Identifikation och karaktärisering av inneslutet

En intressant studie om kemisk korrosion i dricksvattenledningsnät har publicerats i Chemosphere. Forskarna med Tong som förstaförfattare har undersökt hur inneslutet vatten under korrosionsbeläggningar och friströmmande vatten i olika järnledningar varierar kemiskt och om dessa variationer kan tänkas förklara varför korrosion pågår och propagerar. Speciellt intressant är att man bemödat sig om att ta prov på inneslutet porvatten och instängt vatten under korrosionsfällningar och kunnat karaktärisera detta vatten kemiskt.

Av: Kenneth M Persson

Inneslutet vatten visades vara surare än friströmmande vatten. Koncentrationerna av järn, mangan, klorid, sulfat och nitrat var högre i det innesluta vattnet än i det friströmmande. Men därtill jämfördes vattenprover av flödande och stillastående perioder. Forskarna konstaterar att suspenderade järnpartiklar fanns närvarande hela tiden vid rörledningens ytor, vilka förklarar förekomsten av “rött vatten” när flödet ändrades. Nitrathalten var högre i det instängda vattnet under strömmande tillstånd jämfört med bulkvattnet, medan den var lägre vid stillastående vatten. En hög mangankoncentration kunde detekteras vid alla tillfällen.

Korrosion i ledningsnät påverkar vattenkvaliteten på många sätt och resulterar i ökad grumlighet, stigande järnkoncentration, ökande halt bakterier, minskande halt fritt klor och olika problem med den estetiska vattenkvaliteten, som lukt och smak. Förhållandena i Kina är inte bättre än på andra ställen, utan också där finns problem, som inte blir lindrigare av att de flesta städers ledningsnät fortfarande i mycket stor utsträckning (omkring 90%) är utförda med metalledningar, framför allt gjutjärns-, stål- och förzinkade järnledningar.

Förutom järnkorrosionen bidrar också själva korriosionsprodukterna till att ackumulera många andra oorganiska föroreningar (t.ex. bly, arsenik, nickel, vanadin och uran) och till att vara en reaktoryta för mikrober. Korrosionen leder också till att vattenläckorna blir fler, vilket i ett jätteland med vattenbrist som Kina blir ett jätteproblem.

Järnkorrosionsprodukten i ledningen har ett hårt ytskikt med lager som av skal ovanpå en porös kärna. Inne i kärnan är porositeten hög, 40-54%, med porvatten som är helt annorlunda i sin kemiska sammansättning än dricksvattnet i rörledningens fria fas. Det är inte helt enkelt att ta prover på dessa små inkrustbildningar, utan att porvatten blandas med vatten från rörledningen.
Därför byggdes en liten provkrets upp i laboratorium med fyra olika rörlängder från olika ombyggnadsprojekt i ledningsnät i Kina. Två av rören var 100 mm gjutjärnsrör användas ca 30 år, de två andra var stålrör med 200 mm diameter i drift omkring 26 år. Varje längd var omkring en meter. De fyra rören hade olika grad av intern korrosion. Fyra testanordningar byggdes där de fyra rören ställdes vertikalt och matades med kranvatten uppifrån och ned med enkelpassage och vid en flödeshastighet om 0,2 l/s.

Sex olika slags vattenprov togs från de fyra teströren:

Proverna togs ut med kapillärpipetter, där prover av det innestängda vattnet i inkrustbildningarna togs ut först efter att ett litet hål borrats genom röret in till korrosionsprodukten. Total 15 ml vatten av varje slag togs ut från varje rörsträcka och lagrades vid 4°C före analys.

Samtliga vattenprover analyserades i triplikat med avseende på pH, oorganiska joner (sulfat, klorid, nitrat) och metalljoner (Fe, Na, Mg, K, Ca, Mn, Zn, Sr).

Allt stillastående vatten (provtyp 4-6 enligt ovan) var färgat och innehöll järnkorrosionsprodukter i olika korrosionsstadier. Instängt vatten (3 och 6) var brunt eller svart och innehöll korrosionspartiklar i högre halt. Vissa av dessa partiklar är svarta och några av dem är rödbrun. Vattnets pH för provtyp 2 och 5 var lika provtyp 1 och 4, medan det inneslutna vattnet var mycket surare, omkring 2 pH-enheter surare än bulkvattnet (pH 4,7-5,4 inne i korrosionsprodukten jämfört med pH 7,2-7,4 i fri fas).

Det finns två huvudprocesser som påverkar vätejonkoncentration i porvattnet vid rinnande vatten. Hydrolysprocessen av metalljoner ökar försurningen av porvatten, vilket ökar när vattnet är stillastående. Den höga halten anjoner (sulfat, klorid) som finns i inkrustbildningen tar med sig också vätejoner som motjoner. Utanför korrosionsprodukten var pH-skillnaderna små mellan ytvatten och bulken i röret.

Klorid- och sulfathalten i porvattnet i korrosionsprodukten var också mycket högre än i bulkvattnet, i storleksordningen 4-10 gånger högre än bulkvattnet. Järnhalten var givetvis mycket högre i inkrustbildningen än i bulkvattnet, men även mangan och zink förekom i betydligt högre halter inne i korrosionsproduktens porvatten än utanför. Porvattnet har mycket höga totala järnkoncentrationer, upp till 394 mg/l vid rinnande vatten och 1561 mg/l vid stillastående förhållanden.

Nitrathalten i porvatten vid rinnande vattenförhållanden var högre än i omgivande bulkvatten. Men när bulkvattnet var stillastående minskade nitrathalten i porvattnet. Författarna diskuterar om det sker redoxreaktioner mellan järn(0)ytor och nitratjoner inne i porvattnet.

Det är en spännande och annorlunda vattenkemi som författarna undersökt inne i inkrustbildningarna. Även om den totala mängden vatten som finns instängd i korrosionsprodukter kanske är begränsad i förhållande till mängden bulkvatten som rinner i ledningsnätet dagligen, är likväl den kemiska reaktionskraften mycket högre och korrosionsprocesserna kraftfullare än med ett konventionellt måttligt alkaliskt kranvatten.

Vad som skulle lyfta analysen ännu mer vore att mäta den biologiska sammansättningen på den biofilm som finns i ledningsnätet och garanterat också finns innesluten i korrosionsprodukterna för att få med också de biokemiska korrosionsprocesserna. Men det är ju inga problem att genomföra en ny studie.

Källa: Huiyan Tong, Peng Zhao, Hongwei Zhang, Yimei Tian, Xi Chen, Weigao Zhao, Mei Li (2015): Identification and characterization of steady and occluded water in drinking water distribution systems. Chemosphere 119, 1141–1147

Hela artikeln finns här.