SINTEF Tchnology and Society

Presentasjon om: "SINTEF Tchnology and Society"— Utskrift av presentasjonen:

1 SINTEF Tchnology and Society
Corrosion and Corrosion Control Stein W. Østerhus SINTEF Tchnology and Society Water and wastewater

2 Corrosive to most pipe material. Corrosion control required
Typical Norwegian drinkingwater The majority is surface water sources: Pristine and low conductivity Very soft and low in pH and carbonate High concentration of NOM Also some groundwater sources: Variable concentration of Ca, Fe and Mn Relatively low in pH and high in free CO2 Corrosive to most pipe material. Corrosion control required

3 Hva sier drikkevannsforskriften om korrosjonskontroll?
§13 : Materialer i transportsystem, internt fordelingsnett og vannbehandlingsanlegg med videre som direkte eller indirekte kommer i kontakt med vann i vannforsyningssystem, må ikke kunne avgi stoffer til vannet som kan medføre fare for helseskade eller som kan føre til en uakseptabel endring i vannets sammensetning, herunder en forringelse av vannets sensoriske egenskaper. Vannet skal ikke være korrosivt pH = Klorid  200 mg Cl- / liter Konduktivitet  250 mS / m ved 25 °C Sulfat  100 mg SO42- / liter

4 Forskriftens krav til responsparametre
Turbiditet Grenseverdi: 4 FNU hos abonnenten Aluminium, Jern Grenseverdi: Al = 0.2 mg/l, Fe = 0.2mg/l pH Grenseverdi: pH = 9.5 Bly, Kadmium, Kobber, Krom, Nikkel Prøven skal tas slik at den gir et representativt bilde av et ukentlig gjennomsnitt for det vann som konsumeres/anvendes. Grenseverdi: Pb = 10 g/l, Cd = 5 g/l, Cr = 50 g/l, Ni = 20 g/l Grenseverdi: Cu = 1000 g/l

5 Corrosion control Manipulating pH, alkalinity and calcium concentration. Increasing pH and the concentration of calcium and carbonate species. Adjusting pH. Adding corrosion inhibitor. Sodium silicate (waterglass). Recommended water quality after treatment: pH = (>8.0) Alkalinity = mmole/l (~1.0 mmole/l) Calcium = mg Ca/l (~20 mg Ca/l) or pH ~ 8.0 and mg SiO2/l

6 Methods for corrosion control
pH-adjustment NaOH, Na2CO3 or Ca(OH)2 CaCO3-filter Sodium silicate Full corrosion control CO2-gas + CaCO3-filter + (NaOH) Ca(OH)2 + CO2-gas Corrosion control combined with coagulation/direct filtration for NOM-removal Coagulation/direct filtration and CaCO3-slurry + CO2-gas + NaOH Coagulation/direct filtration in 3M anthrasite, sand and CaCO3-filter Coagulation/direct filtration in 1M CaCO3-filter

7 CO2-gas + CaCO3-filter + (NaOH)
Typical design values: Empty Bed Contact Time, EBCT = minutes. Filtration rate = 5-10 m/hrs. CO2-dose = 15 mg CO2/l (10-20) depending on water quality. Filter grain size = 1-3 mm. NaOH dosage for pH adjustment of the treated water is optional. Typical operational values: Backflushing: 3 min. water (60-80 m/hrs), 3 min. air followed by 6.5 min. water only. Time between backflush = 1-30 days.

8 Chemical reactions pH-increase: CO2-dosage:
CaCO3 (s)  Ca2+ + CO32- CO32- + H2O  HCO3- + OH- CO2-dosage: CO2 (g)  CO2 (aq) CO2 (aq) + H2O  H2CO3 (H2CO3* = H2CO3 + CO2) Calcium and alkalinity increase: CaCO3 (s) + H2CO3*  Ca HCO3- CO32- + H2CO3*  2 HCO3- H2CO3* + OH-  2 HCO3- + H2O

9 Ca(OH)2 + CO2 for corrosion control
Addition of lime and CO2 both ahead of coagulation (pH-control) and after filtration (final correction of pH, alkalinity and Ca).

10 CaCO3-slurry + CO2 + NaOH Addition of all the CaCO3-slurry (particle size of µm with a solid concentration of 75% DS) and CO2 ahead of coagulation, and NaOH after filtration (final correction of pH). Anthracite, d 60 =1.5mm Sand, d =0.6mm Sand, 1-2mm Gravel, 2-5mm Gravel, 5-10mm 50cm 30cm Flocculant (Polymer) Raw water CO 2 CaCO3 Chlorine Treated water Coagulant (Al or Fe) 3x10cm support NaOH Require careful balance between dosage of CaCO3, CO2 and NaOH.

11 Chemical reactions Ca(OH)2 + CO2: CaCO3 (s) + CO2 + NaOH:
Ca OH- + 2 H2CO3*  Ca HCO H2O CaCO3 (s) + CO2 + NaOH: CaCO3 (s) + H2CO3*  Ca HCO3- CaCO3 (s)  Ca2+ + CO32- CO32- + H2CO3*  2 HCO3- H2CO3* + OH-  2 HCO3- + H2O

12 Direct filtration in marble containing filters
Three media downflow filter withCaCO3 as bottom layer Single medium, upflow CaCO3 filter

13 3-Media Marble Containing Filters
Ferric chloride used as coagulant Dosage : 3,5-5,0 mg Fe/l , Operating- pH : 3,5 - 4,0 Empty bed time in marble part of filter : min mm marble depth at the typical filter rate of 5 m/h Marble grains with sub-critical size (< 0,5 mm) are wasted through the back-bash and fresh marble is added - also during back-wash Bach-wash : 3 min water (at m/h), 3 min air and water and 6,5 min with water alone. Back-wash water consumption: % Back-washing 1-2 times a day. CaCO3-loss : %

14 Sodium silicate addition
Sodium silicate specification: SiO2 : Na2O = 3.2. pH = 11.3 27-28 Wt % SiO2. Density = 1.38 g/cm3. Typical design values: Dose = 5-15 mg SiO2/l. Determined by maximum allowable pH. Operational parameters: Starting with a low dose and increasing it with time until the desired dose is reached. Too high dose may cause excessive loss of corrosion products, resulting in high turbidity. Raw water 3 (1- 2 mm) Treated water Sodium silicate Sand ca m

15 Sodium silicate Concentrated sodium silicate (nSiO2 * Na2O) consists of monomeric H4SiO4 and polymers made of i.e. Si4O4(OH)8. The dominant species are ionized polymers. When added to water, silicate depolimerizes to i.e. HSiO3- and H4SiO4. The depolimerization rate depends on several factors, i.e. the water quality. It may take from a few minutes to several hours to depolimerize 90-99% of the silicate. The pK1-value for H4SiO4 is approx. 9.8. Sodium silicate has alkaline properties mainly caused by Na2O + H2O = 2 Na+ + 2 OH- , but also by the fact that ionized species will take up protons at common drinking water pH.

16 Dosing sodium silicate

17 Effect of silicate addition
Reactions with divalent cations (i.e. Fe2+ and Mn2+) to form colorless and soluble complexes which may inhibit oxidation of these and thereby prevent turbidity and red water problems. Similar reaction and complex formation with Fe(III), Mn(IV), existing rust and some organics, which can remove excessive scale, biofilm, sludge, etc from the pipe interior. Formation of self limiting silicate containing scales of corrosion products on the pipe surface, which may provide corrosion protection. Protection of cement by formation of Ca-silicates. Protection of copper by increased pH.

18 Fe2+ + Si(OH)4 = FeOSi(OH)3+ + H+ Mn2+ + Si(OH)4 = MnOSi(OH)3+ + H+
Silicate reactions Fe2+ + Si(OH)4 = FeOSi(OH)3+ + H+ Mn2+ + Si(OH)4 = MnOSi(OH)3+ + H+ Me O OH Si + Si(OH)4 =

19 Eksempel på vannglassdosering 1
Typisk norsk råvannskvalitet: pH = 6.0 Alkalitet = 0.04 mmol/l Fri CO2 = 5 mg/L Sammenligning av to typer vannglass: SiO2 : Na2O = 3.22. 27.7 Wt % SiO2. SiO2 : Na2O = 2.04 23.5 Wt % SiO2. Høyere råvanns-pH øker viktigheten av å benytte type 3.22.

20 Eksempel på vannglassdosering 2
Typisk norsk råvannskvalitet: pH = 6.0 Alkalitet = 0.08 mmol/l Fri CO2 = 10 mg/L Sammenligning av to typer vannglass: SiO2 : Na2O = 3.22. 27.7 Wt % SiO2. SiO2 : Na2O = 2.04 23.5 Wt % SiO2. Høyere CO2-innhold øker viktigheten av å benytte type 2.04.

21 Iverksettelse av korrosjonskontroll
Definere og prioritere de korrosjonsrelaterte problemene. Hvilke problemer skal løses (og i hvilken grad)? Vurdering av prosess. Vil karbonatisering eller vannglassdosering best løse mine problemer? Undersøke forventet effekt. Teoretiske vurderinger, korrosjonsmålinger, nettmålinger, osv. ”Lokale forhold” kan gi store avvik fra forventa effekt Kostnadsvurdering. Behandlingskostnader vs besparelser Optimalisering Vannkvalitetsjusteringer og korrosjonsmålinger. Kost/nytte vurdering.

22 Eksempler på valg Lokale forhold og vurderinger vil være avgjørende for hvilken prosess som bør velges. Store anlegg generelt. Karbonatisering: mer dokumentasjon. Små anlegg generelt. Vannglass: lave investering og driftskostnader, samt enkel dosering. Tilpasning av korrosjonskontroll til annen vannbehandling. Karbonatisering: f.eks. 3M-filtrering for NOM-fjerning, Fe-fjerning, osv. Vannglass: f.eks. etter membranfiltrering, ved bruk av Si i fellingsprosessen, o.l. Groptæring på støpejern. Vannglass?: kan redusere groptæring under optimale forhold, men kan øke problemet når dose og betingelser ikke er optimale.

23 Eksempler på valg Overføringsledninger i ubeskyttet støpejern.
Karbonatisering: jevn høy strømningshastighet gir god effekt. Overdimensjonert nett eller endeledningsproblematikk. Vannglass: kan redusere vannkvalitetsproblemer. Ledningsnett i plast. Vannglass: kun behov for beskyttelse av Cu der pH-effekten er viktigst. Mye rust, korrosjonsprodukter og slam i ledningsnettet. Vannglass: kan kompleksbinde og fjerne problemene. CO2-rikt grunnvann. Karbonatisering: utnyttelse av vannets CO2-innhold. Sementbasert ledningsnett. Vannglass: gir generelt god effekt.

24 Behandling av grunnvann

25 GRUNNVANNDEFINISJONER
Grunnvann i fjell Grunnvann i løsmasser Grunnvann fra kunstig infiltrasjon Elvebank infiltrasjon Basseng infiltrajon 

26 BEHANDLING AV GRUNNVANN
Normalt i Norge: Oksygenering (lufting) CO2-avdriving Fjerning av jern (og evt mangan) (utfelling/filtrering) Desinfeksjon (klorering, UV-deinfeksjon) Korrosjonskontroll (tilsetting av Ca, CO2 ) Normalt i mange områder i utlandet: Fjerning av hardhet Fjerning av lukt og smak (H2S) Fjerning av nitrat (pga intensivt jorbruk) Fjerning av pesticider (pga intensivt jorbruk) Fra tid til annen: Fjerning av fluor (tannhelse) og arsen (giftig) Fjerning av radon

27 OKSYGENERING (LUFTING)
Grunnvann har ofte lavt O2-innhold som følge av mikrobiologisk forbruk av oksygen i grunnen Lavt oksygeninnhold i grunnen fører til reduktive forhold jern og mangan på toverdig form – feller ut når oksygen kommer til dannelse av gasser (H2S, CH4 etc) – lukt og smak Det er krav i drikkevannsforskriften om at O2- innholdet skal være > 70 %. Metning avhengig av temperatur : 70 % ved 15 oC = ca 10 mg O2/l

28 PRINSIPPER FOR LUFTING AV DRIKKEVANN

29 FJERNING AV JERN OG MANGAN
Jern og mangan finnes i grunnen på redusert (to-verdig) form Når det kommer oksygen til stede, felles Fe og Mn ut Behandlingen består derfor av : oksygenering + utfelling + filtrering Oksydasjonen og utfellingen er pH-avhengig Jern : pH bør være > 7 ved pH > 8 går reaksjonen fort Mangan : pH bør være over 9 for at reaksjonen skal gå fort

30 Jern- og manganfjerning, fysisk-kjemisk
Alternative oksidasjonsmidler: HOCl, NaOCl Cl2-gass ClO2 O3-gass

31 Greensand: Glauconite
K0.6Na0.05Fe3+1.3Mg0.4Fe2+0.2Al0.3Si3.8O10(OH)2

32 Greensand filter KMnO4 demand =
[1 x mg/L Fe] + [2 x mg/L Mn] + [5 x mg/L H2S]

33 Jern- og manganfjerning, biologisk-kjemisk

34 Jern- og manganfjerning, biologisk

35 Jern- og manganfjerning, biologisk

36 FJERNING AV HARDHET (lite aktuelt i Norge)
Hardhet i vann Hardhet er et buttrykk for vannets innhold av Ca2+ og Mg2+ Hardt vann kan gi kalkavsetninger i rør og varmtvannsanlegg, Ca2+ + 2HCO3- => CaCO3 + CO2 + H2O Hardt vann har et totalt innhold av Ca2+ og Mg2+ tilsvarende > 150 mg/l CaCO3 (60 mg Ca/l). < 20 mg Ca/l tilsvarer bløtt vann Det midlere norske overflatevann har kun 2,8 mg Ca/l og grunnvannet 8,5 mg Ca/l

37 FJERNING AV HARDHET Kalk/soda-prosessen Ionebytting
En utfellingsprosess der man tilsetter kalk for forskyve likevektene slik at kalsiumkarbonat og magnesiumhydroksyd feller ut Ca2+ + 2HCO3- + Ca(OH)2 => 2CaCO3  + 2H2O Mg2+ + 2HCO3- + 2Ca(OH)2 => 2CaCO3  + Mg(OH)2  + 2H2O Ionebytting En sorpsjonsprosess hvor man bytter ut de ioner man ønsker å fjerne (Ca- og Mg- her) med andre ioner med samme ladning som befinner seg i et ionebyttermedium (resin) Ca2+ + 2HCO3- + NaR => CaR + 2Na+ + 2 HCO3- der R er et fastsittende ionebytter-resin reaksjonen er 100% effektiv så lenge det er Na+ igjen i ionebytteren når all Na+ er oppbrukt kan ionebytteren vaskes med NaCl CaR + 2NaCl => Na2R + CaCl2

38 KUNSTIG GRUNNVANNSINFILTRASJON (Eksempel Rakkestad vannverk)
Overflatevann infiltreres i grunnen for å tas ut som grunnvann Passasjen gjennom grunnen renser vannet