Sert Sular ve Çevre Mühendisliğinde Sertlik

0
855
Sularda Sertlik
Sularda Sertlik

Tabii sular yer kabuğunda denizlere ve göllere doğru akarken değişik kayaların içerisinden geçer ve bu kayalardaki bazı tuzları çözerler. Bu nedenle suların geçtiği bölgelerde mağaralar ve oyuklar gibi değişik coğrafi şekiller oluşur. Su kaynakları bulundukları ve geçtikleri bölgelerin jeomorfolojik özelliklerine göre, içerilerinde değişik iyonlar bulundurur. İçerisinde kalsiyum, magnezyum ve demir iyonları bulunduran sular, sert su olarak tanımlanır.
Sert suların iki önemli zararlı etkisi vardır. Sert sularda bulunan kalsiyum, magnezyum ve demir iyonları, sabun (sodyum stearat) ile birleşerek çökelek oluşturur ve sabunun köpürmesini engeller. Böylece, sabun temizleme işlevini yerine getiremez ve sabun israf olur. Isıtma ve soğutma sistemlerinde sert su kullanıldığında sistemin borularında ve kazanlarında zamanla tortular oluşur. Bu tortular sistemin yıpranmasına ve sistemin veriminin düşmesine sebep olur.Bu nedenlerden dolayı sert sular kullanılmadan önce yumuşatılmalıdır.
Yumuşatma yöntemleri suyun sertlik durumuna göre değişiklik gösterir. Çünkü, sert sular genel olarak geçici sertliğe sahip sular ve daima sertliğe sahip sular olmak üzere iki ana grupta toplanır.

Geçici sertliğe sahip sular

İçerisinde CO2 çözünmüş sular yer kabuğunda bulunan ve normal suda çözünmeyen kireç taşını (CaCO3) ve dolamiti (MgCO3.CaCO3) yavaş yavaş çözer. Böylece Ca+2 ve Mg+2 bikarbonatlar ( Ca(HCO3)2, Mg(HCO3)2 ) hâlinde suya geçer.

MgCO3 • CaCO3(k) + CO2(g) + H2O(s)>>>> Mg(HCO3)2(suda) + Ca(HCO3)2(suda)

İşte içerisinde Ca+2 ve Mg+2 iyonlarının bikarbonat (HCO3–) tuzlarını bulunduran sulara geçici setliğe sahip sular denir. Bu tür setliğe sahip sular NaOH eklemek suretiyle,

Ca(HCO3)2(suda) + NaOH(suda) >>> CaCO3(k) + NaCO3(suda) + H2O(s)

denklemine göre; sertliğe sebep olan iyonlardan temizlenmiş olur. Bu tür sertliğe sahip sular birkaç dakika kaynatmak sureti ile kolayca yumuşatılabilir. Kaynama sırasında Ca(HCO3)2 parçalanarak CaCO3, CO2 ve H2O ya dönüşür.

Ca(HCO3)2(suda) + ısı >>>>CaCO3(k) + CO2(g) + H2O(s)

Sarkıtlar ve Dikitler

Mağaraların tavanlarından aşağı doğru uzanan sarkıtların, yine mağara tabanlarından yukarı doğru uzanan dikitlerin ve diğer tabiî travertenlerin oluşmasına, içerisinde Ca(HCO3)2 çözünmüş sular sebep olur. Kalsiyum bikarbonatlı sular mağara tavanından aşağı doğru yavaş yavaş damlar. Bu sırada bir miktar Ca(HCO3)2 buzunarak CaCO3, CO2 ve H2O ya dönüşür. Oluşan CaCO3 katısının bir kısmı tavanda birikerek zamanla sarkıtları oluşturur. Bir miktar CaCO3 katısı da damlanın düştüğü yerde birikerek dikitleri oluşturur. Sarkıt ve dikitler zamanla büyüyerek birleşirler ve mağara içerisinde sütunlar oluştururlar. Sarkıt ve dikitlerin büyüme hızları bulundukları ortama bağlı olarak yıllık milimetreler ve 100 cm arasında değişmektedir.

Daimi Sertliğe Sahip Sular

Suda çözünmüş CaCI2 veya CaSO4 tuzları var ise bu tür sulara daimi sertliğe sahip sular denir. Daimî sertliğe sahip sular kaynatma gibi basit işlemler ile yumuşatılamazlar.Bu tür suları yumuşatmak için iyon-değişim yöntemleri kullanılır. Sudaki Ca+2 ve Mg+2 iyonları sabunla çökelek oluşturmayacak Na+, K+ gibi iyonlarla değiştirilir.

CaSO4(suda) + Na2CO3(k) >>>> CaCO3(k) + Na2SO4(suda)

Meselâ, çamaşır sodası (Na2CO3) daimî sertliğe sahip suya eklendiğinde Ca+2 iyonları Na+ iyonları ile yer değişir ve CaCO3 olarak dibe çöker.

Sertlik Derecesi

1 litre suda 10 miligram CaO veya 7,14 miligram MgO çözünmüşse su 1 Alman sertlik derecesine sahiptir.
0,7 litre suda 10 miligram CaCO3 veya 8,42 miligram MgCO3 çözünmüşse su 1 İngiliz sertlik derecesine sahiptir.
1 litre suda 10 miligram CaCO3 veya 8,42 miligram MgCO3 çözünmüşse su 1 Fransız sertlik derecesine sahiptir.

Sertlik Nedir, Sertlik terim olarak banyo lavabo ve küvetlerde iyi köpürmeyen sular nedeni ile oluşan kalıntıları karakterize etmek ve demlik ve su ısıtma cihazlarında oluşan sert ve beyaz tabakayı ifade eder. Suların iyi bir şekilde köpürmemesi ve yüzeylerde kir tabakası oluşturması su içerisindeki kalsiyum ve magnezyum iyonlarının sabun ile tepkimeye girerek oluşturduğu bir çökeltidir.
Örnek verecek olursak;

Ca2+ +(sabun) <—> Ca(Sabun)2 (k)

(k)= katı çökelti

Bu kompleksleşme reaksiyonu sonucunda sabun, yıkanan maddelerdeki kir ile etkileşime girmez ve kalsiyum-sabun kompleksi istemeyen bir şekilde çökelti oluşturur.

Sertlik tüm çok değerlikli katyonların toplamı olarak tanımlanmıştır. Sertliğin yaygın kullanılan ifade birimleri mg CaCO3/L veya mekv/L (litre başına miliekivalen)’dir.

Tüm çok değerli katyonlar sertliğe katkıda bulunda da en etkili olanları kalsiyum ve magnezyumdur. Ayrıca birkaç adet çok değerlikli katyon  ve doğal organik madde dışında  sertlik konusun odak terimleri kalsiyum ve magnezyumdur.

 Doğal sulardaki sertlik kısaca kalsiyum ve magnezyum içeren jeolojik oluşumların minerallerinin ayrışmasından ileri gelir. En yaygın olarak doğada bulunan mineraller kalsit (CaCO3) ve dolamitdir [CaMg(CO3)2]. Suyun sertleşmesi doğal prosesi aşağıda yer almaktadır;

CO2 + H2O <—> H2CO3

CaCO3(k) + H2CO3 <—> Ca(HCO3)2

MgCO3(k) + H2CO3 <—> Mg(HCO3)2

Kaynak: Suyun Sertliğine neden olan doğal süreçler Davis ve Cornwell, 2008.

Sertlik Nedir Nasıl Oluşur?

Yağmur suyu toprağın en üst tabakasından giriş yaparken mikroorganizmaların solunumu suyun COiçeriğini artırır. CO2 ve su tepkimeye girerek karbonik asiti (H2CO3) oluşturur. Kalsit ve dolomit, karbonik asit ile tepkimeye girerek kalsiyum bikarbonat [Ca(HCO3)2] ve magnezyum bikarbonat [Mg(HCO3)2] oluşturur. CaCO3 ve CaMg(CO3)suda çok çözülmezken bikarbonatların çözünme özelliği oldukça yüksektir. Kalsiyum klorür (CaCl2), alçı (CaSO4), magnezyum klorür (MgCl2) ve magnezyum sülfat (MgSO4) da çözünerek sertlik oluşumuna katkı sağlar.

Sularda çoğunlukla kalsiyum ve magnezyum bulunmasından dolayı, yumuşatma hesaplamalarında geleneksel olarak suyun toplam sertliği (TS) bu iyonların toplamnı olarak tanımlanır;

TS =Ca2+ + Mg2+

Her iyonun konsantrasyon aynı birimlerde olmak zorundadır. (mg CaCO3/L veya mekv/L). Toplam sertliğin iki bileşeni : HCO3 anyonuna bağlı sertlik (karbonat sertliği olarak adlandırılır ve kısaltması KS’dir) ve diğer anyonlara bağlı sertliktir (karbonat olmayan sertlik olarak adlandırılır ve kısaltması KOS’dir). Bu şekilde toplam sertlik;

TS = KS + KOS

şeklinde tanımlanabilir.

Karbonat sertliği ise, toplam sertlik veya toplam alkalinite arasında, miktar olarak daha az olana eşittir. Karbonat sertliği, suyun kaynatma ile giderilebilmesinden dolayı genel olarak geçici sertlik olarak da adlandırılır. Isıtma CO2’i sudan uzaklaştır ve ve pH yükselir. Tan bu sırada

Ca+2 + 2HCO3  <—–> CaCO3(k) + CO2(g) +H2O

reaksiyonu meydana gelir.