Так называемая предельная карбонатная жесткость (Hj) относится к критическому значению, при котором CaCO₃ не осаждается при определенных условиях качества воды и температурах, когда свободный CO₂ либо отсутствует, либо минимален. Обычно в системах охлаждающей воды это значение составляет от 2 до 4,5 мг эквивалента/л. Однако за счет добавления кислоты и ингибиторов накипи система охлаждающей воды может поддерживать более высокий уровень жесткости карбоната. В этой статье объясняется взаимосвязь между ингибиторами накипи для охлаждающей воды и предельной твердостью карбоната, предоставляя полезную информацию для специалистов по очистке воды.
1. Добавление кислоты и ограничение карбонатной жесткости
При добавлении кислоты в подпиточную воду карбонатная жесткость преобразуется в некарбонатную жесткость с более высокой растворимостью (например, CaSO₄ и CaCl₂), что снижает карбонатную жесткость циркулирующей воды до уровня ниже предельной карбонатной жесткости, тем самым предотвращая образование накипи. Химические реакции следующие:
Продолжайте делиться методом расчета количества добавляемой кислоты на основе карбонатной твердости и предельной карбонатной твердости (Hj), как показано в следующей формуле.
В формуле:
G — количество добавленной кислоты, кг/ч;
E — молярная масса кислоты, для серной кислоты E = 49, а для соляной кислоты E = 36,5;
Qm — дополнительный объем циркулирующей охлаждающей воды, м³/ч;
α — концентрация кислоты;
HB — карбонатная жесткость дополнительной воды, ммоль/л;
H′B — карбонатная жесткость дополнительной воды после кислотной обработки, ммоль/л.
H′B можно рассчитать следующим образом.
В формуле: N - кратная концентрация; Hj - предельная карбонатная жесткость системы циркулирующей охлаждающей воды, в ммоль/л.
Предельную карбонатную жесткость оборотной воды после добавления кислоты без ингибитора накипи можно рассчитать по следующей формуле:
В формуле [O] представляет потребление кислорода в мг/л; t представляет температуру циркулирующей воды в ℃.
Hf′ — некарбонатная жесткость после обработки кислотой, добавленной к дополнительной воде, в ммоль/л, которую можно рассчитать по следующей формуле:
2. Использование ингибиторов накипи с кислотной обработкой для ограничения карбонатной твердости
При использовании кислотной обработки для ограничения карбонатной твердости в сочетании с ингибиторами накипи тип используемого ингибитора накипи должен определять соответствующее значение Hj. Распространенными ингибиторами накипи являются полифосфаты, органические фосфонаты (соли) и полиакриловые кислоты.
Ингибиторы полифосфатных отложений
Полифосфаты в первую очередь относятся к полифосфату натрия, обычно используемыми формами которого являются гексаметафосфат натрия (также известный как полиметафосфат натрия) и триполифосфат натрия. Эти ингибиторы диспергируют и стабилизируют коллоидные частицы и обладают сильными хелатирующими свойствами по отношению к ионам кальция и магния. Полифосфат натрия не только действует как ингибитор накипи, но и обладает свойствами ингибирования коррозии. Конкретные свойства различаются в зависимости от молекулярной структуры [NaPO₃] н , где значение n определяет характеристики. Гексаметафосфат натрия имеет химическую формулу [NaPO₃]₆ONa₂ и представляет собой полимер метафосфата натрия (NaPO₃). При использовании в качестве ингибитора накипи предельную карбонатную жесткость Hj циркулирующей воды можно оценить по следующей формуле. Типичная дозировка гексаметафосфата натрия составляет от 1 до 5 мг/л, при этом верхний предел используется для воды с высокой карбонатной жесткостью. Триполифосфат натрия (Na₅P₃O₁₀) обладает сильной способностью хелатировать ионы кальция, его типичная дозировка составляет от 2 до 5 мг/л, а Hj = 5 ммоль/л.
Недостатком полифосфатов является их склонность разлагаться на ортофосфаты в воде - процесс, известный как гидролиз полифосфатов. На степень гидролиза влияют такие факторы, как pH, температура, время и микробная активность. Гидролиз положительно коррелирует с температурой воды и временем контакта, хотя он происходит относительно медленно, с типичной скоростью гидролиза от 11% до 35%.
Органические фосфонаты и их соли
Эти ингибиторы накипи эффективны, а также обеспечивают ингибирование коррозии, что делает их ингибиторами двойного назначения. Многие из их свойств аналогичны полифосфатам, но они более стабильны и менее склонны к гидролизу даже при более высоких температурах. Однако органические фосфонаты могут вызывать коррозию меди, поэтому они не подходят для использования в медных теплообменных системах. Распространенные органические фосфонаты и их соли, используемые внутри страны, включают гидроксиэтилидендифосфоновую кислоту (HEDP), аминотриметиленфосфоновую кислоту (ATMP) и этилендиаминтетра(метиленфосфоновую кислоту) (EDTMP). При совместном использовании с полифосфатами эти ингибиторы могут оказывать синергетический эффект, улучшая предельную карбонатную жесткость циркулирующей воды и снижая дозировку каждого агента. Типичная предельная карбонатная жесткость для этих ингибиторов следующая:
HEDP: Hj = 8 ммоль/л
ATMP: Hj = 9 ммоль/л
EDTMP: Hj = 8 ммоль/л
Поликарбоксилатные полимеры
Поликарбоксилатные полимеры — это полимеры, содержащие карбоксильные функциональные группы (карбоксильные группы) или производные карбоновых кислот. Карбоксилат-анион (COO⁻) определяет характеристики этих полимеров, где М представляет собой одновалентный катион, водород или аминогруппу. После введения в воду карбоксилатная группа диссоциирует на COO⁻ и M⁺, при этом COO⁻ отвечает за ингибирование образования накипи. Распространенные ингибиторы образования накипи на основе поликарбоксилатов, используемые в отечественной промышленности, включают полиакриловую кислоту, полиакрилат натрия, полиметилметакрилат, сополимеры акриловой кислоты и гидроксипропилакрилата, сополимеры акриловой кислоты и акрилатов, а также гидролизованную поли(малеиновую кислоту) (ангидрид). Типичные дозировки и соответствующие предельные значения жесткости карбоната следующие:
Полиакриловая кислота: 1–9 мг/л, Hj = 5,5–10 ммоль/л
Полиакрилат натрия: 1–8 мг/л, Hj = 5,8–9 ммоль/л
Поли(малеиновая кислота): 1–5 мг/л, Hj = 5–8,5 ммоль/л
Резюме
Контролируя предельную твердость карбоната в системах циркулирующей охлаждающей воды, можно предотвратить образование накипи. Использование вышеописанных методов для расчета соответствующей дозировки кислот и ингибиторов образования накипи, а также допустимой предельной карбонатной твердости системы в конкретных условиях эксплуатации помогает предотвратить проблемы образования накипи, а также снизить затраты на химикаты.
