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aqion
Aktuelle Version 3.0
(Jun 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.

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

Anwendungsfelder Bearbeiten

  • Wasseranalysen und Wasserqualität
  • Geochemie und Umweltchemie (in einfachster Form)
  • Ausbildung

Modellgrenzen Bearbeiten

Algorithmus & Numerischer Solver Bearbeiten

Es gibt zwei fundamentale Ansätze in der Hydrochemie:

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:        \{i\} \,=\, K_i \, \prod_{j=1}^{N_B} \,\{j\}^{\nu_{i,j}}        mit i = 1 ... NS

(2)       Massenerhaltung:        [j]_{TOT} \,=\, [j] + \sum_{i=1}^{N_S}\, \nu_{i,j} \,[i]        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:        \{i\} \,=\, \gamma_{i} \, [i]

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)       f_j (c_1,c_2,...,c_{N_B}) \,=\, [j]_{TOT} - [j] - \sum^{N_S}_{i=1} \frac{\nu_{i,j}}{\gamma_i}\, K_i\, \prod^{N_B}_{k=1} \{k\}^{\nu_{i,k}} \,=\,0

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]

Bildschirmfotos Bearbeiten

Weblinks Bearbeiten

Einzelnachweise Bearbeiten

  1. Anmerkung: Die obere Anwendungsgrenze ist Meereswasser.
  2. http://www.kristall.uni-frankfurt.de/media/handouts/GEM-lecture.PDF
  3. 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
  4. Remark: To keep things apart, the numerical solver of PhreeqC is outsourced from aqion.exe into a separate DLL.
  5. 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.
  6. Sigg, L. und W. Stumm: Aquatische Chemie: Einführung in die Chemie natürlicher Gewässer, UTB, Stuttgart; 5. Auflage, 2011, ISBN 978-3825284633
  7. Morel, F.M.M. and J.G. Hering: Principles and Applications of Aquatic Chemistry (2nd ed.), John Wiley, New York, 1993, ISBN 978-0471548966
  8. Appelo, C.A.J. and D. Postma: Geochemistry, Groundwater, and Pollution. Taylor & Francis, 2005, ISBN 978-0415364287
  9. 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)


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