Doğal Su

Su en önemli kaynaktır. Su olmadan yaşam mümkün değildir. Kimyasal açıdan bakıldığında su, H₂O, saf bir bileşiktir; ancak gerçekte saf suyu nadiren içer, görür, dokunur veya kullanırsınız. Çeşitli kaynaklardan gelen sular çözünmüş gazlar, mineraller, organik ve inorganik maddeler içerir.

Hidrosfer

Dünya gezegenini çevreleyen toplam su sistemine hidrosfer denir. Tatlı su sistemlerini, okyanusları, atmosferik buharı ve biyolojik suları içerir. Arktik, Atlas, Hint ve Pasifik okyanusları Dünya yüzeyinin %71’ini kaplar ve tüm suyun %97’sini barındırır. %1’den azı tatlı sudur ve %2-3’ü buzullar ve buz tabakalarıdır. Antarktika Buz Tabakası neredeyse Kuzey Amerika kıtası büyüklüğündedir. Bu sular hava durumumuzu ve iklimimizi domine eder, günlük hayatımızı doğrudan ve dolaylı olarak etkiler. 3,35 × 10⁸ km² alanı kaplarlar. Dört okyanusun toplam hacmi 1,35 × 10⁹ km³‘tür.

• Okyanusta her 75 metrede güneş ışığı 1/10 oranında azalır ve insanlar 500 metrenin altında ışığı neredeyse hiç göremezler. Derin okyanusun neredeyse tamamının sıcaklığı 4°C’dir (277 K).
• Ortalama okyanus derinliği 4 km’dir ve Mariana Çukuru’ndaki en derin nokta 10.912 m (35.802 ft) olup, bu 8,8 km yüksekliğindeki Everest Dağı ile kıyaslanabilir.

Hidrosferik süreçler, suyun Dünya gezegeninde döngü yaptığı adımlardır. Bu süreçler buzun süblimleşmesini, sıvının buharlaşmasını, nemin hava, yağmur, kar, nehir, göl ve okyanus akıntıları ile taşınmasını içerir. Tüm bu süreçler suyun fiziksel ve kimyasal özellikleri ile ilişkilidir ve birçok devlet kurumu bunlarla ilgili olayları incelemek ve kaydetmek için kurulmuştur. Bu süreçlerin incelenmesine hidroloji denir.

Gezegenler arasında Dünya, katı, sıvı ve gaz halinde suyun bulunduğu tek gezegendir. Bu koşullar, suyun hayati bir parçası olduğu yaşam için tam uygundur. Su, Dünya biyosferindeki en bol maddedir. Yeraltı suyu, su sisteminin önemli bir parçasıdır. Buhar soğuduğunda bulutlar ve yağmur oluşur. Yağmurun bir kısmı topraktan süzülerek alttaki kayalara geçer. Kayaların içindeki bu su, yavaş hareket eden yeraltı suyudur.

Önemli miktarda su içeren kaya kütlesine akifer denir. Su tablasının (yeraltı suyu seviyesi) altında akifer su ile doludur (veya doygundur). Su tablasının üzerinde doymamış bölge bulunur. Bazı bölgelerde iki veya daha fazla su tablası vardır. Bu bölgeler genellikle kaya ve kil gibi su geçirmeyen malzemelerle ayrılır. Yeraltı suyu, su tablasının altına sondaj yapılarak ve pompalanarak yüzeye çıkarılabilir. Pompalanabilecek su miktarı akiferin yapısına bağlıdır. Sıkı granit katmanlarında az su depolanırken, kireçtaşı akifer katmanlarında büyük miktarlarda su depolanır. Bazı bölgelerde yeraltı nehirleri bulunur.

Doğal Suda Bulunan Yaygın İyonlar

Hidroloji aynı zamanda katıların ve çözünen maddelerin su içinde ve suyla nasıl etkileşime girdiğinin incelenmesidir. Bu bağlamda, deniz suyunun bileşimi, atmosferin bileşimi, yağmur ve karın bileşimi ile nehir ve göl sularının bileşimi ayrıntılı olarak verilir. Tablo 1, deniz suyunda bulunan başlıca iyonları listeler. Bileşim bölgeye, derinliğe, enleme ve su sıcaklığına bağlı olarak değişir. Nehir ağızlarındaki sular daha az tuz içerir. İyonlar canlı organizmalar tarafından kullanılıyorsa, içerikleri organizma popülasyonlarına göre değişir.

Havadaki toz parçacıkları ve iyonlar, su damlalarının çekirdeklenme merkezidir. Bu nedenle, yağmur ve kar suları da şu iyonları içerir: Ca²⁺, Mg²⁺, Na⁺, K⁺, NH₄⁺. Bu katyonlar anyonlar ile dengelenir: HCO₃^–, SO₄^2-, NO₂^–, Cl^– ve NO₃^–. Yağmurun pH değeri 5,5 ile 5,6 arasındadır. Yağmur ve kar suları sonunda nehir veya göl sularına dönüşür. Yağmur veya kar suları düştüğünde bitki örtüsü, üst toprak, ana kaya, nehir yatağı ve göl tabanı ile etkileşime girer ve çözünebilen her şeyi çözer. Bakteriler, algler ve su böcekleri de çoğalır. İnorganik tuzların çözünürlükleri, çözünme kinetiği ve dengeleri tarafından yönetilir. Göl ve nehir sularındaki en yaygın iyonlar yağmur suyunda bulunanlarla aynıdır, ancak daha yüksek konsantrasyonlardadır. Bu suların pH değeri nehir yatağına ve göl tabanına bağlıdır. Doğal sular çözünmüş mineraller içerir. Ca²⁺ ve Mg²⁺ iyonları içeren sulara genellikle sert su denir.

Sert Su

Mineraller genellikle göller, nehirler, kaynaklar ve yeraltı su yolları (yeraltı suları) gibi doğal su kütlelerinde çözünür. Kalsiyum karbonat (CaCO₃), Yer kabuğundaki en yaygın inorganik bileşiklerden biridir. Hem kalsit hem de aragonitin bileşenidir. Bu iki mineral farklı kristal yapılara ve görünüme sahiptir.

Kalsiyum karbonat mineralleri suda, aşağıda gösterildiği gibi bir çözünürlük çarpımı ile çözünür.

$$ \text{CaCO}_3 \rightleftharpoons \text{Ca}^{2+} + \text{CO}_3^{2-} \;\;\; K_{sp} = 5 \times 10^{-9} $$

Çözünürlük çarpımından (bkz. örnek 1), molar çözünürlüğün 7,1 × 10^-5 M veya 7,1 mg/L (suda 7,1 ppm CaCO₃) olduğu hesaplanabilir. pH düştükçe (asitlik arttıkça) çözünürlük artar. Bu durum, su karbondioksit (CO₂) ile doygun hale geldiğinde daha da karmaşıklaşır. Doygun CO₂ çözeltisi, aşağıdaki reaksiyon nedeniyle çözünmeye yardımcı olan karbonik asit içerir:

$$ \text{H}_2\text{O} + \text{CO}_2 \rightleftharpoons \text{H}_2\text{CO}_3 $$

$$ \text{CaCO}_3 + \text{H}_2\text{CO}_3 \rightleftharpoons \text{Ca}^{2+} + 2\text{HCO}_3^- $$

Bu reaksiyonlar nedeniyle bazı doğal sular 300 ppm’den fazla kalsiyum karbonat veya eşdeğerlerini içerir.

Doğal sudaki karbondioksit ilginç bir fenomen yaratır. Yağmur suyu CO₂ ile doygundur ve kireçtaşlarını çözer. Sıcaklık değişiklikleri veya su damlalarından kaçış nedeniyle CO₂ kaybedildiğinde, ters reaksiyon gerçekleşir. Ancak oluşan katı, kalsit ile aynı kimyasal formüle sahip olan ancak farklı bir kristal yapısı olan aragonit adı verilen daha az kararlı bir faz olabilir.

Yağmur, yukarıda gösterilen iki reaksiyonla kalsiyum karbonatı çözer. Su iyonları beraberinde taşır, kayaların çatlaklarından sızar. Bir mağaranın tavanına ulaştığında, damla düşmeden önce orada uzun süre asılı kalır. Bu süre zarfında karbondioksit kaçar ve suyun pH değeri artar. Kalsiyum karbonat kristalleri görünmeye başlar. Kalsit, aragonit, sarkıt ve dikit, mağaraların oluşumunda bulunan dört yaygın katıdır.

Doğal sular metal iyonları içerir. Kalsiyum, magnezyum ve bunların karşıt anyonlarını içeren sulara sert sular denir. Sert suların aşağıdaki uygulamalar için arıtılması gerekir:

• Kazanlarda ve soğutma sistemlerinde ısı transfer taşıyıcısı
• Endüstriyel kimyasal uygulamalarda çözücüler ve reaktifler
• Yıkama ve temizlik için evsel su

Geçici ve Kalıcı Sert Su

Reaksiyonun tersinirliği nedeniyle,

$$ \text{CaCO}_{3(k)} + \text{H}_2\text{CO}_3 \rightleftharpoons \text{Ca}^{2+} + 2\text{HCO}_3^- $$

Ca²⁺, Mg²⁺ ve CO₃^2- iyonları içeren suya geçici sert su denir, çünkü sertlik kaynatılarak giderilebilir. Kaynatma, ters reaksiyonu tetikleyerek borularda tortu ve kazanlarda kireç taşı oluşumuna neden olur. Tortular kazanlardaki ısı transfer verimliliğini düşürür ve borulardaki su akış hızlarını azaltır. Bu nedenle, geçici sert suyun kazana, sıcak su tankına veya soğutma sistemine girmeden önce yumuşatılması gerekir. Kaynatılarak giderilebilen metal iyonlarının miktarına geçici sertlik denir.

Kaynatmadan sonra, klorür iyonları, sülfat iyonları, nitrat iyonları ve MgCO₃‘ün oldukça yüksek çözünürlüğü nedeniyle metal iyonları kalır. Kaynatılarak giderilemeyen metal iyonlarının miktarına kalıcı sertlik denir. Toplam sertlik, geçici sertlik ve kalıcı sertliğin toplamıdır. Sertlik genellikle çözeltideki kalsiyum iyonlarının eşdeğeri olarak ifade edilir. Bu nedenle, su şartlandırma önemli bir konudur. Su arıtma pazarının değerinin 30 milyar dolar olduğu tahmin edilmektedir.

Kireç-Soda ile Yumuşatma

Kireç-soda ile yumuşatma, hesaplanan miktarda sönmüş kireç, Ca(OH)₂ eklenerek geçici sertliğin giderilmesidir:

$$ \text{Ca}^{2+} + 2\text{HCO}_3^- + \text{Ca(OH)}_{2(k)} \rightarrow 2\text{CaCO}_{3(k)} + 2\text{H}_2\text{O} $$

Daha fazla kireç eklenmesi suyun pH değerinin artmasına neden olur ve sonuç olarak magnezyum iyonları şu reaksiyonla giderilir:

$$ \text{Mg}^{2+} + \text{Ca(OH)}_{2(k)} \rightarrow \text{Mg(OH)}_{2(k)} + \text{Ca}^{2+} $$

Ekstra kalsiyum iyonları sodyum karbonat eklenerek giderilebilir:

$$ \text{Na}_2\text{CO}_3 \rightarrow 2\text{Na}^+ + \text{CO}_3^{2-} $$
$$ \text{Ca}^{2+} + \text{CO}_3^{2-} \rightarrow \text{CaCO}_{3(k)} $$

Bu işlemde gerekli olan Ca(OH)₂ miktarı, geçici sertlik artı magnezyum sertliğine eşdeğerdir. Gerekli sodyum karbonat miktarı kalıcı sertliğe eşdeğerdir. Bu nedenle, hem geçici hem de toplam sertlik belirlenmişse kireç-soda yumuşatma etkilidir. İşlemden sonra sodyum iyonu suda kalacaktır. Suyun pH değeri de kullanılan kireç ve sodyum karbonat miktarına bağlı olarak oldukça yüksektir.

Kompleksleşme Tedavisi

Ca²⁺ ve Mg²⁺ ile çözünür kompleksler oluşturmak için kompleksleştirici reaktif eklenmesi katı oluşumunu önler. Kompleksleştirici ajanlardan biri, Calgon vb. olarak pazarlanan sodyum trifosfat Na₃PO₄‘tür (Not: Genellikle Na₅P₃O₁₀ kullanılır, ancak metin Na₃PO₄ belirtmiş). Fosfat kompleksleştirici ajandır. Na₂H₂EDTA gibi diğer kompleksleştirici ajanlar da kullanılabilir, ancak kompleksleştirici ajan EDTA^4- geçiş metalleriyle güçlü kompleksler oluşturur. Bu, sistemin boruları paslanmaz çelikten yapılmadığı sürece korozyon sorununa neden olur.

İyon Değişimi

Günümüzde çoğu su yumuşatıcısı zeolitleri kullanmakta ve sert suyu yumuşatmak için iyon değişimi tekniğini uygulamaktadır. Zeolitler, belirli volkanik kayalarda bulunan hidratlı kristal alüminosilikatlar grubudur. Tetrahedral olarak koordine edilmiş alüminyum ve silikon atomları, AlO₄ ve SiO₄ tetrahedral grupları oluşturur. Oksijen atomlarını paylaşarak birbirine bağlanır ve sağda gösterildiği gibi kafes tipi yapılar oluştururlar. Birçok zeolit türü vardır, bazıları yeni sentezlenmiştir.

Hangi tür olursa olsun, zeolitlerin kristal yapısı büyük kafesler içerir. Kafesler birbirine bağlanarak birçok boşluk ve kanala sahip bir iskelet oluşturur. Hem pozitif hem de negatif iyonlar aşağıda gösterildiği gibi bu boşluklarda ve kanallarda tutulabilir.

AlO₄ ve SiO₄ tetrahedral gruplarında paylaşılmayan her oksijen için grup üzerinde negatif bir yük kalır. Bu negatif yükler, alkali metal ve toprak alkali metal iyonlarının tutulmasıyla dengelenir. Daha fazla katyon tutulduğunda, hidroksit ve klorür iyonları zeolitlerin boşluklarında ve kanallarında kalacaktır.

Bir zeoliti su arıtımı için hazırlamak amacıyla, konsantre NaCl çözeltisine batırılırlar. Boşluklar barındırabilecekleri kadar çok sodyum iyonunu hapseder. İşlemden sonra zeolit, Na-zeolit olarak adlandırılır. Daha sonra tuz çözeltisi boşaltılır ve zeolit fazla tuzu gidermek için suyla yıkanır. Sert su bunların üzerinden aktığında, kalsiyum ve magnezyum iyonları Na-zeolit tarafından tutulur. Tutulan her Ca²⁺ veya Mg²⁺ için iki Na iyonu serbest bırakılır. Arıtılan su oldukça yüksek konsantrasyonda Na iyonu içerir, ancak Mg²⁺ ve Ca²⁺ konsantrasyonları düşüktür. Böylece, zeolit iyon değişimi sert suyu yumuşak suya dönüştürür.

İyon Değişimi ile Saf Su Eldesi

Çoğu durumda reçineler, katyon değiştirici reçine için polimer zincirine bağlı fonksiyonel -SO₃H grupları ve anyon değiştirici reçine için zincire bağlı fonksiyonel -N(CH₃)₃⁺ grupları içeren polistirendir. Reçineyi saf veya deiyonize su yapmak üzere hazırlamak için, katyon reçinesi HCl ile rejenere edilir, böylece gruplar gerçekten -SO₃H olur. Anyon reçinesi NaOH ile rejenere edilir, böylece fonksiyonel gruplar -N(CH₃)₃(OH) olur. Herhangi bir metal iyonu M⁺ ve anyon A^– içeren su, iki aşamada iyon değiştirici reçinelerden geçtiğinde aşağıdaki reaksiyonlar gerçekleşir:

$$ \text{M}^+ + \text{-SO}_3\text{H} \rightarrow \text{H}^+ + \text{-SO}_3\text{M} $$

$$ \text{A}^- + \text{-N(CH}_3)_3\text{(OH)} \rightarrow \text{OH}^- + \text{-N(CH}_3)_3\text{A} $$