Hidrológiai Közlöny 1998 (78. évfolyam)
4. szám - Péntek Kálmán–Szunyogh Gábor–Veress Márton: A keveredési korrózió egyenleteinek algebrai megoldása
233 A keveredési korrózió egyenleteinek algebrai megoldása Pcntek Kálmán, Szunyogh Gábor, Veress Márton Berzsenyi Dániel Tanárképző Főiskola 9701. Szombathely, Károlyi Gáspár tér 4. Kivonat A dolgozat a karsztos formakincs kialakításában nagy szerepet játszó keveredési korrózió folyamatát leíró egyenletek egzakt, közelítésmentes megoldását tartalmazza. Összefoglalja a mészkő hidrokarbonátos oldásának kémiai folyamatát, majd a keveredési korrózió általános egyenleteinek rendszerét oldja meg algebrai módszerekkel. Ezután megvizsgálja, hogy két telített oldat találkozásakor melyik az a keverési arány, amelynél a leghatékonyabb a keveredési korrózió folyamata Végül példákat mutat be a keveredési korrózióval létrejött karsztjelenségekre. Kulcsszavak: karsztos oldás, keveredési korrózió, elkeveredési arány 1. Bevezetés A keveredési (azaz kalcium-karbonátban telített, de különböző töménységű oldatok keverésével előidézett) korrózió a mészkő hidrokarbonátos oldódásának régóta ismert jelensége, de kvantitatív jellemzéséhez a folyamatot leíró egyenletek bonyolultsága miatt csak közelítő, a keveredési korróziót befolyásoló egyes tényezők szerepének analitikus vizsgálatát korlátozó képleteket használtak. Jelen cikkben bemutatjuk, miképpen lehet megtalálni a keveredési korrózió alapegyenleteinek algebrai, közelítés mentes megoldását, lehetővé téve ezáltal ennek a karsztos formakincs kialakulásában oly nagy szerepet játszó folyamatnak árnyaltabb leírását. A keveredési korrózió jelensége a mészkő hidrokarbonátos oldódásának arra a tulajdonságára vezethető vissza, hogy a kémiai egyensúly (azaz a telítődés) beállta után az oldatba került kalcium-karbonát és egyensúlyban tartásához szükséges ú.n. tartozékos széndioxid mennyisége között nemlineáris kapcsolat áll fenn. Következésképpen különböző CaCO^ tartalmú telített oldatok keverése nyomán az oldatban több CC>2 mutatkozik, mint amennyi elegendő lenne a megnövelt mennyiségű CaC0 3 egyensúlyban tartásához. A fölös C0 2 lehetőséget ad olyan mennyiségű kalcium-karbonát további feloldására, amennyinek az egyensúlyban tartásához a rendelkezésre álló (fölös) széndioxid elegendő. Mielőtt bemutatnánk a keveredési korrózió egyenleteinek megoldását, röviden összefoglaljuk a mészkő hidrokarbonátos oldódására vonatkozó legfontosabb tudnivalókat. 2. A mészkő hidrokarbonátos oldódásának főbb kvantitatív jellemzői Az oldódás a következő lépések eredményeképpen jön létre: A víz a levegőből széndioxidot vesz fel, mely a víz molekuláival egyesülve szénsavat hoz létre: C0 2+H 20 = H 2C0 3 (1) A szénsav disszociál hidrogén- és hidrokarbonát-ionokra: H 2C0 3 = IT + HCOj (2) A hidrokarbonát ion kis mértékben hidrogén- és karbonát-ionra válik szét: HC0 3" = + C0 3 " (3) A mészkő oldatba jutva felbomlik kalcium- és karbonát-ionra: (4) a hidrogén-ionok hidrokarboCaC0 3 = Ca + C0 3" A karbonát-ionokkal náttá egyesülnek: H + +CO 3 =HCO 3 (5) Mivel a vázolt folyamatok mind egyensúlyi reakciók, (azaz dinamikus egyensúly alakul ki a kiindulási anyagok és a végtermékek között), ezért az oldatban a fenti egyenletek valamennyi alkotója megtalálható. Az (1) egyenlet alapján nyilvánvaló, hogy az oldatba került széndioxid-molekulák egy része az egyensúly beállta után a szénsavban, ill. annak disszociációja után a hidrokarbonátban lekötődik (ezt nevezzük kötött széndioxidnak), másik része szabadon marad (mely az u.n. tartozékos széndioxidot képezi). Az egyes alkotórészek egymáshoz viszonyított arányát a tömeghatás törvénye (Guldberg-Wage egyenlet) határozza meg, ami lehetővé teszi pl. a kalcium-ionok koncentrációjának ismeretében kiszámítani a többi alkotórész koncentrációját. Mivel a keveredési korrózió szempontjából az oldat széndioxid-koncentrációjának ismerete lényeges, ezért csak ezt íijuk fel. A többi alkotórész arányára vonatkozó összefüggések a szakirodalomban megtalálhatók. Jelölje x az egységnyi térfogatú karsztvíz által (a telítésig) oldatba juttatott kalcium-karbonát tömegét, azaz vegyes százalékban megadott koncentrációját (mg/l vagy kg/m 3), y K a kötött, y T pedig a tartozékos széndioxid koncentrációját, x és y K között az y K = OX (6) összefüggés áll fenn, ahol a=0,4389. Az x és yj között pedig az „3 y T = Kt (7) kapcsolat írható fel. A K, tényező az (l)-(5) reakciók egyensúlyi állandóiból összeállított mennyiség, mely az oldat abszolút hőmérsékletétől a ^ (8) K t =be c képlet szerint függ, ahol b = 2,1608-10 9 m és c = 0,02901 °K
