Optimalisering av korrosjonskontroll –problemer og utfordringer Vannforsyningsdagene Bergen, 7-9. juni 2005 Optimalisering av korrosjonskontroll –problemer og utfordringer av Stein W. Østerhus SINTEF Teknologi og samfunn Vann og miljø Email: stein.w.osterhus@sintef.no telefon: 73 59 23 02

Oversikt Vannglassdosering for korrosjonskontroll Effekt av vannglassdosering på jernkorrosjon Resultater fra NFR-prosjekt Karbonatisering for korrosjonskontroll Generelt Effekter på jern Svensk – norske forskningsresultater Foreløpige resultater Oppsummering

Dosering av vannglass pH ~ 8.0 og 5 – 15 mg SiO2/L Strømningshastighet > 0.1 – 0.15 m/s Beskyttelse av kobber pH > 8.0 Beskyttelse av sementbaserte materialer Tilstrekkelig høy SiO2-konsentrasjon Beskyttelse av jern Tilstrekkelig høy SiO2-konsentrasjon og pH Oppløsning og kompleksbinding av korrosjonsprodukter Tilstrekkelig høy SiO2-konsentrasjon?

Korrosjons- hastighet pH SiO2 Ca I 6.4 11 3 II 7.2 III 7.6 12 IV 15 V 7.4 13 20 VI 6.7 VII VIII Korrosjonshastigheten var høy i alle forsøkene de 3 første månedene, men deretter er korrosjonshastighetene svært forskjellige. Silikat reduserer korrosjonshastigheten kraftig forutsatt at pH er tilstrekkelig høy (forsøk II og III i forhold til VII og VIII). Mye kalsium eliminerer effekten av silikat (forsøk V i forhold til III).

Groptæring pH SiO2 Ca I 6.4 11 3 II 7.2 III 7.6 12 IV 15 V 7.4 13 20 VI 6.7 VII VIII Mengden groptæring øker ved dosering av silikat hvis behandlingen ikke er optimal (forsøk nr I vs VI). Optimal silikatdosering reduserer mengden groptæring (forsøk nr II og III i forhold til nr VII og VIII). Silikat sammen med mye kalsium gir mye groptæring (forsøk nr V).

Jern- konsentrasjon pH SiO2 Ca I 6.4 11 3 II 7.2 III 7.6 12 IV 15 V 7.4 13 20 VI 6.7 VII VIII Silikatdosering øker jernkonsentrasjonen i utløpet (forsøk I, II og IV). Årsak: økt løselighet pga kompleksbinding med silikat. Unntak er forsøk nr III og V som har lav jernkonsentrasjon i utløpet. Årsak forsøk III: antagelig pga relativt lav korrosjonshastighet. Årsak forsøk V: silikat kompleksbindes til kalsium i stedet for til jern.

Optimalisering av vannglassdosering Silikat kompleksbinder jern, men effekten avtar over tid, og den avtar raskest ved lave silikatdoser. Natriumsilikat kan gi god beskyttelse av jern. pH må være relativt høy (> ca 7.5). Nødvendig silikatdose vil være avhengig av vannkvaliteten (fortsatt mange ubesvarte spørsmål). Kompakt belegg av jernsilikater og andre silikater dannes over eksisterende rustbelegg. Natriumsilikatdosering kan øke jernkorrosjon og groptæring. Ved lav pH (< ca 7.0). En ikke-optimal silikatdose (avhengig av vannkvaliteten). Ved for høye kalsiumkonsentrasjoner (avhengig av silikatdosen). Dosering til pH>8.0 gir god beskyttelse av kobber. God beskyttelse av sement ved ca 10 – 15 mg SiO2/L. Krever behandlingstid (når SiO2 ut av ledningen er lik SiO2 inn i ledningen kan dosen reduseres).

Karbonatisering Beskyttelse av kobber pH > 8.0 Beskyttelse av sementbaserte materialer Høy DFI (→1.0), pH > 8.0, alkalitet > 1.0 mmol/L, >20 mg Ca/L Beskyttelse av jern Svært komplekst. Manglende kunnskap. pH ~ 8.0, alkalitet ~ 1.0 mmol/L, ~ 20 mg Ca/L, strømningshastighet > 0.10 – 0.15 m/s. Høyere alkalitet og kalsium reduserer korrosjonshastigheten ytterligere. Noe lavere alkalitet og kalsium kan også fungere. Ved stagnante forhold/lav strømningshastighet bør pH være lav (7.0 – 7.5) ved lite humus i vannet. Med humus i vannet (TOC > ~2 mg/L) vil en høy pH (~8.5) også kunne fungere. Kalsium bør da være lav. Vanskelig å få optimale betingelser for alle forhold.

Jernkorrosjon -stagnant flow Vannkvalitet Jernkorrosjon -stagnant flow

Jernkorrosjon ved stagnant flow For ulike konsentrasjoner av humus i vannet Bløtt vann Karbonatisert vann

Svensk – norsk forskningssamarbeid Oppsummering av foreløpige resultater

Bakgrunn Tilsynelatende forskjeller i Svenske og Norske forskningsresultater på jernkorrosjon. Norsk forskning: fokus på korrosjonshastighet (nedbrytingshastighet) i strømmende vann. Svensk forskning: fokus på endring i jernkonsentrasjonen (pga korrosjon) i stagnant vann. “Forvirring” i markedet om ønsket vannkvalitet og forventet effekt ved korrosjonskontroll. Felles Svensk-Norsk forprosjekt. Oppsummere norsk og svensk forskningsaktivitet på innvendig korrosjon av jernbaserte rør (sammenstille data, påpeke likheter og forskjeller, kartlegge hull og manglende kunnskap, osv). Hovedprosjekt: ”Jernkorrosjon i drikkevannsledninger – Komplettering av norske og svenske forskningsresultater”.

Prosjektmål Å kunne dra nytte av norske FoU-resultater i strømmende vann, supplert med ytterligere målinger, for å kunne inkludere vannhastighet som parameter i den modellbyggingen som er et resultat av svensk FoU. Effekt av varierende strømningshastighet. Å kunne vurdere effekten av NOM på jernkorrosjon, og herunder forutsi hvordan ulike typer vannbehandling for reduksjon av NOM vil kunne påvirke korrosjonen. Effekt av NOM og metode for NOM-fjerning. Å kunne gi kvalifisert råd og veiledning til vannverkene mhp. optimal vannkvalitet mhp. jernkorrosjon, gitt vannverkenes ledningsnett og vannkvalitet for øvrig.

SEM - analyse Jernkorrosjon etter ett år. Prøve fra to ulike vannverk med følgende like betingelser : pH = 8.0 Alkalitet = 1.0 mmol/L Kalsium = 20 mg Ca/L Konstant vannhastighet på 0.2 m/s Det er andre parametere som også er svært viktig for korrosjonen.

Forsøksbetingelser Sted NOM- fjerning TOC pH alkalitet kalsium SiO2 mg/L mmol/L Gøteborg 1) Koag 2.3 7.9 0.9 18 2 Simrishamn 2) Ingen 1.5 7.6 4.6 119 11 Partille 1) O3+GAC 3.4 1.1 21 3 Mellerud 1) 3.7 8.2 1.2 19 Skullerud 1) 2.5 7.7 0.7 17 Hegra 1) Membran 0.6 Meråker 3) Ionebytte 0.3 10 Orkdal 3) 0.5 8.3 12 Karbonatisering for korrosjonskontroll. Grunnvann. Ingen korrosjonskontroll. Vannglassdosering for korrosjonskontroll.

Forsøksbetingelser Strømningshastigheter: Steder med kun en strømningsbetingelse (dvs konstant strømningshastighet på 0.2 m/s): Partille, Mellerud, Meråker og Orkdal. Steder med 4 forskjellige strømningsbetingelser: Gøteborg, Simrishamn, Skullerud og Hegra 4 forskjellige strømningsbetingelser: Högt flöde: konstant 0.2 m/s Lågt flöde: konstant 0.05 m/s Högt flöde/stagnation: 0.2 m/s i 14 timer og 0 m/s i 10 timer Högt flöde/ Lågt flöde: 0.2 m/s i 14 timer og 0.05 m/s i 10 timer

Resultat - eksempel Stagnante forhold: Relativt høye korrosjonshastigheter. Liten forskjell mellom forsøksbetingelsene. Lav flow: Generelt noe lavere korrosjonshastighet. Relativt god overensstemmelse med modell beregninger.

Resultater korrosjonshastighet Korrosjonsmåling: Korrosjonshastighet (mg/cm2 yr eller µm/yr) er helningen på kurven. Reduseres med økende eksponeringstid (0-x mnd). Riktig måling fra 6-12 mnd. Strømmende vann: Generelt noe lavere korrosjonshastighet. Stor forskjell mellom forsøksbetingelsene (vannverk + strømning).

Resultater 0 – 9 mnd eksponering Foreløpig resultat: Stagnasjon er uheldig. Ekstra høy DFI gir ingen ekstra effekt. NOM kan virke gunstig (Partille, Mellerud). MF er gunstig ved 0.2 m/s tross lav NOM. Vannglassdosering etter MF er svært gunstig ved 0.2 m/s. Forbehold: Resultatene er basert på 9 mnd akkumulert korrosjon. Høy flow Lav flow Høy flow / stagnasjon Høy flow / lav flow

Effekter -eksempel Effekt av DFI: DFI forklarer ikke resultatene. Andre mekanismer enn utfelling av CaCO3. Effekt av TOC: Tyder på at NOM har stor betydning. Høy TOC reduserer jernkorrosjonen. Andre parametere og samspillet mellom de har stor betydning.

Korrosjonshastighet (jern) sfa TOC Simrishamn Gøteborg Ulstadvatnet Meråker Partille Mellerud Skullerud Orkdal

Optimalisering ved karbonatisering pH > 8.0 gir god beskyttelse av kobber. God beskyttelse av sement ved pH > 8.0, alkalitet > 1.0 mmol/L, >20 mg Ca/L (DFI→1.0). Optimal beskyttelse av jern er svært kompleks og påvirkes av mange faktorer. Parametere som ser ut til å ha stor betydning: pH, alkalitet, kalsium og silikat. Vannhastighet og variasjoner i denne. NOM og muligens metode for NOM-fjerning. Samspillet mellom disse. Evt andre (klorid, sulfat, aluminium, osv?)

Hva er gunstig mhp jernkorrosjon? Høy pH, høy alkalitet, høyt kalsiuminnhold (men ekstra høy DFI er ikke spesielt gunstig). Optimal vannglassdosering (relativt høy pH og SiO2). Høy strømningshastighet (perioder med stagnasjon er spesielt uheldig). Relativt høyt NOM-innhold. Membranfiltrering (lavt NOM-innhold) og optimal korrosjonskontroll. Membranfiltrering og optimal vannglassdosering er svært gunstig. Resultatene er basert på 9 mnd akkumulert korrosjon. Analyser av korrosjonshastighet kan gi endringer i resultatene. Fortsatt mange ubesvarte spørsmål (flere resultater i løpet av sommeren).