gwf Wasser/Abwasser Stahlharte Argumente (Vorschau)

FACHBERICHTE Wasserversorgung
konstante der Eisen(II)-Oxidation nach Adsorption k Ox,S
berechnet werden. Die Ergebnisse dieser Berechnungen
sind in Abhängigkeit vom DOC UV in Bild 5 dargestellt.
Während die Geschwindigkeitskonstante k Ox,S
nahezu unbeeinflusst vom DOC UV war, nahm k Ox,L mit
zunehmendem DOC UV ab. Folglich ist die Abnahme der
Reaktionsgeschwindigkeit mit dem DOC UV bei dem
Wasser A3 maßgeblich auf eine Hemmung der Eisen(II)-
Oxidation in wässriger Phase zurückzuführen. Die
Oxidation nach Adsorption wurde offenbar nicht beeinträchtigt.
3.2 Reaktionskinetisches Modell
für die Eisen(II)-Oxidation
Basierend auf den Untersuchungsergebnissen zum Einfluss
der Parameter Temperatur, pH-Wert, Sauerstoff,
Methan, Säurekapazität bis pH 4,3 und Filtergeschwindigkeit,
deren Variation unter Anwendung der Ein-
Faktor-Methode erfolgte, wurde ein reaktionskinetisches
Modell entwickelt, das es ermöglicht, den Einfluss
des DOC auf die Kinetik der Eisen(II)-Oxidation für
Grundwässer unterschiedlicher Herkunft und Beschaffenheit
rechnerisch herauszuarbeiten. Im Folgenden
wird das rektionskinetische Modell kurz vorgestellt, eine
detaillierte Darstellung der Untersuchungsergebnisse
ist [20] zu entnehmen.
Wie in der Literatur (u. a. [17, 18]) angegeben und
experimentell bestätigt, kann die Eisen(II)-Oxidation in
wässriger Phase mit einem formalkinetischen Ansatz
1. Ordnung beschrieben werden. Bei Verwendung der
Aktivität a anstelle der Massenkonzentration β an
Eisen(II) ergibt sich:
dβ( Fe( II))
− = kOx, L⋅ β( FeII ( ))
t= kOx,
L1 ⋅aFeII
( ( ))
t
(2)
dt
In Gleichung (2) bezeichnet k Ox,L1 die experimentell
ermittelte Geschwindigkeitskonstante der Eisen(II)-Oxidation
in wässriger Phase nach Korrektur um die Aktivität
bzw. die Ionenstärke, da die Ionenstärke in die
Berechnung der Aktivität eingeht. Unter Berücksichtigung
der Ergebnisse zum Einfluss der Parameter
pH-Wert, Sauerstoff, Methan und Säurekapazität bis
pH 4,3 kann Gleichung (2) erweitert werden:
d ( F
− β eII ( ))
+ −20
,
= kOx,
L2
⋅a( Fe( II)) t⋅a( H ) ⋅
dt
10 , 00 ,
⋅β( O ) ⋅β( CH ) ⋅e
2
4
012 , ( L/ mmol ) ⋅ K S 43 ,
In Gleichung (3) kennzeichnet k Ox,L2 die Geschwindigkeit
der Eisen(II)-Oxidation in wässriger Phase nach
Korrektur um die Parameter pH-Wert, Sauerstoff,
Methan, Säurekapazität bis pH 4,3 und Ionenstärke. Der
Einfluss von Sauerstoff und Methan auf die Kinetik der
Eisen(II)-Oxidation in wässriger Phase wurde über die
Massenkonzentrationen β (O 2 ) und β (CH 4 ) erfasst.
Definitionsgemäß wurde die pH-Wert-Abhängigkeit der
(3)
Reaktionskinetik über die Aktivität an Hydroniumionen
a(H + ) beschrieben.
Die Temperaturabhängigkeit der Eisen(II)-Oxidation
in wässriger Phase konnte mit der Arrhenius-Gleichung
(Gleichung (4)) beschrieben werden. Hierbei wurde die
Aktivierungsenergie E a zu 117 kJ/mol ermittelt.
T
Q
Ea
R T
k F e − ⋅
= ⋅ (4)
Aus der Umformung von Gleichung (4) lässt sich die
Geschwindigkeitskonstante k T2 bei einer Temperatur T 2
berechnen, wenn die Geschwindigkeitskonstante k T1
bei einer Temperatur T 1 bekannt ist (Gleichung (5)).
T2 T1
⎛ 1 1 ⎞
14072 K
⎜
⎝ T2 T ⎟
1⎠
k = k ⋅e − ⋅ −
Aus dem reaktionskinetischen Ansatz für die zeitliche
Änderung der Eisen(II)-Konzentration in einem
differentiellen Filterelement (Gleichung (1)) ergibt sich,
dass auch die Eisen(II)-Oxidation nach Adsorption mit
einer Reaktionskinetik 1. Ordnung beschrieben werden
kann:
dβ( Fe( II))
− = kOx, S⋅ β( FeII ( ))
t= kOx, S1 ⋅aFeII
( ( ))
t
(6)
dt
In Gleichung (6) wurde analog zur Eisen(II)-Oxidation
in wässriger Phase (Gleichung (2)) die Aktivität an
Eisen(II) verwendet, sodass k Ox,S1 die aus dem reaktionskinetischen
Ansatz für die zeitliche Änderung der
Eisen(II)-Konzentration in einem differentiellen Filterelement
berechnete Geschwindigkeitskonstante der
Eisen(II)-Oxidation nach Adsorption bezeichnet, die um
die Aktivität bzw. die Ionenstärke korrigiert ist.
Werden die Ergebnisse zum Einfluss der Parameter
pH-Wert, Sauerstoff, Methan, Säurekapazität bis pH 4,3
und Filtergeschwindigkeit in die Betrachtungen einbezogen,
so kann Gleichung (6) erweitert werden:
dβ( Fe( II))
+ − ,
− = kOx,
S2
⋅a( Fe( II)) t⋅a( H ) ⋅
dt
00
( ) , 00
⋅β O ⋅β( CH )
,
43 ,
⋅e
⋅v
2
4
10 β
004 , ( L/ mmol ) ⋅ K S 043 ,
In Gleichung (7) bezeichnet k Ox,S2 die Geschwindigkeitskonstante
der Eisen(II)-Oxidation nach Adsorption
nach Korrektur um die Parameter pH-Wert, Sauerstoff,
Methan, Säurekapazität bis pH 4,3, Ionenstärke und
Filter geschwindigkeit. Die Parameter Sauerstoff und
Methan wurden über die Massenkonzentrationen β(O 2 )
und β(CH 4 ) beschrieben. Der pH-Wert wurde über die
Aktivität an Hydroniumionen a (H + ) erfasst.
In Analogie zur Eisen(II)-Oxidation in wässriger Phase
konnte die Temperaturabhängigkeit der Eisen(II)-Oxidation
nach Adsorption mit der Arrhenius-Gleichung
(Gleichung (4)) beschrieben werden. Die Aktivierungsenergie
E a ergab sich zu 20 kJ/mol, sodass aus Gleichung
(4) folgt:
(5)
(7)
Januar 2011
80 gwf-Wasser Abwasser