OH)3 + 3 Na2 50ц + 3 C0?

H2S04 + Na2C03 X Ma2S04 + rh.O + C02

2 C02 + Ca(0H)2 t Ca(HC03)2

Ruotsissa on Chalmers in teknillisessä korkeakoulussa tutkittu pehmeiden pintavesien kovuuden nostoa hiilidi­

oksidia ja kalsiumkarbonaattia käyttämällä. Tutkimuksessa on pääpaino ollut kemiallisen puhdistusprosessin opti­

moimisessa ja sen tuloksista lienee merkittävästi hyötyä kovuuden noston teknistä toteutusta suunniteltaessa /1/.

(30)

28

4

VEDENKÄSITTELYKOKEET KOELAITOKSI .LA

4.1

Tavoitteet

Vedenkäsittelykokeiden tavoitteet pyrittiin asettamaan siten, että voitaisiin mahdollisimman hyvin vertailla eri käsittelyvaihtoehtoja sekä korroosioneston että kustan­

nusten kannalta. Käsittelykokeet olivat normaalin proses­

sin kaltaisia kuitenkin niin, että vettä ei desinfioitu.

Päijänteen veden luonnollinen alkaliniteetti on 0,2 mval/1.

Alin alkaliniteetin noston tavoitearvo määräytyi vähimmäis- kemikaloinnin perusteella. Vähimmäiskemikaloinnissa

alumiinisulfaatin syötön määrää KMn04~kulutus. Soodan

menekin määrää alumiinisulfaattiannostuksen lisäksi haluttu saostus-pH ja kalkin menekin haluttu loppu-pH. Hiili­

dioksidia ja kalkkia käytettäessä määräytyy hiilidioksi­

din syöttömäärä siten, että pyritään samaan alkalini- teettiin kuin saavutetaan soodaa syöttämällä. Kalkin syötön määrää haluttu pH-arvo. Vähimmäiskemikaloinnilla saavutettavaksi alkaliniteetiksi laskettiin teoreetti­

sesti 0,42 mval/1.

Tutkimuksen pääpaino haluttiin kuitenkin kohdistaa SITRAn teettämän tutkimuksen suosittelemaan alkaliniteetin

arvoon el. 0,6 mval/1 /13/. Kolmanneksi tutkittavaksi arvoksi valittiin keskieurooppalaisen suosituksen mukaan 0,8 mval/1.

Tavoitteena oli myös seurata kemikaalien syöttömääriä ja vertailla niitä teoreettisesti laskettuihin määriin.

Ennakolta oltiin erityisen kiinnostuneita hiilidoksidin hukkaprosentista.

(31)

Edellisessä luvussa esitettiin reaktioyhtälöt alkalini- teetin nostolle. Koe laitoskokeis sa ei käytetty rikki­

hapon syöttöä soodan menekin lisäämiseksi vaan

rajoituttiin alumiinisulfaatin ylisyöttöön. Seuraavissa taulukoissa on teoreettiset kemikaalimenekit, kun raaka­

veden alkaliniteetti on 0,2 mval/1 ja hiilidioksidi­

pitoisuus 2,0 mg/l. Kemikaa1imäärät ilmaistaan käyttäen laatuna mg/l. Hiilidioksidin häviöksi oletetaan 10 %.

Taulukko 1 : Teoreettiset kemikaalimenekit hiilidi­

oksidia käytettäessä

alkaliniteetti ai2(so4)3-14 h2o co2 CaO

0,4 45 7,7 17,5

0,6 45 17,4 23,7

0,8 45 27,0 29,8

Taulukko 2 : Teoreettiset kemikaalimenekit soodaa käytettäessä

alkaliniteetti ai2(so4)3-14 h2o Na2C03 CaO

0,4 45 23,9 6,3

O œ 70,9 37,6 11,2

0,8 110,9 58,8 16,8

(32)

30

4.2

Prosessien toteutus

Vedenkäsittelykokeet toteutettiin koelaitoksen kahta linjaa hyväksi käyttäen. Toiselle linjalle asennettiin hiili­

dioksidin syöttölaitteisto. Toisella linjalla soodan syöttö tapahtui olemassa olevaa laitteistoa käyttäen.

Virtaama oli 100 l/h.

Hiilidioksidi syötettiin kaasuna rotametrin kautta toi­

sella linjalla olevaan otsonointitorniin. Tämä sijaitsee aivan linjan alkupäässä. Otsonointitornista vesi menee kahteen pikasekoitusaltaaseen, joista ensimmäiseen syötet­

tiin alumiinisulfaatti ja toiseen alkukalkki. Toisella linjalla syötettiin ensimmäiseen pikasekoitusaltaaseen alumiinisulfaatti ja toiseen sooda. Kemikaalien syöttö määräytyi siten, että saostus-pH pyrittiin saamaan arvoon 6,0.

Flokkauksen, selkeytyksen ja suodatuksen jälkeen vesi meni jälkialkalointiin, jossa sen pH nostettiin kalkilla arvoon 8,3. Jälkikemikaloinnin jälkeen vesi meni puhdasvesial- taaseen, jossa sen viipymä oli noin 1,5 h. Puhdasvesi- altaasta vesi joko laskettiin viemäriin tai otettiin talteen korroosiokokeita varten.

(33)

Kuvassa 7 esitetään koelaitoksen prosessikaavio.

LINJA 1 Alum.sulf.

Suodatus Selkeytys

Flokkaus

Pikasekoitus

vesi-

Jälkikemikalointi Puhdas- vesi­

allas LINJA 2

Alum.sulf.

Sooda Flokkaus Selkeytys Suodatus

Pikasekoitus

Raaka-

_j Jälkikemikalointi allas

Puhdas- Г*“1 allas

Kuva 7: Vesilaitoksen prosessikaavio

Kukin koelaitosajo suoritettiin työviikon aikana. Maanan­

taina noudettiin ensimmäinen vesikuorma Asikkalan Pulkkilan- harjulta ja varsinainen ajo käynnistettiin tiistaiaamuna.

Yhdellä linjalla ajettaessa noudettiin vettä toisen kerran keskiviikkona, mutta molempien linjojen ollessa käytössä oli vettä noudettava maanantaista torstaihin joka päivä.

Vedenpuhdistusprosessi tasaantui yleensä siten, että vettä voitiin ottaa talteen torstai-iltapäivän ja perjantai

iltapäivän välisenä aikana. Koelaitosajoja ajettiin tammikuu:

(34)

32

je maaliskuun välisenä aikana noin joka toinen viikko, -sillä väliviikot oli varattu korroosiokokeiden aloittamiselle

ja myös koelaitoksen muuta käyttöä varten.

Alumiinisulfaatti- ja soodaliuokset tehtiin väkevyydeltään sellaisiksi, että annostelupumppuja voitiin käyttää optimi- kapasiteetin alueella. Kalkkivesi johdettiin suoraan

Pitkäkosken vedenpuhdistus laitokselta koelaitoksen säiliöön, josta se syötettiin mittauslaitteiden kautta prosessiin.

Kemikaalien syöttöä tarkkailtiin 1 - 2 kertaa päivän aikana mittaamalla syötetyn liuoksen määrä aikayksikössä.

Muita kerran tai useammin päivän aikana tarkkailtuja omi naisuuksia olivat lämpötilat eri prosessin vaiheissa, saostus-pH, loppu-pH ja lopullinen alkaliniteetti. Hiili­

dioksidin syöttöä tarkkailtiin rotametrin näyttämää seu­

raamalla useita kertoja päivässä.

Koelaitosajojen aikana pidettiin käyttöpäiväkinjaa, johon merkittiin eri mittaus- ja analyysitulokset, kemikaalien

syötöt, mahdolliset häiriöt prosessissa ja muut tulosten käsittelyyn vaikuttavat tekijät.

4.3

Saavutetut tulokset

Vedenkäsittelykokeiden tulokset vastasivat pääosiltaan asetettuja tavoitteita. Molemmilla kemikalointivaihtoeh- doilla saatiin aikaan halutut aikaiinitееtin muutokset.

Teoreettiset kemikaalimenekit eivät vastanneet täysin todellisia, vaan CC>2 :a katosi prosessista alkuperäistä oletusta enemmän. Tämä kato koski sekä kaasuna syötel^yä että soodasta vapautunutta C02:u. Soodaa käytettäessä

tarvittiin alumiinisulfaattia arvioitua enemmän. 0,8 mv a1/1 alkaliniteettia kokeiltaessa jouduttiin alumiinisulfaattia syöttämään noin 1,5-kertainen määrä teoreettiseen menekkiin verrattuna. Kalkin syöttö jäi yleensä teoreettisesti

(35)

laskettua pienemmäksi. Taulukossa 3 on yhteenveto ei i käsittelykokeiden tuloksista. Taulukoissa 4 ja 5 taas vertaillaan teoreettisia ja todellisia kemikaalimenekkejä.

Taulukko 3: Yhteenveto käsittelykokeiden tuloksista

глазка vesi -alkaliniteetti

-CÛ2

pH

-saostuksessa -lopussa

lämpötila °C -raakavesi -puhdas vesi alkukemikaloin t i -alum, suli.

-sooda

-CO2

-alkukalkki

j älkikemikalo int i -jälkikalkki alkaliniteetti

0,4 sooda 0,4 C02 0,6 sooda 0,6 C02 0,8 sooda 0,8 C02

0,22

11 1

! 0,18

11 1

0,22

11 1

1 0,20

11 1

! 0,20

11

! °>20 2,5 ¡ 2,0

1

! 1,2

1

! 2,0 1

! 2,0 1

! 2,0 1

5,9

1

! 6,1

1

¡ 6,05

1

! 6,05 ! 5,95 ¡ 5,8

8,2 ! 8,3

1 S 8,35

1

! 8,5

1

! 8,8

1

! 8,5

1

5,0

1

1 2,3

1

! б,з

1

! 2,8

1

¡ 2,3 ! 2,6

7,0 ¡ 8,0 1

¡ 9,1 1

! 7,2 1

¡ 6,5

1

¡ 6,8

1

45,0

1

! 46,0 ! 73,2

1

¡42,9

1

¡160,0 ¡46,0

25,3 1 ¡ 46,2 1 ¡68,0 1

¡ 10,2 1 ¡18,8 1 1 33,0

! 14,0

1

11 1

¡ 9,6

1

11 1

¡11,1

1

6,0

1

! 6,6

1

! 10,7

1

¡11,4

1

¡15,0

1

¡15,7

1

11

1OItriHOI

1___1

1_2а41_„

__l__0^60____ _j_0_l60___ __[_0a80____ _J__0_j83___ ___1

Taulukko 4 : Teoreettiset ja todelliset kemikaali- menekit hiilidioksidia käytettäessä

¡alkalini- iteetti

" T “ 11 1

ai2(so4)3 teor. ! tod.

11 11

¡0,4

” T “ 11

1 45,0 46,0

“T1 11

¡0,6 1

1 45,0 42,9 1 11

¡0,8 1

1 45,0 46,0 11

C02C03 ¡ CaO

teor. 1 tod. ¡ teor. i toçL 7,7 10,2 I 17,5 i

ii 20,6 17,4 18,8 ¡ 23,7 11 21 ,0 27,0 33,0 29,8 1

1 26,8

(36)

34

Taulukko 5 : Teoreettiset ja todelliset kemikaali menekit soodaa käytettäessä

alkalini- ! ai2(so4 ^ 3 I Na2C03 1 11 CaO

teetti i tod.

“i--- teor.

1

i 1

tod. i --1-i

teor. itod. i 1 1 0,4 ! 45,0 ! 45,0 1 23,9 i

i 25,3 i

i 6,3 1 6,0 j O CT i 70,9 ¡ 73,2 1 37,6 i

i 46,2 1

1 11 ,2 ! io,7 ! i i 0,8 ! 110,9 ! 160,0 ! 58,8 1

1.1 68,0 i . l.i

16,8 ! 15,0 ;

Hiilidioksidin häviämisen voidaan osittain selittää joh­

tuvan suhteellisen pitkästä viipymästä syöttökohdan ja kaasun lopullisen sitomisen välillä. Tämä viipymä oli koelaitoksella noin 16 h. Sen sijaan varsinaista lämpö­

tilariippuvuutta ei CC>2 : n häviämisellä havaittu tai ainakaan se ei ollut yhtä merkittävä.

Kokeissa käsitellyistä vesistä samoin kuin raakavedestä

ja nykyisestä johtovedestä tehtiin myös laajemmat analyysit.

Niiden tulokset esitetään taulukossa 6.

Taulukko 6: Vesianalyysitulokset

iri

!

-r---г

ipil Altai. I C1 Г---

¡ KHnOit-

kulucus 1--- r

¡ Al ¡

• .

_ ¡ „ ¡ Kokonais-» Jolito- Fe , Mn j kovuus | куку

1-

Väri ¡ Sameus

1-__ C02 !

¡ RAAKAVESI

i 1 1 1

1 1

i 1

f

i 7ä 0,22 ¡ 5,5 ¡ 10,3 33 0,05 ¡ 0,005 ¡ 1,2 ¡ s»4 25 ¡ 0,30 0,0 2,5 ¡

in 11.3.61 ! 7,0 0,20 ¡ 5,0 ¡ 8,9 19 0,11 ¡ 0,008 ¡ 1,8 ! 6,0 15 ¡ 0,35 0,0 2,0 »

¡JOtfTCVESI i7,9 а,ы> í 15,0 1 44,9 8,9 ! °*2o¡ 0,03 ¡ 0,050 ¡ 4,8 ¡ 21,2 3 ¡ 0,50 0,34 0,7 ¡

¡3,4 SOClA i 8,2 0,40 ¡

5,5 ¡ 37,0

9,8 ¡ 0,15¡ 0,003 ¡ 0,003 ¡ 1,7 í 14,1

3 ¡ 0,55 0,00 0 ¡

¡0,0 SOODA ! 8,2 с,ьо ¡ Ь ,5 ¡50,2 8,9 ¡ 0,04¡ 0,000 ¡ 0,000 ¡ 2,2 ¡ 20,8 4 ¡ 0,10 0,02 0 ¡

¡0,8 SOCDA ! 8,8 0,80 ¡ 5,0 ¡71,2 9,9 ! 0,19¡ 0,002 ¡ 0,000 ! 2,9 ¡ 23,6 2 10,25 0,00 0 ¡

¡0,4 co2 ! 7,3 0,41 ¡ 5,5 4b ,0 10,7 ¡ 0,08¡ <0,001 ¡ 0,003 ¡ 3,2 ¡ 13,7 2 ¡ 0,50 0,00 0,4 ¡

|C,b co2 ¡ 8,5 0,b0 ¡ 7,5 ¡31,ú 10,6 ¡ 0,08¡ 0,005 ¡ 0,002 ¡ 2,9 ¡ 12,9 2 ¡ 0,15 0,03 0 1

¡0,8 CO2 ¡ 8,b 0,63 ¡ 5,0 ¡53,5 11,4

i

°>1l,¡ 0,001¡ i 0,001¡ 1 3,9 ¡ 16,0 2 ¡ 0,20 0,00 0 1

(37)

Koelaitoskokeissa saatuja tuloksia oli tarkoitus varmistaa täysimittaisilla alkaliniteetin nostokokeilla Pitkäkosken vedenpuhdistuslaitoksella. Kokeen suorittaminen suunni­

tellussa laajuudessa osoittautui kuitenkin mahdottomaksi.

Hiilidioksidin syötöstä todettiin kuitenkin, että

täysimittakaavaprosessissa hiilidioksidin hukka oli noin 10 %, kun alkaliniteettia nostettiin 0,3 mval/1 ja hiilidi­

oksidia syötettiin kaasuna raakavesiputkeen.

Eri kemikalointitapoje n ja alkaliniteettivaihtoehtojen kustannuksia vertailtaessa otettiin mukaan myös kloorin, natriumkloriitin ja vesilasin syötöstä aiheutuvat kemikaali- kustannukset. Kloorin syötöksi laskettiin 3 g/m", 3

natriumkloriitin 0,5 g/m ja vesilasin 6,0 g/m . Kustannus­

vertailu esitetään taulukossa 7.

Taulukko 7 : Eri alkaliniteettivaihtOQhtojen ]a 3

kemikalointitapojen kustannukset (p/m )

1 °» 4 i

i 0,6 i

i 0,8

! Sooda¡

¡ ~ 1

co2

ii -L.1

Sooda j C02 i .i.i

i

Sooda ¡ --- r

C02 Alumiinisulf. ! 2,80 2,86 1

11 4,39 i 2,67 i

ii 9,60 ! 2,86

Sooda ! 2,28 ¡ 1

1 4,16 ¡ i

i 6,12 ¡ Hiilidioksidi i i

i i

i i 1,12 1

11 ¡ 2,07 i ii

11

1 3,63 Kalkki ¡ 0,23 j 0,79 11 0,41 ¡ 0,80 i

i 0,57 ¡ 1 ,02

Kloori i i

i 0,62 0,62 1

11 0,62 ! 0,62 i

ii 0,62 ¡ 0,62 Natriumkloriitti j 0,57 0,57 11 0,57 ¡ 0,57 i

i 0,57 ¡ 0,57 Vesilasi ¡0,46 0,46 1

1 0,46 ¡ 0,46 i

i 0,46 ¡ 0,46 -- 1-- 1 T"--- 1 --- "T"---

Yhteensä j 0,96 j

i i

6,42 1 11

10,61 ¡ 7,19 i

11 1

17,94 ¡ i

9,16

(38)

36

Käsittely soodalla oli kaikilla alkaliniteetin arvoilla kalliimpaa kuin käsittely hiilidioksidilla. 0,4 mval/1

3

alkaliniteetilla ero oli vain 0,54 p/m , mutta ero kasvoa alkaliniteetin noustessa siten, että alkaliniteetin

ollessa 0,6 mval/1 se oli 3,42 p/m3 ja 0,8 mval/1:11a 8,78 p/m3. Toisin sanoen hiilidioksidilla käsittelyn kustannukset olivat vastaavilla alkaliniteetin arvoilla 92 %, 68 % ja 51 % soodalla käsittelyn kustannuksista.

5

KORROOSIOKOKEET 5.1

Yleistä

Tutkimuksen tarkoituksena oli vedenkäsittelykokeiden

lisäksi tutkia eri tavoin käsiteltyjen vesien syövyttävyyttä.

Tämä toteutettiin kolmea eri menetelmää - painohäviö- kokeita, polarisaatiokäyriä ja lepopotentiaalimittauksia käyttäen. Vaatimuksena menetelmiä valittaessa oli, että koeaikoj en tuli olla verrattain lyhyitä, koemenetelmien yksinkertaisia ja tulosten perusteella tuli voida tehdä johtopäätöksiä eri vesien mahdollisesti erilaisista syö- vyttävyysominaisuuksista.

Painonäviökokeet ovat yksinkertaisia suorittaa. Koekappa­

leet punnitaan ennen koetta ja kokeen jälkeen, kun ne on ensin puhdistettu korroosiotuotteista. Korroosionopeus lasketaan painonmenetyksestä pinta-alayksikköä kohden.

Haittana on, että metallipinta saattaa vahingoittua

korroosiotuotteitä poistettaessa ja tilastollinen luotet tavuus kärsii, mikäli rinnakkaisnäytteitä ei ole riittä­

västi. Mahdollinen korroosion epätasaisuus jää myös huo­

mioimatta .

(39)

Polarisaatiokäyrien ajamiseen päädyttiin, koska haluttiin selvittää näiden nopeasti toteutettavien kokeiden

vastaavuutta aina suhteellisen paljon aikaa vievien painohäviökokeiden kanssa. Lepopontetiaalimittauksia taas tarvittiin, jotta voitiin käyttää hyväksi polari- saatiokäyriä, sillä niistä saatiin selville, millä poten- tiaalialuee 11a käyttöolosuhteissa ollaan. Lepopontentiaalin seuraamista voidaan käyttää myös tutkittaessa suojakalvon muodostumista metallin pinnalle.

5.2

Painohäviökokeet

Painohäviökokeet tehtiin kaikilla asetettuja tavoitteiden mukaisiksi käsitellyillä vesillä sekä niiden lisäksi

Asikkalasta tuodulla raakavedellä ja nykyisellä johto- vedellä. Nämä kokeet tehtiin Pitkäkosken vedenpuhdistus- laitoksella. Vertailun vuoksi tehtiin painohäviökokeet myös AsikkalanseIän vedenottamolla Päijänne-tunneIin alkupäässä.

Kokeiden tarkoituksena oli seurata eri materiaalien korroo­

sionopeutta erilaisissa vesissä. lutkittavis ua materiaa­

leista valmistettiin koekappaleita, joiden mitat ovat :

kupari n. 105 X 105 X 1 mm valurauta n. 40 X 40 X 7 mm hiiliteräs n. 70 X 70 X 2 mm

Painohäviökokeet tehtiin upotuskokeina. Tutkittavat koe­

kappaleet upotettiin Pitkäkoskella 65 litran vetoisiin muovisaaveihin, joissa tutkittavaa vettä oli 50 1. saa­

veihin järjestettiin hidas sekoitus. Kuparikappaleet upotettiin omiin saaveihinsa erikseen valurauta- ja hiiliteräskappaleista. ¡\uvissa 8, 9 ja 10 on esitetty koejärjestelyjä Pitkäkoskei

(40)

38

Kuva 8 : Painohäviökokeisiin ja lepopotentiaalin mittauksiin käytetyt saavi, sekoitin ja koekappaleet. Painohäviökappaleet on ripustettu puurimoihin siimalla ja lepo- potentiaa1ikappaleet on kiinnitetty

kuvassa näkyviin johtimiin.

(41)

Kuva 9: Saavipari, jossa on samaa vettä.

Takana olevassa saavissa ovat valu­

rauta- ja hiiliteräskoekappaleet ja edessä olevassa saavissa kupari- kappaleet .

(42)

40

Kuva 10: Painohäviö- ja lepopotentiaalikokeita käynnissä.

Upotuskokeissa käytetty vesi oli otettu talteen vastaavan vedenkäsittelykokeen aikana. Varastointiasiioina käytet­

tiin 50 litran vetoisia polyeteenisäiliöitä, joita on kuvassa 11.

(43)

Kuva 11: Veden varastointiin käytettyjä säiliöitä.

Asikkalassa koekappaleet ripustettiin stryroxlauttoihin, jotka laskettiin pumppaamon altaaseen. Aikoina, jolloin vedenottamolta ei pumpattu vettä Päijänne-tunnelim, suljettiin altaan ja tunnelin väliset luukut pohjaveden altaaseen virtaamisen estämiseksi ja altaaseen järjestettiin hidas virtaus sähköpumppua käyttäen.

Koekappaleiden upotusajat olivat Pitkäkoskella kaksi, neljä, kahdeksan ja kaksitoista viikkoa. Asikkalassa upotusajat olivat neljä viikkoa, kolme, viisi ja noin kahdeksan kuukautta.

Kutakin tutkittavaa materiaalia ja upotusaikaa varten varattiin kolme rinnakkaisnäytettä. Kokeen jälkeen kah­

desta mitattiin painohäviö ja kolmas säästettiin valoku­

vausta ja mahdollisia myöhemmin suoritettavia tarkempia tutkimuksia (kuten elektronimikroskooppitutkimuksia) varten.

(44)

42

Kuvissa kokeiden

Kuva 12 :

2, 13 ja 14 on painohäviökoekappaleita upotus jälkeen.

Kuparikappaleitä painohäviökokeen jälkeen.

Käytetty vesi 0,6 C02.

Kuva 13 : Valurautakappaleita painohäviökokeen jälkeen. Sama vesi kuin edellä.

Viittaukset

LIITTYVÄT TIEDOSTOT

A decrease in the up-conversion efficiency in comparison to the bare nanoparticles appears most likely because of heating caused the corrosion of the nanocrystals or the change in

Figure 18: Zero charge state of the pulp and paper mill wastewater particles during 27-hour magnetic water treatment data with superfloc C-577 as a polymer titrant, first five

Water clarity was a significant parameter defining the thermal stratification of the lake: a change from clear to dark water would lead to shorter stratification period and lower

To compare the contributions of photo- chemical mineralization of DOC and planktonic respiration to the mineralization of organic carbon in the water column of Lake

alaDin atmospheric model-driven experiment: mean error and mean absolute error of the temperature fore- casts for siófok from 35 consecutive forecasts as a function of the modeled

– 1971-1998 Lieto &amp; Kaarina joint waterworks, and Turku fresh water reserve since then, official. – 1992-2006 Littoistenjärvi workgroup, which became in 2006

After 24 and 48 hours, the corrosion potential without plasma pre-treatment is noticeably more negative, very close to that of with only CrN coating (see Fig. The corrosion current

Korkea keskihajonta johtuu siitä, että jo 1 vuorokauden jälkeen osa rinnakkaistuloksista oli laskenut alle määritysrajan, kun taas kahdessa näytteessä pitoisuudet olivat

The possible sexual dimorphism in relative dry mass of soft parts was further analyzed separately for Lake Koijärvi and Lake Päijänne by including uninfected

Marttinen et al. Kaatopaikkaveden sisältämät suuret ammoniumtyppipitoisuudet voidaan poistaa ilmastrippauksella. Prosessissa pH:n tulee olla korkea, 10,5–11,5, jonne se

Hä- tähinaukseen kykenevien alusten ja niiden sijoituspaikkojen selvittämi- seksi tulee keskustella myös Itäme- ren ympärysvaltioiden merenkulku- viranomaisten kanssa.. ■

Jos valaisimet sijoitetaan hihnan yläpuolelle, ne eivät yleensä valaise kuljettimen alustaa riittävästi, jolloin esimerkiksi karisteen poisto hankaloituu.. Hihnan

Vuonna 1996 oli ONTIKAan kirjautunut Jyväskylässä sekä Jyväskylän maalaiskunnassa yhteensä 40 rakennuspaloa, joihin oli osallistunut 151 palo- ja pelastustoimen operatii-

Jätevesien ja käytettyjen prosessikylpyjen sisältämä syanidi voidaan hapettaa kemikaa- lien lisäksi myös esimerkiksi otsonilla.. Otsoni on vahva hapetin (ks. taulukko 11),

Helppokäyttöisyys on laitteen ominai- suus. Mikään todellinen ominaisuus ei synny tuotteeseen itsestään, vaan se pitää suunnitella ja testata. Käytännön projektityössä

Tornin värähtelyt ovat kasvaneet jäätyneessä tilanteessa sekä ominaistaajuudella että 1P- taajuudella erittäin voimakkaiksi 1P muutos aiheutunee roottorin massaepätasapainosta,

Identification of latent phase factors associated with active labor duration in low-risk nulliparous women with spontaneous contractions. Early or late bath during the first

Since both the beams have the same stiffness values, the deflection of HSS beam at room temperature is twice as that of mild steel beam (Figure 11).. With the rise of steel

Vaikka tuloksissa korostuivat inter- ventiot ja kätilöt synnytyspelon lievittä- misen keinoina, myös läheisten tarjo- amalla tuella oli suuri merkitys äideille. Erityisesti

On the other hand the reverse is true at the blooming stage. Both at the leaf and blooming stage the contents of crude protein, P and Ca, of the leaves are consider- ably higher

Esikäsittelyvaihetta seuraa primäärikäsittely, joka tarkoittaa veden selkeyttämistä. Selkeytyksen tavoitteena on edelleen erottaa vedestä kiintoainesta. Selkeytyksen

As the land in the area of the Kotajärvi thresh- old was rising faster than that in other parts of the lake basin, the water level in both the Saimaa and Päijänne systems rose in

Yritysten toimintaan liitettävinä hyötyinä on tutkimuksissa yleisimmin havaittu, että tilintarkastetun tilinpäätöksen vapaaehtoisesti valinneilla yrityksillä on alhaisemmat