Calculadora de incrustação e precipitação na água

Avalie preliminarmente a formação de incrustações de carbonato de cálcio, sulfato de cálcio, sulfato de bário, sulfato de estrôncio, fluoreto de cálcio, sílica e hidróxido de magnésio a partir de uma análise da água. A calculadora também apresenta a força iónica, os coeficientes de atividade, um Índice de Saturação de Langelier (LSI) baseado na atividade e o Índice de Estabilidade de Ryznar (RSI).

Introduza a análise da água

Utilize as concentrações dissolvidas em mg/L, na base de expressão indicada. Os campos obrigatórios devem conter um número; introduza zero apenas quando a análise o justificar. Deixe em branco os campos opcionais dos constituintes desconhecidos: as respetivas linhas de minerais serão assinaladas como «Não avaliado». Um resultado abaixo do limite de deteção não equivale automaticamente a zero. Todas as medições devem corresponder à mesma água a 25 °C.

Composição da água a 25 °C

Parâmetro	Concentração / valor	Unidade exigida
pH a 25 °C *		5–11.5
Alcalinidade total *		mg/L expressos em CaCO₃
Cálcio, Ca *		mg/L expressos em Ca
Magnésio, Mg *		mg/L expressos em Mg
Sódio, Na *		mg/L expressos em Na
Potássio, K *		mg/L expressos em K
Cloreto, Cl *		mg/L expressos em Cl
Sulfato, SO₄ *		mg/L expressos em SO₄
Bário, Ba		mg/L expressos em Ba
Estrôncio, Sr		mg/L expressos em Sr
Fluoreto, F		mg/L expressos em F
Sílica dissolvida		mg/L expressos em SiO₂
Ortofosfato dissolvido		mg/L expressos em P

Incluir a hidroxiapatite numa avaliação exploratória do fosfato de cálcio

A alcalinidade é expressa em CaCO₃, não em mg/L de bicarbonato. O sulfato é expresso em SO₄, não em enxofre; a sílica é expressa em SiO₂, não em silício; o fosfato corresponde ao ortofosfato dissolvido expresso em P, não ao fósforo total nem a mg/L de PO₄. Não introduza a dureza total no campo do cálcio. Para converter o ortofosfato expresso em PO₄ para P, multiplique por 0,3261; para converter a sílica dissolvida expressa em Si para SiO₂, multiplique por 2,1393.

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Química da água e índices de estabilidade

As concentrações são utilizadas como aproximação da molalidade para águas diluídas. Os coeficientes de atividade são adimensionais. O desequilíbrio de cargas é calculado por 100 × (carga catiónica − carga aniónica)/(carga catiónica + carga aniónica); serve para verificar se a análise está completa, não para comprovar a sua exatidão.

Saturação mineral a 25 °C

SI = log₁₀(IAP/K); a razão de saturação é IAP/K = 10^SI. Um SI positivo significa sobressaturação em relação à fase indicada neste modelo. Não significa que a precipitação seja certa ou imediata. Os resultados são apresentados como números decimais comuns, sem notação e+.

O que significam os resultados

LSI, RSI e saturação da calcite

O LSI compara o pH medido com o pH ao qual a calcite atinge a saturação. Aqui, o pHₛ é determinado resolvendo o equilíbrio da calcite para a mesma alcalinidade total, concentração de cálcio e coeficientes de atividade, incluindo as contribuições modeladas do fosfato, da sílica e da água para a alcalinidade. O intervalo de pesquisa é de pH 5–11,5; uma solução fora desse intervalo não é apresentada. Esta formulação baseada na atividade pode diferir das calculadoras empíricas de LSI baseadas nos sólidos dissolvidos totais (TDS). O SI da calcite avalia a água efetivamente introduzida, enquanto o LSI utiliza o pH de saturação calculado; os seus valores numéricos não têm de ser idênticos.

Um LSI positivo indica uma tendência termodinâmica para a precipitação de carbonato de cálcio; um LSI negativo indica subsaturação em relação à calcite. O RSI é um índice empírico de estabilidade calculado como 2pHₛ − pH. Não tem um significado direto de razão de saturação e deve ser interpretado com base na experiência com o sistema de água em questão. Nenhum dos índices é uma medida direta da corrosão de metais, e uma baixa tendência para a formação de incrustações não demonstra que a água não é corrosiva.

Força iónica e coeficientes de atividade

A força iónica é estimada a partir de I = ½Σcᵢzᵢ². A equação de Davies a 25 °C é log₁₀γᵢ = −0,509zᵢ²[√I/(1 + √I) − 0,3I]. A atividade é aproximada pelo produto de γ pela concentração molar relativa à concentração padrão. À sílica dissolvida neutra é atribuído um coeficiente de atividade de um. O cálculo determina iterativamente a força iónica em conjunto com a distribuição ácido-base do carbonato, do fosfato e da sílica.

O modelo está limitado a I ≤ 0,1 mol/L e emite um aviso acima de 0,01 mol/L. Este é um limite para avaliação preliminar, não uma garantia de exatidão. A formação de pares iónicos pode ser relevante mesmo abaixo desse limite, sobretudo para o sulfato, o fosfato e os metais divalentes. Iões desconhecidos ou não incluídos na lista podem alterar a força iónica e o balanço de cargas. Quando esses efeitos são relevantes, é necessário um modelo completo, como o PHREEQC, com uma base de dados e um modelo de atividade adequados.

Porque são importantes a fase mineral e a base de expressão dos resultados

O sulfato de cálcio é apresentado separadamente como gesso e anidrite. A sílica é apresentada como sílica amorfa e quartzo: a sobressaturação em relação ao quartzo, por si só, não demonstra um risco de formação rápida de depósitos de sílica amorfa. A distribuição da sílica tem em conta as duas primeiras etapas de dissociação do ácido silícico; a polimerização, os coloides e os depósitos de silicatos metálicos não são modelados. A hidroxiapatite é uma das fases possíveis de fosfato de cálcio, não uma previsão de todos os depósitos de fosfato. Outros fosfatos de cálcio, complexos metálicos e a cinética das reações podem determinar o comportamento dos sistemas reais.

A saturação não é uma quantidade de precipitado

Um SI de +1 corresponde a uma razão de saturação de 10 para a reação tal como está escrita; um SI de −1 corresponde a 0,1. Uma razão não é uma percentagem de incrustações nem uma concentração mássica. Esta calculadora não remove o material precipitado, não recalcula o equilíbrio após a precipitação, não prevê o tempo de indução, não calcula a dose de anti-incrustante nem estima a massa dos depósitos. A temperatura, a pressão, as trocas gasosas, as superfícies, a mistura, os inibidores e o tempo de residência podem alterar o resultado. Introduza a análise da corrente que está a ser avaliada; não multiplique as concentrações da alimentação por um fator de recuperação de osmose inversa (RO) sem um balanço de massa adequado do concentrado.

A indicação «Próximo do equilíbrio» utiliza uma faixa de apresentação de SI de −0,05 a +0,05 para evitar a sobreinterpretação de diferenças numéricas mínimas. O equilíbrio termodinâmico corresponde a SI = 0; a faixa de apresentação não representa uma incerteza analítica universal nem um limite operacional. Um valor de entrada igual a zero resulta num produto de atividades iónicas igual a zero e não permite obter um SI logarítmico finito. A ausência de dados opcionais resulta na indicação «Não avaliado», em vez de um resultado igual a zero.

Base de cálculo e constantes

O modelo utiliza valores nominais de log K a 25 °C da base de dados WATEQ4F distribuída pelo USGS. Assume-se que a atividade da água é igual a um. Para a distribuição do carbonato utiliza-se pK₂ = 10,329 e para a água utiliza-se pK_w = 14. Para o ortofosfato utilizam-se valores de log K de protonação cumulativa de 12,346 e 19,553; o ácido fosfórico totalmente protonado é desprezado no intervalo de pH admitido. Os valores de log K de dissociação do ácido silícico são −9,83 e −23. A alcalinidade é convertida utilizando 50 mg de CaCO₃ por meq e corrigida para as contribuições modeladas do hidróxido, dos iões de hidrogénio, do fosfato e do silicato antes de se calcular o carbonato.

Para a brucite, a reação é Mg(OH)₂ + 2H⁺ ⇌ Mg²⁺ + 2H₂O. Para a hidroxiapatite, é Ca₅(PO₄)₃OH + 4H⁺ ⇌ 5Ca²⁺ + 3HPO₄²⁻ + H₂O. Os respetivos valores de log K referem-se, portanto, a estas reações de dissolução ácida, e não a uma expressão simples de Ksp de hidróxido ou fosfato.

Referências e calculadoras relacionadas

Dados termodinâmicos WATEQ4F utilizados aqui; Documentação do USGS sobre coeficientes de atividade e espécies aquosas; Documentação do USGS sobre equilíbrio mineral.

Calculadora do índice de Langelier · Calculadora do índice de Ryznar · Balanço de cargas da análise da água · Força iónica e coeficientes de atividade · Todas as calculadoras

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