Aqion
| aqion | |
|---|---|
| Aktuelle Version | 2.7.3 (März 2013) |
| Betriebssystem | Windows |
| Programmiersprache | C/C++ |
| Kategorie | Hydrochemie |
| Deutschsprachig | ja |
| aqion.de | |
Aqion ist ein Hydrochemie-Programm zur Berechnung/Behandlung "einfacher" wasser-relevanter Aufgaben aus der täglichen Praxis. Das Programm aqion ist frei für den privaten Gebrauch, für die Ausbildung sowie für den kommerziellen Gebrauch.
Inhaltsverzeichnis
[Verbergen]Motivation & Entstehungsgeschichte[Bearbeiten]
Erstens. Die meisten Hydrochemie-Programme sind für Experten und den wissenschaftlichen Gebrauch zugeschnitten. Das Programm aqion—in Form eines "hydrochemischen Taschenrechners"—soll den Einstieg in dieses Fachgebiet erleichtern.
Zweitens. Das Programm vermittelt zwischen zwei Terminologien/Konzepten: Die Berechnungen erfolgen im "wissenschaftlichen Sektor" der chemischen Thermodynamik (Aktivitäten, Speziierung, log K-Werte, Ionenstärke, etc.). Der Output wird anschließend in den sonst üblichen, wasser-relevanten Sprachgebrauch übertragen: Konzentrationen, Alkalinität, Pufferkapazitäten, Wasserhärte, Leitfähigkeit usw.
Entstehungsgeschichte. Version 1.0 wurde erstmals im Januar 2012 freigegeben (nach einem halbjährigen Testlauf in 2011). Das Programm wird seitdem ständig weiterentwickelt (ca. 1-2 Updates pro Monat).
Leistungsmerkmale[Bearbeiten]
- Prüft Wasseranalysen (Ladungsbilanzfehler, Parameteranpassung)
- Berechnet physikochemische Parameter: Alkalinität, Pufferkapazitäten (KS43, KS82, KB43, KB82), Wasserhärte, Ionenstärke
- Berechnet Gleichgewichts-Speziierung und Komplexierung
- Berechnet den pH-Wert von Säuren, Basen und Salzen, bzw. nach deren Zudosierung zu vorgegebenen Lösungen
- Berechnet das Kalk-Kohlensäure-Gleichgewicht (Calcitsättigung, Sättigungs-pH-Wert, offenes/geschlossens CO2-System)
- Berechnet Auflösung und Fällung von Festphasen/Mineralen (sowie zugehörigen Sättigungsindex)
- Berechnet Redoxreaktionen
Anwendungsfelder[Bearbeiten]
- Wasseranalysen und Wasserqualität
- Geochemie und Umweltchemie (in einfachster Form)
- Ausbildung
Modellgrenzen[Bearbeiten]
- nur anorganische Chemie (keine organischen Verbindungen)
- nur chemisches Gleichgewicht (keine chemische Kinetik)
- nur wässrige Lösungen mit Ionenstärke ≤ 0.7 mol/L[1] (keine Salzlaugen, Solen)
Algorithmus & Numerischer Solver[Bearbeiten]
Es gibt zwei fundamentale Ansätze in der Hydrochemie:
- Massenwirkungsgesetz (LMA - Law of Mass Action)
- Minimierung der Gibbs-Energie (GEM -Gibbs Energy Minimization)[2]
Das Programm aqion gehört zur ersten Kategorie ("LMA approach"). Gegeben ist ein Satz von NB unabhängigen Basiskomponenten j (Master-Spezies), aus dem man NS sekundäre Spezies i bilden kann. Das Gesamtsystem ist damit durch NS Massenwirkungs- und NB Massenerhaltungs-Gleichungen vollständig bestimmt:
(1) Massenwirkungsgesetz: mit i = 1 ... NS
(2) Massenerhaltung: mit j = 1 ... NB
wobei Ki die Gleichgewichtskonstante zur Bildung der Sekundär-Spezies i ist und νi,j den stöchiometrischen Koeffizienten der Master-Species j in der Sekundär-Spezies i symbolisiert (der Wert von νj,i kann positiv oder negativ sein). Hier in den Gleichungen sind die Aktivitäten ai durch geschweifte Klammern {i} bezeichnet, wärend die Konzentratioen ci mittels rechteckigen Klammern [i] abgekürzt sind. Beiden Größen stehen miteinander in Beziehung über die
(3) Aktivitätskorrektur:
mit γi als den Aktivitätskoeffizienten, der sich aus der Debye-Hückel-Theorie und/oder Davies-Gleichung ergibt. Setzt man Gl.(1) in Gl.(2) ein, so folgt eine nicht-lineare Polynomial-Funktion fj für die Master-Spezies j:
(4)
welche die objektive Function des Newton-Raphson-Verfahrens ist.
Zur Lösung von Gl.(4) verwendet aqion den numerischen Solver der Open-Source Software PhreeqC.[3][4] Die zugehörigen Gleichgewichtskonstanten Ki werden aus der thermodynamischen Datenbank wateq4f entnommen. [5]
Beispiele, Test & Verifikation[Bearbeiten]
Zum Softwarepaket gehört ein Satz von Beispielwässern (Inputwässer) sowie ein Online-Manual zum Lösen typischer Wasserchemie-Aufgaben. Darüber hinaus findet man zahlreiche Beispiele zum Nachrechnen/Testen in klassischen Lehrbüchern.[6][7][8]
Zur Programmverifikation werden auch die Beispiele der DIN 38404-10:1995-04 herangezogen.[9]
Screenshots[Bearbeiten]
- Aqion input panel vers 2.3.8.jpg
Eingabefenster von aqion
Ergebnis einer pH-Berechnung (Beispiel)
- Aqion screenshot calcite carbonate system.jpg
Parameter des Kalk-Kohlensäure-Gleichgewichts
Referenzliste[Bearbeiten]
- Hochspringen ↑ Anmerkung: Die obere Anwendungsgrenze ist Meereswasser.
- Hochspringen ↑ http://www.kristall.uni-frankfurt.de/media/handouts/GEM-lecture.PDF
- Hochspringen ↑ Parkhurst, D.L. and C.A.J. Appelo: User's Guide to PHREEQC (version 2), a computer program for speciation, batch-reaction, one-dimensional transport and inverse geochemical calculations. USGS Water-Resources Investigations Report 99-4259, 1999
- Hochspringen ↑ Remark: To keep things apart, the numerical solver of PhreeqC is outsourced from aqion.exe into a separate DLL.
- Hochspringen ↑ Ball J.W. and D.K. Nordstrom: WATEQ4F – User’s manual with revised thermodynamic data base and test cases for calculating speciation of major, trace and redox elements in natural waters, USGS Open-File Report 90-129, 185 p, 1991.
- Hochspringen ↑ Sigg, L. und W. Stumm: Aquatische Chemie: Einführung in die Chemie natürlicher Gewässer, UTB, Stuttgart; 5. Auflage, 2011, ISBN 978-3825284633
- Hochspringen ↑ Morel, F.M.M. and J.G. Hering: Principles and Applications of Aquatic Chemistry (2nd ed.), John Wiley, New York, 1993, ISBN 978-0471548966
- Hochspringen ↑ Appelo, C.A.J. and D. Postma: Geochemistry, Groundwater, and Pollution. Taylor & Francis, 2005, ISBN 978-0415364287
- Hochspringen ↑ DIN 38404-10, April 1995. Deutsche Einheitsverfahren zur Wasser-, Abwasser- und Schlammuntersuchung - Physikalische und physikalisch-chemische Stoffkenngrößen (Gruppe C) - Teil 10: Calcitsättigung eines Wassers (C 10)
