Жесткость воды, ее причина и способы устранения

Способность воды к растворению

Сила поверхностного натяжения воды

Есть и другие особые свойства воды, которые позволяют назвать ее поистине удивительнейшим соединением. Речь идет о поверхностном натяжении жидкости. Силы взаимодействия молекул, составляющих воду, притягивают их друг к другу, и разорвать эту связь не так просто. Большинству людей известен школьный опыт, когда осторожно положенная в блюдце с водой иголка плавает на поверхности. Многие видели интереснейший фокус, когда в полный стакан воды опускают значительное количество монет и вода, не переливаясь через край, поднимается небольшим куполом. Наконец, известна библейская легенда о том, как Христос шел по воде. Все эти явления и легенды связаны с большим поверхностным натяжением воды.

Однако самая удивительная особенность воды - ее способность растворять другие вещества. Способность веществ к растворению зависит от их диэлектрической постоянной. Чем она выше, тем больше способно вещество растворять другие. Так вот, для воды эта величина выше, чем для воздуха или вакуума в 9 раз. Поэтому пресные или чистые воды практически не встречаются в природе. В земной воде всегда что-то растворено. Это могут быть газы, молекулы или ионы химических элементов. Считается, что в водах Мирового океана могут быть растворены все элементы таблицы периодической системы элементов, по крайней мере, на сегодня их обнаружено более 80.

Под жесткостью воды понимают свойство природной воды, определяемое присутствием в ней в основном растворенных солей кальция и магния. Жесткость воды подразделяется на карбонатную (присутствие гидрокарбонатов магния и кальция) и некарбонатную (присутствие хлоридов или сульфатов кальция и магния). Сумма карбонатной и некарбонатной жесткости определяет общую жесткость.

Необходимость в устранении жесткости воды вызвана прежде всего нежелательным действием, обусловленным ее свойствами.

Термическое воздействие на жесткую воду приводит к образованию накипи на стенках металлических конструкций (паровых котлов, труб и т. д.). Это явление связано с дополнительными энергозатратами, поскольку накипь является плохим проводником теплоты. В жесткой воде значительно быстрее происходят коррозионные процессы.

Жесткость воды выражается в миллимольэквивалентах вещества на 1 л воды - ммоль-экв/л. 1 ммоль-экв кальциевой или магниевой жесткости соответствует содержанию 20,4 мг Са²⁺ и 12,11 мг Mg²⁺ в 1 л воды.

Жесткость воды рассчитывается по формуле:

где m -масса вещества, определяющего жесткость воды или применяемого для устранения жесткости воды, мг;

Мэ - молярная масса эквивалентов этого вещества, г/моль;

V- объем воды, л.

Карбонатную жесткость называют временной, так как при длительном кипячении воды с такой жесткостью гидрокарбонат разлагается:

Са(НСО₃)₂ →СаСO₃ ↓ + СO₂↑ + Н₂0

М_g(НСO₃)₂ → М_g(ОН)₂↓ + 2СO₂↑

Жесткость воды, обусловленная наличием хлоридов или сульфатов магния и кальция, называется постоянной. Постоянная жесткость может быть устранена химическим путем, например добавлением карбоната или гидроксида кальция:

СаS0₄(р) + Nа₂СO₃ (р) = СаСО_э (т)↓ + Nа₂SO₄(р)

Са(НСО₃)₂ (р) + Са(ОН)₂ (р) = 2СаСО₃ (т) ↓ + 2Н₂O

М_gSO₄ (р) + Са (ОН)₂ (р) = Мg (ОН)₂ (т) ↓ + СаSO₄ (р)

Для удаления ионов Са²⁺ и Мg²⁺ применяют также фосфаты натрия, буру, карбонат калия и другие соли.

Вода. Методи пом’якшення води

Природна вода завжди містить розчинені в ній солі, які обумовлюють твердість води. Розрізняють тимчасову твердість води, яка обумовлена гідрокарбонатами кальцію і магнію (Са(НСО₃)₂, Mg(НСО₃)₂. Називається вона так тому, що при кип’ятінні її можна усунути, внаслідок розкладу гідрокарбонатів, які перетворюються в важко розчинені карбонати (СаСО₃, MgСО₃), які випадають в осад, утворюється накип.

Постійна твердість води обумовлюється хлоридами і сульфатами кальцію і магнію (СаCl₂, CaSO₄, MgCl₂, MgSO₄). Ця твердість води не усувається кип’ятінням і необхідно використовувати хімічні реактиви для її усунення.

Тимчасова і постійна твердість обумовлюють загальну твердість води, яка характеризується або вимірюється сумарною концентрацією іонів кальцію і магнію в міліграм-еквівалент на 1 кг води (мг-екв/кг). Міліграм-еквівалент – це кількість речовини, яка відповідає її відносній атомній масі. Так, 1 мг-екв/кг відповідає 0,02 мг Са і 0,012 мг магнію на 1 кг води. Для забезпечення довготривалої і безаварійної роботи сучасних судових паросилових установ необхідно застосовувати ряд заходів, пов’язаних із застосуванням різних хімічних реагентів. До них відносяться реагенти, які покращують якість котлових і поживних вод і регулюють внутрішньо-котлові фізико-хімічні процеси.

Підвищення концентрації розчину солей в котловій воді приводить до утворення накипу, в результаті чого гірше проводиться тепло, відбувається перегрів котла, що може призвести до вибуху. Під дією води, пара і пароводяної суміші металічна поверхня нагріву котла підлягає дії міжкристалітної корозії, такий метал зберігає форму і розміри, але при ударі руйнується. Своєчасно виявити цей вид корозії можна тільки за допомогою ультразвукових і магнітноскопічних дефектоскопів.

Традиційні методи водообробки і водоконтролю парових котлів

Ефективність роботи енергетичної установки залежить від якості води, яка використовується. Розрізняють котлову, поживну і добавочну воду.

Вода, яка циркулює в котлі, називається котловою. Вода, яка подається в котел в процесі його роботи, називається поживною. В якості цієї води використовується конденсат пара, який обробляється в турбіні і парових допоміжних механізмах. Цей конденсат збирається і повертається в паровий котел, таким чином цикл води підтримується замкнутим. Для того, щоб поповнити пар і воду, які губляться в процесі роботи в замкнутий цикл вводять добавочну воду (дистилят).

В котловій воді при її випаровуванні накопичуються солі, які поступають в котел з поживною водою, що призводить до утворення накипу (твердого або рихлого), що в свою чергу призводить до перегріву труб, і до їх розриву.

В зв’язку з цим водний режим котлів необхідно організувати так, щоб солі, які потрапляють до котла, утворювали легко рухливий шлам, який не прикипає до стінок і легко видаляється з котла, періодично або безперервно продуваємого водою.

Під дією води, пара і пароводяної суміші металічна поверхня трую підлягає корозії. Корозія обумовлена в основному електролітичними процесами. Окислювачем в цьому процесі є кисень і вуглекислий газ. При електрохімічній корозії окиснення металу визвано переходом іонів металу в розчин (котлову воду) і накопичення в металі еквівалентної кількості електронів

Fe⁰ –2e → Fe²⁺

Fe⁰ –3e → Fe³⁺

В результаті цього з’являється різність потенціалів і виникає «корозійний струм».

Якщо температура стінки вище 250 ^оС, то на її поверхні утворюється щільна захисна оксидна плівка. Утворення такої плівки обумовлюється лужністю води. Кисень і вуглекислий газ знижують здатність такої захисної плівки, визивають появу локальних язв, особливо в місцях з’єднання окремих деталей.

При температурі більше 500 ^оС спостерігається хімічна корозія поверхні нагрівання, при якій окислювачем є водяний пар.

Вимоги до якості котлової води

Залежать від призначення котла і робочого тиску пари. Основними показниками якості води є:

Загальний вміст солей – це сума всіх солей, які містяться у воді в міліграмах на 1 кг води.

Вміст хлоридів – це вміст хлоридів – виражається в міліграмах хлорид-іонів на 1 кг води.

Загальна твердість – це сума міліграм-еквівалентів йонів кальцію і магнію на 1 кг води. За одиницю твердості прийнято 0,02 мг кальцію і 0,012 мг магнію на 1 кг води.

Лужність води – обумовлена введенням в неї хімічних реагентів з метою зменшення твердості води. Показником лужності прийнято вважати кількість кислоти, необхідної для нейтралізації розчину, перераховану на концентрацію лугу натрій гідроксид в мг/кг води.

Про лужнітсь води можна також судити по фосфатному і нітратному числам та концентрації водневих іонів.

Фофатне число характеризується кількістю фосфорного ангідриду РО₄^3–, а нітратне – вмістом у воді NaNO₃ в мг/кг.

Концентрація водневих іонів визначається водневим показником (рН). Чиста нейтральна вода при температурі 22 ^оС має рН 7, якщо рН > 7, вода має лужне середовище, якщо рН<7, то середовище кисле.

Вміст газів – показує концентрацію у воді кисню і вуглексилого газу в мг/кг. Кисень – основний корозійний агент, який визиває корозію поверхні нагріва котла. Вуглекислий газ сприяє активації корозійних процесів, впливає на процеси водопідготовки. Розчинність газів у воді залежить від тиску і температури. З підвищенням температури розчинність газів в воді зменьшується, з підвищенням тиску – збільшується.

Методи попередження утворення накипу і корозії

Щоб виключити утворення накипу, воду попередньо обробляють. В залежності від місця проведення, вона може бути позакотловою або внутрішьокотловою.

Позакотлова обробка проводиться перед подачею в котел і зводиться вона до очищення і фільтрації конденсата, пом’якшення поживної води, видаленню газів, приготуванню високоякісної додаткової (добавочної) води. Очистка і фільтрація води проводиться з метою видалення з нею механічних домішок і нафтоппродуктів – це проводиться в збірнику забруднених конденсатів, який називається «теплим ящиком», який містить відстойні камери і фільтри-пеньку, деревинну стружку, поролон, тканини і активоване вугілля – для видалення масел. Для видалення кисню і вуглексилого газу широко застосовують термічну деаерацію. При термічній деаерації гази виділяють з споживчої води і виводять в атомосферу. Додатково до цього використовують хімічні способи: видалення кисню при введенні гідразину N₂H₄ і сульфіту натрію Na₂SO₃. Термічна деаерація знижує вміст кисню до 0,03 мг/кг, а хімічна навіть до 0,01 мг/кг.

Зменшення твердості води може здійснюватись при допомозі іонітних або катіонітних смол, які обмінюють свої іони на іони кальцію, магнію, але цей метод не знає широкого застосування на суднах, так як іоніти необхілно постійно регенерувати.

На сьогодні широко застосовуються безреагентні методи пом’якшення води (наприклад, електромагнітний). Суть його полягає в тому, що після дії на воду магнітного поля певного значення напруженості і полярності солі випадають у вигляді шламу, який легко видаляється з котла при продуванні води. Магнітна обробка сприяє також руйнуванню раніше утвореного накипу. Невидалений при продувці шлам з котла може прикипати до поверхні нагріву, утворюючи вторинну накип.

Фосфатно-нітратний водно-хімічний режим парових котлів.

До останнього часу уворення накипу і процесів корозії металу забезпечувалось фосфатно-лужним режимом внутрішньокотлової обробки води. Цей метод застосовувався на судових установках старої конструкції, обладнаних в основному вогнетрубними котлами з тиском пару до 20 кг/см². Поживна вода, яка застосовувалась, в більшості випадків була низької якості. На суднах, обладнаних котлами низького тиску, внутрішньокотлова обробка води здійснювалася за допомогою протинакипного препарату антидепон, який складається з суміші тринатрійфосфату, соди, хромонатрієвої солі і колоїдних речовин.

Основним показником водно-хімічного режиму котлів було лужне число, яке витримувалось в межах 150-300мг.

Правильне застосування фосфатно-лужного режиму на протязі більше 30 років значно покращало технічний стан і збереження парових котлів.

За останні роки флот поповнився судами, оснащеними сучасною технікою. Це різко змінило умови технічної експлуатації паросилових установ. На парових та дизельних судах почали використовувати економічні випаровуючи установки, які працюють на морській воді. Вони виробляють високоякісний дистилят для споживчих котлів.

В результаті цього в складі поживних котлових вод знизилось шлакоутоврення, покращилась якість пара, зменшилась якість продувної води і зменшилась кількість хімічних регентів, необхідних для очистки води. Але наряду з цим порушилось співвідношення між спеціально створюваною лужністю і загальним солевмістом котлових вод. В результаті цього вода набула агресивних властивостей. При механічній дії в місцях з’єднання деталей виникає особливо руйнівний корозійний процес – міжкристалічна корозія металу котлів. З’являлися міжрозгалуджені тріщінки, які в основному утворювались в зварювальних швах барабанів і колекторів. Такий метал зберігає зовнішню форму, але при ударі руйнується.

Для зменшення агресивних властивостей котлових вод, які виникають при лужності більше 20%, були запропоновані такі водно-хімічні режими: чисто фосфатної лужності і фосфатно-нітратний режим внутрішньокотлової обробки води.

Перший спосіб вимагає, щоб між фосфатними і лужними числами було постійне співвідношення 1:0,42. це досягається дозуванням в котли крім фосфату натрію ще натрію гідро- і дигідрофосфату в кількостях, визначених результатами аналізу котлових вод. В результаті складності цього аналізу режим чисто фосфатної лужності важко здійснити в судових умовах.

Більш простим і більш доступним в експлуатації виявився фосфатно-нітратний режим. При цьому як реагент застосовують технічний натрій фосфат і натрій нітрат.

Основні процеси, які відбуваються у воді, зводяться до гідролізу натрій фосфату

Na₃(PO₄)₃ + Н₂О → Na₂HPO₄ + NaOH

і осадження накипу у вигляді шламу

Як видно з приведених рівнянь, в результаті реакції утворюється луг, який може стати причиною розвитку міжкристалітної корозії металу.

Суть фосфатно-нітратного методу зводиться до того, що нітрати, які вводять наряду з фосфатами, насичують внутрішньометалеву поверхню котлів, що захищає його від руйнівної дії лугів.

В найближчий час на суднах морського флоту, оснащених паровими котлами з закритими системами живлення, знайдуть викорситанняхімічні препарати для оброблення води з метою попередження корозії металу трубопроводів конденсатом відпрацьованого пару, який повертається в котли. Ди цих речовин відносяться леткі аміни: морфолін, циклогексиламін і ін. при додаванні їх до котлової води, вони випаровуються в середині котла, переходять в пар і конденсуються разом з ним, розчиняються в ній і утворюють слабокисле середовище.

При цьому відбувається нейтралізація вугільної кислоти і сповільнення корозійних процесів. Для додавання цих реагентів в котлову воду не потрібні додаткові пристрої. В нормальних умовах експлуатації їх норма 4г на кожну тонну додаткової води. Одним з реагентів, який захищає від корозії котли, є гідразин: N₂H₄.

Гідразин зв’язує кисень

N₂H₄+ O₂ → 2H₂O + N₂

Поглинаючи киснь, гідразин взаємодіє з оксидами, які утворюються в котлах.

6Fe₂O₃ + N₂H₄ → 4Fe₃O₄ + 2H₂O + N₂

3CuO + N₂H₄ → 3Cu + 2H₂O + N₂O

Частина гідразина розпадається

3N₂H₄ → 4NH₃ + N₂

Утворений при цьому амоніак розчиняєтьсяв конденсаті, підвищуючи його лужність. Так як гідразин в чистому виді токсичний і вогненебезпечний, працювати з ним надо обережно.

В останні часи з метою боротьби з накипеутворенням в парових котлах встановлюється пристосування для магнітного оброблення води, а також ультразвукової обробки води. Ці два методи вдносяться до безреагентних методів, які характеризуються простотою застосування.

Суть магнітного методу заключається в тому, що вода проходить через спеціальний апарат, де вона піддається кототкочасному впливу магнітного поля, при ультразвоковій обробці – впливу ультразвукових коливань.

Але на сьогодні немає достовірних теорій безреагентної обробки води. Ці методи характеризуються нечіткістю і непостійністю отриманого ефекту. До недоліків безреагентних методів відноситься те, що важко піддати контролю зміни в обробленій воді.

Застосування на суднах Чорноморського флоту магнітних і ультразвукових установ не підтвердив переваг цих методів перед застосуванням відомих реагентних методів усунення твердості води.

Намагання комбінувати безреагентні та реагентні методи не принесли успіху. Перспективними залишаються термічні методи обробки води, які забезпечують безнакипну роботу котлів і призупиняють процеси електрохімічної і міжкристалітної корозії металів.

Продукти ЮНІТОР для оброблення води.

Дата добавления: 2014-01-07