Beispielrechnung zur Ionenbilanz
Das folgende Beispiel diskutiert den Unterschied zwischen dem Ionenbilanzfehler mit und ohne Berücksichtigung der Speziierung und Komplexbildung. Der letzte Fall entspricht der DIN 38402-62:2013-10. (Siehe hierzu auch die PowerPoint-Präsentation.)
Das Beispielwasser
Wir verwenden das Beispielwasser aus Anhang A der oben genannten DIN-Vorschrift.
Kationen | mmol/L | Anionen | mmol/L | |
---|---|---|---|---|
Na | 0.957 | NO3 | 1.100 | |
K | 0.072 | Cl | 1.805 | |
Ca | 3.818 | SO4 | 1.520 | |
Mg | 0.864 | KS43 | 4.960 | |
Fe(2) | 0.052 | |||
Mn | 0.019 |
Dieses Beispielwasser ist aqion als ib.sol beigefügt und lässt sich mit der Taste Open einlesen. (Man kann es aber auch direkt ins Programm eingeben, wobei der KS43-Wert als Alkalinität einzutragen ist — siehe Screenshot rechts.)
Da keine Angaben zum pH und zur Temperatur vorliegen, verwenden wir pH = 7 und T = 25.
Die Ergebnisse
Mit Klick auf die Start-Taste erhält man folgende Ergebnisse:
- Standard — exakte Berechnung mit Speziierung & Komplexbildung (siehe hier):
Ionenbilanzfehler ΔIB: | -1.89 % |
Summe Kationen: | 9.59 meq/L |
Summe Anionen: | 9.96 meq/L |
- Optional: DIN 38402-62:2013-10 — Näherung (da ohne Speziierung, siehe hier), verwendet andere Normierung (Faktor 2):
Ionenbilanzabweichung | -3.45 % |
Summe Kationen: | 10.54 meq/L |
Summe Anionen: | 10.91 meq/L |
Gesamtionenkonzentration: | 15.17 mmol/L |
Woher kommt der Unterschied?
Der Unterschied zwischen beiden Ionenbilanzfehlern wird durch das Verwenden bzw. Ignorieren der Speziierung/Komplexbildung verursacht (abgesehen vom Normierungsfaktor 2). So ergeben sich für die Summe der Kationen folgende Werte in meq/L:1
Kationen | Ladung | aqion | DIN | Anionen | Ladung | aqion | DIN | |
---|---|---|---|---|---|---|---|---|
Na+ | 1 | 0.952 | 0.957 | NO3- | -1 | 1.100 | 1.100 | |
K+ | 1 | 0.072 | 0.072 | Cl- | -1 | 1.805 | 1.805 | |
Ca+2 | 2 | 6.777 | 7.635 | SO4-2 | -2 | 2.278 | 3.040 | |
Mg+2 | 2 | 1.516 | 1.728 | HCO3- | -1 | 4.762 | 4.960 | |
Fe+2 | 2 | 0.074 | 0.104 | CO3-2 | -2 | 0.006 | – | |
Mn+2 | 2 | 0.026 | 0.038 | NaSO4- | -1 | 0.006 | – | |
CaHCO3+ | 1 | 0.128 | – | KSO4- | -1 | 0.0004 | – | |
MgHCO3+ | 1 | 0.027 | – | |||||
FeHCO3+ | 1 | 0.011 | – | |||||
MnHCO3+ | 1 | 0.004 | – | |||||
Summe | 9.59 | 10.53 | Summe | 9.96 | 10.91 |
Setzt man diese Werte in die entsprechenden Gleichungen für die Ionenbilanz ein, so folgt:
(1) |
(2) |
Man beachte: Der Normierungsfaktor 2 steckt im Nenner von 2, da 1/0.5 = 2.
Speziierung und Komplexbildung
Metallkomplexe. Es ist durchaus aufschlussreich, wenn man sich die Komplexbildung der Metalle etwas genauer anschaut (Angaben in mM):2
freies Ion | HCO3- | CO3-2 | SO4-2 | Summe | |
---|---|---|---|---|---|
Na | Na+ | NaHCO3 | NaSO4- | ||
0.952 | 0.002 | 0.003 | 0.957 | ||
K | K+ | KSO4- | |||
0.072 | 0.0004 | 0.072 | |||
Ca | Ca+2 | CaHCO3+ | CaCO3 | CaSO4 | |
3.388 | 0.128 | 0.007 | 0.295 | 3.818 | |
Mg | Mg+2 | MgHCO3+ | MgCO3 | MgSO4 | |
0.758 | 0.027 | 0.001 | 0.078 | 3.864 | |
Mn | Mn+2 | MnHCO3+ | MnCO3 | MnSO4 | |
0.013 | 0.004 | 0.001 | 0.001 | 0.019 | |
Fe | Fe+2 | FeHCO3+ | FeCO3 | FeSO4 | |
0.037 | 0.011 | 0.001 | 0.003 | 0.052 | |
Summe | 5.220 | 0.171 | 0.010 | 0.381 | 5.782 |
Man erkennt unschwer, dass ein nicht zu vernachlässigende Anteil von ca. 0.4 mM in ungeladener Form vorliegt (wobei die neutralen Sulfatkomplexe den Hauptanteil stellen).
Metallkomplexe können auch negativ sein: NaSO4- und KSO4-. Deren Anteil ist hier aber sehr gering.
DIC. Der gelöste anorganische Kohlenstoff liegt in folgender Form vor:
CO2 | 0.948 mM |
HCO3- | 4.762 mM |
CO3-2 | 0.003 mM |
HCO3- Komplexe | 0.171 mM |
CO3-2 Komplexe | 0.010 mM |
Summe (DIC) | 5.894 mM |
Sulfat. Die Massenbilanzierung von Sulfat ist in diesem Beispiel relativ einfach:
SO4-2 | 1.139 mM |
SO4-2 Komplexe | 0.381 mM |
Summe (Sulfat) | 1.520 mM |
Anmerkungen
-
Darüber hinaus bilden sich auch neutrale aquatische Komplexe, die allerdings in die Berechnung des Ionenbilanzfehlers nicht eingehen. Dazu gehören 0.295 mM CaSO4, 0.078 mM MgSO4, 0.007 mM CaCO3 und — nicht zu vergessen — 0.948 mM CO2(aq). Das alles wird hier erläutert. ↩
-
In den Ausgabetabellen von aqion treten zusätzlich noch andere Spezies und Komplexe auf, allerdings mit Konzentrationen unter 0.004 mM. ↩