Talousveden ja materiaalien väliset vuorovaikutukset

Talousveden ja materiaalien väliset vuorovaikutukset Matematiikan, fysiikan ja kemian AMK-opettajien päivät 2014 6.5.2014 Riika Mäkinen Erikoistutkija, FT

Vesi-Instituutti WANDER SAMKin Raumalla toimiva kehittämis- ja tutkimusyksikkö Perustettu 2005 teollisuuden aloitteesta 8 työntekijää: mm. vesihuolto- ja materiaalitekniikka, kemia, mikrobiologia) Asiantuntijaorganisaatio: Talousvesi ja veden kanssa kosketuksissa olevat materiaalit Vastaavaa asiantuntemusta ei muualla Suomessa

Asiantuntemus ja palvelut

Julkaisut ja raportit Vesi-Instituutti WANDERin julkaisusarja: 6 julkaisua Vesi-Instituutti WANDERin raporttisarja: 3 raporttia

www.vesikoulu.fi, www.vattenskola.fi Yläkoulu ikä 13 14 Alakoulu ikä 10 11 Vesikoulu koostuu selainpohjaisesta opetusmateriaalista ja lisämateriaaleista. Oppaina: Pipsa & Paavo

Talousveden ja materiaalien väliset vuorovaikutukset

Talousveden laatu Talousveden laatuun vaikuttavat Raakavesi ja vedenkäsittelyt Verkoston rakenne, viipymäajat ja lämpötilat Verkoston ja vesilaitteistojen materiaalit Veden laatu voi heikentyä materiaalien vuoksi, jos Materiaaleista liukenee terveydelle haitallisia aineita Liukenevat aineet aiheuttavat haju- ja makuvirheitä Materiaaleista liukenevien ravinteiden tai materiaalien ominaisuuksien vuoksi muodostuu paljon verkostosakkaa (biofilmiä)

Veden teknis-esteettinen laatu Talousvesiasetus: ph, kloridi, sulfaatti, sähkönjohtavuus, haju ja maku, sameus, väriluku Veden tekninen laatu = veden syövyttävyyteen vaikuttavat tekijät ph, alkaliteetti, kovuus kloridi, sulfaatti, sähkönjohtavuus, hiilidioksidi Talousvesiasetus Vesi ei saa aiheuttaa haitallista syöpymistä tai haitallisten saostumien syntymistä vesijohdoissa ja vedenkäyttölaitteissa. Säädöksissä ei ole määritelty, milloin vesi on syövyttävää Rakentamismääräyskokoelma D1: 2.2.1 Vesilaitteistoon saadaan johtaa vain vettä, joka täyttää talousvedelle asetetut laatuvaatimukset 2.2.1 Jos talousvetenä käytetään muusta vesilähteestä kuin vesihuoltolaitoksesta saatavaa vettä, veden laatu on selvitettävä

Talousveden laatusuositukset* Suositus Tavoitearvot ph-arvo 6,5-9,5 Kloridipitoisuus < 250 mg/l < 25 mg/l Sulfaattipitoisuus < 250 mg/l < 150 mg/l Rautapitoisuus < 0,2 mg/l Alumiinipitoisuus < 0,2 mg/l Mangaanipitoisuus < 0,05 mg/l Sähkönjohtavuus < 2500 µs/cm * Vesi ei saa olla syövyttävää

Happi Katodireaktio Pitoisuus aina korroosioon riittävä, jos ei varta vasten poistettu Tarvitaan suojakerrostumien muodostamiseen Liuenneen hapen määrä riippuu lämpötilasta

Sameus ja TOC Sameus Veden kirkkautta kuvaava yksikkö Sameusyksiköitä useita: NTV = NTU, FTU TOC Veden orgaanisen hiilen määrä (total organic carbon) Esim. humus

ph ja alkaliteetti ph = happamuuden mitta Happaman veden ph alle 7 ph 7 on neutraali Emäksinen tai alkalinen ph on yli 7 Alkaliteetti Kuvaa veden kykyä neutraloida happamia aineita (veden puskurikyky) Bikarbonaattipitoisuus Vesi happamoituu helposti, jos alkaliteetti on < 0,5 mmol/l Asiditeetti Kuvaa veden kykyä neutraloida emäksisiä aineita (veden puskurikyky) Veden hiilidioksidin määrä Aine ph Akkuhappo <1,0 Mahahappo 2 Sitruunamehu 2,4 Kolajuoma 2,5 Etikka 2,9 Appelsiini- ja omenamehu 3,5 Olut 4,5 Kahvi 5 Tee 5,5 Happosade < 5,6 Maito 6,5 Puhdas vesi 7 Ihmisen sylki 6,5 7,4 Veri 7,34-7,45 Merivesi 8 Käsisaippua 9,0 10,0 Ammoniakki 11,5 Pyykinpesuaine 12,5 Lipeä (NaOH) 13,5 Wikipedia

Korroosionopeus (mm/a) Korroosionopeus (mm/a) Metallien taipumus liueta riippuu ph-arvosta Sinkki Teräs 3 1 2,5 0,8 2 1,5 1 0,5 0 2 4 6 8 10 12 14 0,6 0,4 0,2 0 2 4 6 8 10 12 14 ph-arvo ph-arvo

Veden kovuus Kalsium ja magnesium aiheuttavat pääosin (liuenneet metallisuolat) Liian kovassa vedessä tulee saostumia putkistoon ja laitteistoon ns. kattilakiveä Pieni kovuus (=pehmeä vesi) lisää korroosioriskiä Vaikuttaa mm. pesuaineen annosteluun Kovan veden sanotaan maistuvan paremmalle

Hiilidioksidi Hiilidioksidin liukoisuus veteen riippuu mm. ph-arvosta, lämpötilasta ja paineesta Vapaa hiilidioksidi vedessä kiihdyttää korroosiota Laskee veden ph-arvoa Estää suojaavien karbonaattikerrostumien muodostumista

Kloridit ja sulfaatit Lisäävät veden sähkönjohtavuutta Kloridit kiihdyttävät etenkin ruostumattoman teräksen paikalliskorroosiota ja sulfaatit kuparimetallien korroosiota Kriittisten pitoisuuksien asettaminen vaikeaa

Lämpötila Monitahoiset vaikutukset Hapettuminen kiihtyy lähes lineaarisesti lämpötilan kasvaessa Kaasujen liukoisuus pienenee T ( C) 0 10 20 50 70 90 happi (mg/l) 15 11 9 5,7 4,0 1,7 Aineiden liukoisuus muuttuu Vaikuttaa reaktiotuotekerrosten rakenteeseen ja ominaisuuksiin (esim. sinkkipinnoite menettää suojauskykynsä n. 60-70 C:ssa)

Virtaus Estää saostumien muodostumista Tuo happea pinnoille Virtauksen nopeus ja pyörteisyys vaikuttavat erityisesti eroosiokorroosioon Seisovat olosuhteet vaikuttavat myös korroosioon Hapen puutteessa kuparilla suojaava oksidikerros pienenee

Mikrobiologisia käsitteitä Mikrobit ovat pieniä eliöitä, joihin kuuluu mm. Bakteerit (antibiootti tehoaa) Virukset (antibiootit eivät tehoa) Alkueläimet Homeet, sienet Ei voi nähdä paljaalla silmällä, vaan todetaan laboratoriotestein Osa aiheuttaa tauteja, osa hyödyllisiä Vedestä löytyy aina, ei saa olla tauteja aiheuttavia

Mistä mikrobeja talousveteen? Raakavesi Vedenkäsittely Materiaalien pinnat (biofilmit) Maaperä (putkirikot) Saastuminen (E. coli, norovirus, kambylobakteerit) Systeemissä kasvavat/elävät mikrobit Ei haittaa terveydelle (Heterotrofiset mikrobit) Terveyshaitta (Legionella, mykobakteerit)

Biofilmit Verkostomateriaalien sisäpinnalle kertyvää sakkaa Kertyvät kaikille materiaaleille Biofilmi muodostuu mikrobiologisen toiminnan seurauksena Muodostumiseen vaikuttaa veden laatu (esim. ravinteet, kloori), lämpötila, virtausnopeus ja putkimateriaali Aiheuttaa pääasiassa mikrobiologista korroosiota (MIC Microbially Induced Corrosion) ja esteettisiä haittoja Toimii suojana ja kasvualustana mikrobeille

VEDEN LAATU - ravinteet, metallit, tekniset ominaisuudet, lämpötila Biofilmit ja niiden sisältämät mikrobit - mikrobit kasvavat materiaalin pinnalla biofilmissä - veden laadun ja materiaalien heikentyminen Korroosio ja liukeneminen - kemialliset ja sähkökemialliset ilmiöt - veden laadun ja materiaalien heikentyminen MATERIAALI - koostumus, ominaisuudet ja rakenne

Verkostomateriaalit ja talousvesi Suomalaisissa talousvesiverkostoissa paljon erilaisia materiaaleja Materiaalit verkostoissa pitkiä aikoja (kymmeniä vuosia) Talousveden laatu vaihtelee Veden viipymä verkostossa Materiaalien ja talousveden vuorovaikutus

Jakelu- ja kiinteistöverkostojen uudisrakentamiseen käytettäviä putki-, pinnoite- ja tiivistemateriaaleja Jakeluverkosto Kiinteistöverkosto Pinnoitteet ja tiivisteet Metallit Metallit Kumit Harmaa valurauta Kupari Eteenipropeenikumi (EPDM) Pallografiittirauta* Pallografiittirauta Fluorikumit Teräs* Sinkitty teräs Klooributyylikumi (CllR) Ruostumaton ja haponkestävä teräs Ruostumaton teräs Luonnonkumi (NR) Alumiini Alumiini Nitriilikumi (NBR) Messinki Messinki Styreenibutadieenikumi (SBR) Punametalli Punametalli Pronssi Muovit Muovit Muovit Kova polyeteeni (PEH) Lasikuituvahvistettu muovi (GRP) Epoksi Keskikova PE (PEM) Polyeteenitereftalaatti (PET) Polyamidi (PA) Pehmeä PE (PEL) Polykarbonaatti (PC) Polyeteenitereftalaatti (PET) Ristisilloitettu PE (PEX) Ristisilloitettu PE (PEX) Polytetrafluorieteeni (PTFE) Polyvinyylikloridi (PVC) Polyfenyylioksidi (PPO) Polyamidi (PA) Polyamidi (PA) Muut Polyasetaali (POM) Polyasetaali (POM) Betoni/sementtilaasti Polypropeeni (PP) Polypropeeni (PP) Emali Polyfenyylisulfoni (PPSU) Styreenin ja akryylinitriilin kopolymeeri (SAN) * Veden kanssa kosketuksissa olevat osat käytännössä yleensä pinnoitettuja

Veden ja materiaalin vuorovaikutus 1/2 Verkostojen materiaalit ja talousvesi ovat jatkuvassa vuorovaikutuksessa keskenään Liukeneminen Korroosio Verkostosakka (Biofilmi) Kaikista materiaaleista voi liueta epäsuotuisissa olosuhteissa merkittäviä määriä aineita veteen Jakelu- ja kiinteistöverkostoissa pätevät samat kemialliset, biologiset ja fysikaaliset vuorovaikutusilmiöt Onko parempi: Käsitellä vesi materiaaleille sopivaksi? Tehdä materiaalit vedelle sopivaksi?

Veden ja materiaalin vuorovaikutus 2/2 Talousveden laatusuositukset Yleiset suositukset korroosion estämiseksi Suositus Tavoitearvot VVY Sitra ph-arvo 6,5-9,5 > 7,5 > 8,3 Kloridipitoisuus < 250 mg/l < 25 mg/l < 50 mg/l Sulfaattipitoisuus < 250 mg/l < 150 mg/l < 100 mg/l Rautapitoisuus < 0,2 mg/l Alumiinipitoisuus < 0,2 mg/l Mangaanipitoisuus < 0,05 mg/l Sähkönjohtavuus < 2500 µs/cm Alkaliteetti > 0,6 mmol/l > 0,6 mmol/l Kalsium > 10 mg/l

Metalliset materiaalit Metallien korroosio on materiaalin reagoimista ympäristönsä kanssa epätoivotuin seurauksin Yleinen liukeneminen Piste- tai kuoppakorroosio Valikoiva eli selektiivinen liukeneminen (esim. messinkien sinkinkato) Haitat riippuvat mm. korroosion nopeudesta ja syntyvistä reaktiotuotteista Vedessä oleva kupari voi aiheuttaa saniteettikalusteiden värjäytymistä Metallien liukenemiseen vesijohtovedessä vaikuttavat eniten veden laatu, käyttöolosuhteet, lämpötila ja altistusaika Esim. ph-arvo, kovuus, hiilidioksidipitoisuus, virtaus, viipymä Liukeneminen on yleensä alussa voimakkainta ja pienenee ajan kuluessa

Muoviset materiaalit Muoveista ja kumeista liukenevat aineet voivat heikentää veden laatua Liukenevat aineet voivat olla terveydelle haitallisia tai aiheuttaa haju- ja makuhaittoja Valmistus- ja lisäaineet, valmistusprosessit, reaktiot veden tai biofilmin (verkostosakan) kanssa, kulkeutuminen (migraatio) Liukenevat aineet voivat olla mikrobien ravinteita, jolloin bakteerit ja biofilmit voivat lisääntyä ja aiheuttaa haittoja Muoveilla ei esiinny perinteistä korroosiota, mutta myös niillä on vanhenemisprosesseja, jotka vaikuttavat materiaalin kestoon Esim. liuottimet, auringon valo Muovien ja kumien läpi voi myös diffusoitua haitallisia aineita putken sisään ja veteen Liukeneminen on yleensä alussa voimakkainta ja pienenee ajan kuluessa

Sementtiset materiaalit Hapan, pehmeä ja alhaisen alkaliteetin vesi on yleensä aggressiivista sementtipohjaisille materiaaleille, liukenemisen seurauksena veden pharvo voi nousta Betonin kalsium voi muuttua vedessä olevien rikkipitoisten yhdisteiden vaikutuksesta kipsiksi. Tässä muodossa kalsium vaatii huomattavasti suuremman tilavuuden, mistä syystä betoni alkaa paisua pinnasta käsin ja rakenne hajoaa Haju- ja makutesteissä betonin lisäaineet melko reagoimattomia ja kestävät tyydyttävästi ikääntymistä, joistakin lisäaineista kumin ja muovin hajua veteen Sisältää mm. kesto-ominaisuuksia parantavia epäorgaanisia ja orgaanisia aineita, joista voi liueta erilaisia haitallisia aineita sekä mikrobien ravinteita Pinnoitteiden kestävyydestä ja kiinni pysymisestä kaivataan lisää tietoa Liukeneminen on yleensä alussa voimakkainta ja pienenee ajan kuluessa

Korroosio vesijohdoissa ja laitteissa Korroosio on yleisin syy vesilaitteiden ja putkistojen saneeraamiseen Lyhentää käyttöikää, vähentää vedenjakelun tehokkuutta, heikentää veden laatua, lisää kunnossapidon kuluja Korroosionesto Materiaalivalinnat ja valmistustekniikat Käyttöolosuhteiden hallinta ja käyttöympäristön muuttaminen

Korroosiomuodot 1/6 Tasainen eli yleinen korroosio Ei pidetä kovin ongelmallisena putkimateriaaleissa, kupariputkilla haitta näkyy ns. sinisen veden häiriönä Kupariputkilla muodostuu suojaava oksidikerros Galvaaninen korroosio Kahden eri metallin ollessa sähköisessä kontaktissa keskenään samassa liuoksessa, epäjalompi metalleista syöpyy Hyödynnetään ns. katodisessa suojauksessa Kupari yleensä jalompi metalli, jolloin epäjalompi syöpyy

Korroosiomuodot 2/6 Rako- eli piilokorroosio Metallikappaleiden välisissä raoissa tai metalli ja epämetallien (kumitiivisteet, -letkut) välissä Lian (esim. hiekka) peittäessä metallin pintaa -> paikallinen syöpymä Pistekorroosio Paikallinen, pistemäinen syöpymä, joka aiheuttaa vuotoja Metallin ollessa passiivisessa tilassa, jolloin yleiskorroosio on vähäistä -> tyypillistä metalleilla joille muodostuu passiivikalvo Yleisin korroosiotyyppi kuparilla, johtuu lähes aina käyttöveden laadusta ja käyttöolosuhteista (ph, T, kovuus )

Korroosiomuodot 3/6 Selektiivinen (eli valikoiva) liukeneminen Metalliseoksen jonkin seosaineen muita nopeampi liukeneminen esim. sinkinkato messingeillä tai valuraudan grafitoituminen Messingillä sinkki syöpyy rakenteesta ja jäljelle jää vain kupari Messingin koostumus vaikuttaa sinkinkatoon Usein putkistoissa joissa kuumaa (lämmintä) vettä ja korkea kloridi- ja happipitoisuus Kapeissa välyksissä ja aukoissa Korroosiotuotteet jäävät usein syöpymiskohtaan Messinkiventtiilin karan kiinnijuuttuminen Estetään oikealla materiaalivalinnalla ja ympäristön vaikutusten eliminoimisella

Korroosiomuodot 4/6 Eroosiokorroosio Virtaavan veden aiheuttama mekaanisen kulumisen ja kemiallisen syöpymisen yhteistoiminta Kohdistuu paikkoihin, joissa liian suuri virtaus (pumput?) virtaus muuttuu paikallisesti (liitokset, jyrkät mutkat, taipeet), todennäköisempi pienissä putkissa kuin suurissa Eroosiokorroosiolle altistaa Veden liian suuri virtausnopeus tai virtauksen pyörteisyys ja syövyttävä vesi Lämpötilan kohoaminen ja ph-arvon lasku kiihdyttävät eroosiokorroosiota, veden aggressiivisuus edistää eroosiokorroosiota Aggressiivisessa vedessä pienemmät sallitut virtausnopeudet Kuparin seokset kestävät paremmin kuin kupari, kuparilla esiintyy lähinnä lämminvesiverkostossa

Korroosiomuodot 5/6 Jännityskorroosio Staattisten vetojännitysten ja syövyttävän ympäristön yhteisvaikutuksesta syntyviä metallin repeämiä Vetojännitykset voivat olla sisäisiä tai ulkoisia (käyttöjännitykset, valmistuksessa syntyneet jännitystilat) Kemiallinen rasitus voi syntyä esim. pesuaineista tai talousvedessä olevista yhdisteistä Tietyt messingit herkkiä, kuparilla ilmiö harvinaisempi

Korroosiomuodot 6/6 Mikrobiologinen korroosio Mikrobiologinen toiminta putkistoissa saa aikaan joko suoranaisesti tai epäsuorasti korroosioilmiöitä Anodi- tai katodireaktion nopeuteen vaikuttaminen Metallia suojaavan passiivikerroksen syöminen Synnyttävät syövyttäviä yhdisteitä

Lainsäädäntö Juomavesidirektiivi (Drinking Water Directive, DWD; STM) Asettaa vaatimukset talousveden terveydelliselle laadulle Suomessa täytäntöönpano talousvesiasetuksella Rakennustuotedirektiivi (Construction Product Directive, CPD; YM) Tavoitteena toimivat rakennustuotteiden sisämarkkinat, kaupan esteiden purku Rakennustuotteet, jotka ovat kosketuksissa talousveden kanssa kuuluvat rakennustuotedirektiivin alaan D1 (Suomen rakentamismääräyskokoelma) Kiinteistöjen vesilaitteistot Verkoston ja vesilaitteistojen rakenteet Määräyksiä ja suosituksia lähinnä asentamisesta ja mekaanisista ominaisuuksista (paine, lämpötila)

Tuotehyväksyntä Suomessa VAPAAEHTOISTA rakennusvalvontaviranomainen voi edellyttää tuotehyväksyntää tai vastaavaa todistusta tuotteen kelpoisuudesta käyttötarkoitukseensa VTT mm. vesi- ja viemärilaitteiden sekä -putkien tyyppitestausta ja tuotehyväksyntään liittyvää laadunvalvontaa Tuotehyväksynnällä varmistetaan, että kiinteistön vesilaitteiston komponentin kelpoisuus vastaa D1:n vaatimuksia CE-merkki Suomessa ei pakollinen Tuote täyttää rakennustuotedirektiivin vaatimukset Ei ole laatumerkki

Kiinteistöjen vesijärjestelmien kokonaisvaltainen riskienhallinta KIITOS Tekesin Vesi-ohjelma 2011 2012, 240 000 eur Kiinteistöjen vesijärjestelmät terveellisiksi, turvallisiksi ja kestäviksi Vesi ja materiaali vuorovaikutuksessa koko ajan, vuosia 1) Perustietokanta: Veden kanssa kosketuksissa olevat tyyppihyväksytyt tuotteet ominaisuuksineen 2) Kohdetietokanta: pilotointi kohteissa. Uponor Suomi Oy, Cupori Oy, Grundfos Oy, Bauer Watertechnology Oy, Leacomatic Ab, Finanssialan Keskusliitto ry, Vesihuoltolaitosten kehittämisrahasto Pilottikohteista tiedot talteen: vesi, järjestelmät, suunnittelu, materiaalit, asennus, käyttöönotto, huolto, saneeraus

Vesijohtojen saneerauspinnoitusten kansallisen hyväksyntämenettelyn kehittämisprojekti Pinnoitteiden tulee olla turvallisia siten, että niistä ei liukene veteen mitään ihmisten terveydelle haitallista Selvitetään tilanne Suomessa ja hyväksyntämenettelyt muualla Euroopassa sekä kartoitetaan pinnoitteille, työsuoritukselle ja laadunvalvonnalle asetettavia vaatimuksia Ympäristöministeriö, Sosiaali- ja terveysministeriö, Suomen Kiinteistöliitto ry, Vesihuoltolaitosten kehittämisrahasto, Finanssialan Keskusliitto Yhtenäiset käytännöt ja laadunvalvonta, pohja tarvittaville säädöksille

Veden täyden mittakaavan tutkimusverkosto Teknologiatalo Sytyttimessä Talon normaali vesijärjestelmä rakennettu toimimaan tutkimusverkostona Living lab -kokonaisuus Ainutlaatuinen maailmassa: täysi mittakaava (kylmä talousvesi ja lämmin käyttövesi), pitkäaikaiset tutkimukset Kaksi putkimateriaali (kupari+ PEX) talon eri osissa, kaksi lämmönvaihdinta, useita vesimittareita, useita putkikeräimiä, hanat suoraan putkilinjassa Pilottiverkosto Vesi-Instituutin laboratoriossa Talousveden terveellisyys ja turvallisyys, käyttäjäkokemukset

Erikoistutkija Riika Mäkinen, FT SAMK/Vesi-Instituutti WANDER Teknologiatalo Sytytin Sinkokatu 11 26100 RAUMA riika.makinen@vesi-instituutti.fi 044 710 3064 www.vesi-instituutti.fi