Elektrochemie/ Korrosionsmechanismen des Stahls

[veritas]

Hallo Leute!

Es geht hierbei um eine Korrosionsfrage in der Geothermieanlage.
Und zwar, werden beim Filtertausch ca. 1 m3 Luft in die Anlage mit dem Geothermwasser reinfliessen. Die Luft gelangt dann in das 2 km langes C-Stahl Rohr 9 5/8".

Die erste Frage ist, wie genau Luft sich im Geothermalwasser löst?
Und die zweite Frage: zu wie viel Korrosion des C-Stahls kann das führen?

Ich bin wie folgt vorgegangen:
Mit den Henry Law Konstanten (O2= 756,7 amt/(mol/l); 21 % O2 in der Luft) kann man das gelöste Sauerstoff in der wässrigen Lösung berechnen:
Co= 1 atm* 0,21 / 756,1 atm.(mol/l) * 31,9988 g/mol = 0,0089 g/l ~ 0,0089 g/kg = 8,9 g pro 1 m3

Aus der kathodischen und anodischen Reaktion während der Korrosion (Eisen des Stahls mit dem Sauerstoff in der wässr. Lsg.) folgt (et Bardal 2003, Corrosion and protection):

Fe -> Fe2+ + 2 e-
Bei ½ O2 + H2O +2e- -> 2OH-
(Fe3+ kann auch entstehen, aber das habe ich bei der Berechnung weggelassen, es geht schliesslich ums Prinzip)

Aus den Reaktionsgleichungen heisst es für mich: ½ mol O2 kann 1 mol Fe aus dem Stahl rauslösen, d.h. dann
O2 = 8,9 g pro 1 m3 *31, 99 g/mol = 0,2781 mol pro 1 m3 Luft löst 0,5562 mol Fe,
das entspricht 31,06 g Fe.

Ich bin mir aber nicht wirklich sicher, ob meine Schlussfolgerungen korrekt sind und ob ich den Korrosionsmechanismus richtig verstanden habe. Ich weiss nicht genau, ob das gelöste Eisen flächenunanhängig ist, ober wie soll man dies auf 2 km 9 5/8" langes Rohr berechnen ....
Fläche des 9 5/8" Rohres, 2 km lang: 2pi r(r+h)= 2pi *0,12 ( + 2000m) = 1508 m3

Für jede Hilfe/ Anregung oder besseres Lösungsansatz bin ich auf jeden Fall sehr dankbar!

[mgritsch]

Es geht hierbei um eine Korrosionsfrage in der Geothermieanlage.

ist das eine Real-Frage oder eine Hypothetische Frage (zB Prüfungsbeispiel, Fingerübung,...)?
Geht es dir um die Anwendung der Rechenlogik oder die Frage der tatsächlichen Korrosionswirkung?

Und zwar, werden beim Filtertausch ca. 1 m3 Luft in die Anlage mit dem Geothermwasser reinfliessen. Die Luft gelangt dann in das 2 km langes C-Stahl Rohr 9 5/8".

Die erste Frage ist, wie genau Luft sich im Geothermalwasser löst?
Und die zweite Frage: zu wie viel Korrosion des C-Stahls kann das führen?

Ich bin wie folgt vorgegangen:
Mit den Henry Law Konstanten (O2= 756,7 amt/(mol/l); 21 % O2 in der Luft) kann man das gelöste Sauerstoff in der wässrigen Lösung berechnen:
Co= 1 atm* 0,21 / 756,1 atm.(mol/l) * 31,9988 g/mol = 0,0089 g/l ~ 0,0089 g/kg = 8,9 g pro 1 m3

und nachdem 1 m3 luft = 210 liter O2 = 9,4 mol = 300g O2 --> bräuchte es etwa 33 m3 Wasser um es zu lösen.
ABER - bei welcher Temperatur? Und unter welchem Druck steht das System im Betrieb? Das hast du nicht berücksichtigt...

Fe -> Fe2+ + 2 e-

das ist eigentlich alles was man voraussetzen muss, oder einfacher: 2Fe + O2 -> FeO
und damit stimmt das weitere bzw kann man sagen pro mol O2 (32g) 2 mol Fe (112g) - das Verhältnis wird sich immer einstellen, und auch wenn die Löslichkeit im Wasser anfangs nicht reichen sollte, dann löst sich halt langsam O2 nach so wie es vom Eisen verbraucht wird.

das hier:

½ O2 + H2O +2e- -> 2OH-

kann dir aber einen Streich spielen - denn daraus ergibt sich die pH-Abhängigkeit der Reaktion. Ist das Wasser neutral bis schwach sauer, dann läuft die Reaktion ab. Ist es aber zumindest schwach alkalisch (pH > 8 ), dann passiert praktisch gar nix - einfaches chemisches Gleichgewicht. (deswegen halten Wasserwerke den pH auch gerne bei ca 8 - das ist noch ohne störenden Geschmack aber korrosionsschützend)

Aus den Reaktionsgleichungen heisst es für mich: ½ mol O2 kann 1 mol Fe aus dem Stahl rauslösen, d.h. dann
O2 = 8,9 g pro 1 m3 *31, 99 g/mol = 0,2781 mol pro 1 m3 Luft löst 0,5562 mol Fe,
das entspricht 31,06 g Fe.

keine Ahnung was du da kompliziertes machst...?
1 m3 luft = 210 liter O2 = ca 9,4 mol --> kann ca 18,8 mol Fe oxidieren = ca 1 kg = ca 0,14 liter.

Ich weiss nicht genau, ob das gelöste Eisen flächenunanhängig ist

was meinst du damit?

Fläche des 9 5/8" Rohres, 2 km lang: 2pi r(r+h)= 2pi *0,12 ( + 2000m) = 1508 m3

öhm... das schwierigste ist herauszufinden was diese komische zöllige Angabe bezogen auf den tatsächlichen Innendurchmesser heißt. 24 cm sollen das sein?
sonst ja, Umfang x Länge.
Und eine Flächs sollte immer m² sein.