Акватерм Водоподготовка Беликов

Часть первая

ние гипохлорита натрия для обработки воды не вызывает увеличения ее жесткости, поскольку он не содержит солей кальция и магния, как хлорная известь или гипохлорит кальция. Бактерицидный эффект раствора NaClO, полученного электролизом, выше, чем у других дезинфектантов, действующее начало которых – активный хлор. Кроме того, раствор обладает еще большим' окислительным действием, чем растворы, приготовленные химическим методом, из-за более высокого содержания хлорноватистой кислоты (HClO).

Применяют два способа электрохимического обеззараживания: получение гипохлорита натрия электролизом с последующим введением его в обрабатываемую воду и непосредственный электролиз обрабатываемой воды. Получение гипохлорита натрия в электролизере производят в периодическом или непрерывном режимах. При периодическом режиме работы исходный раствор соли заливают в непроточный электролизер, проводят электролиз до получения требуемой концентрации гипохлорита натрия, затем сливают в бак-накопитель и используют его оттуда по мере необходимости.

Проточный режим предусматривает непрерывный электролиз раствора хлорида натрия с одновременным дозированием гипохлорита в обрабатываемую воду.

В настоящее время большинство исследова- 132 телей и практиков отдают предпочтение двухстадийной организации процесса обеззараживания питьевой воды. На первой стадии обработку воды ведут с помощью озона – на этой стадии происходит обеззараживание воды и достигается глубокая окислительная деструкция органических примесей. На заключительной стадии непосредственно перед подачей воды в распределительную сеть проводят так называемое финишное обеззараживание с помощью хлорирующих агентов, обладающих длительным действием, что обеспечивает устойчивость воды к повторному инфицированию.

При использовании такой комбинированной схемы обеззараживания воды возможно значительное сокращение дозировки хлорирующих агентов в 8–10 раз, что приводит соответственно и к уменьшению содержания в воде хлорированных углеводородов.

4.16. Магнитная обработка воды

В последние десятилетия, как в России, так и за рубежом, для борьбы с образованием накипи и отложений на внутренней поверхности труб и теп-

лообменного оборудования применяют магнитную обработку воды. Ее широко используют в конденсаторах паровых турбин, парогенераторах низкого давления и малой производительности, тепловых сетях и системах горячего водоснабжения, в различных теплообменных аппаратах. Эффект, последствия обработки воды в магнитном поле известны давно. Еще в ХIII в. были отмечены лечебные свойства «омагниченной» воды. Но только в ХХ в. началось использование магнитов в технике водоподготовки.

Первый патент на аппарат магнитной обработки воды был выдан в 1946 г. бельгийскому инженеру Т. Вермейрену, еще за 10 лет до этого обнаружившего, что при нагреве воды, пересекшей силовые линии магнитного поля, на поверхности теплообмена накипь не образуется.

4.16.1. Гипотезы и факты

Магнитная обработка воды в аппаратах с постоянными магнитами и электромагнитами применяется уже несколько десятилетий. Замечено, что при воздействии магнитного поля на солевые кристаллы последние меняют свою структуру: кристаллы становятся гораздо мельче, и кристаллы кальцита приобретают орагонитную форму. В целом кристаллы карбоната кальция вместо обычной накипи образуют рыхлую массу, легко вымываемую из трубопровода. Кроме того, образовавшаяся большая поверхность множества мелких кристаллов «конкурирует» за отложения с нагретой поверхностью. Более 70% частиц имеют размер менее 0,5 мкм.

Механизм воздействия магнитного поля на воду и содержащиеся в ней примеси окончательно не выяснен, но имеется ряд гипотез.

Современные воззрения объясняют механизм воздействия магнитного поля на воду и ее примеси поляризационными эффектами и деформацией ионов солей. Гидратация ионов при обработке уменьшается, ионы сближаются, образуя кристаллическую форму соли. В основу одной из теорий положено влияние магнитного поля на коллоидные примеси воды, другой – изменение структуры воды. При наложении магнитного поля в массе воды формируются центры кристаллизации, вследствие чего выделение нерастворимых солей жесткости происходит не на теплопередающей поверхности (нагрева или охлаждения), а в объеме воды. Таким образом, вместо твердой накипи в воде появляется мигрирующий тонкодисперсный шлам, легко удаляемый с поверхности теплообменников и трубопроводов. В аппаратах магнитной обработки вода должна двигаться перпендикулярно магнитным силовым линиям.

Часть первая

4.17. Электромагнитное воздействие на воду с переменной частотой

4.17.1. Сущность метода

В конце XX в. появились зарубежные и отечественные аппараты для обработки воды электромагнитными волнами с диапазоном применяемых частот 1–10 кГц.

По эффекту действия этот метод подобен магнитному или ультразвуковому. Излучаемые электромагнитные волны в водном растворе веществ – природной воде – изменяют структуру растворенных веществ таким образом, что потенциально накипеобразующие примеси кальция, магния и железа (прежде всего – карбонаты) не осаждаются на теплонапряженной поверхности, а кристаллизуются в толще водного потока. При этом прочная смесь аморфных отложений солей жесткости не образуется, а сформировавшиеся ранее отложения разрушаются и уносятся с потоком воды.

Под действием электромагнитных волн бикарбонат кальция, содержащийся в исходной воде, переходит в нерастворимый карбонат кальция. При этом карбонат осаждается не на стенках труб и оборудования, а в объеме воды. Данный процесс описыва-

Нестойкая угольная кислота электролитически диссоциирует. Она также склонна к образованию углекислого газа:

Угольная кислота разрушает старые известковые осадки в трубах, водонагревателях и др. Избыток угольной кислоты смещает равновесие реакции (4.100) влево, то есть приводит к повторному образованию бикарбоната кальция. На практике это означает, что в обработанной воде через несколько суток вновь образуется бикарбонат кальция (вода «теряет» свои свойства после электромагнитного воздействия).

Шведскими специалистами опытным путем установлено:

небольшое уменьшение величины рН воды за счет ее подкисления угольной кислотой. Однако это уменьшение настолько мало, что не увеличивает риск коррозии.

изменение электропроводности воды из-за уменьшения величины рН;

уменьшение поверхностного натяжения и капиллярности (требуется меньше моющих средств).

4.17.2. Технология и условия применения

Аппараты для электромагнитного воздействие с переменной частотой состоят из электронного блока, обычно на основе микроконтроллера, формирующего электрический сигнал с заданными параметрами (выходная частота, функция изменения частоты от времени) и излучателей. Излучатель представляет себой провод с термостойкой изоляцией, намотанный на трубопровод с обрабатываемой водой. Количество излучателей – от двух и более, в зависимости от типа прибора. С помощью проводов-излучателей поток излучения концентрируется в объеме воды, протекающей в трубопроводе. При этом сигналы распространяются в обе стороны трубопровода.

При подборе типа прибора электромагнитной обработки воды следует руководствоваться эмпирическими зависимостями (4.102) и (4.103).

Для прямоточных систем водоснабжения:

где Q – расход воды, м3/ч; d – внутренний диаметр трубопровода, мм.

Для системы с циркуляционным контуром:

Здесь Qрасх – количество воды, отбираемой из системы на потребление, м3/ч; Qцирк – объемный поток воды, циркулирующий в системе, м3/ч.

4.17.3. Особенности применения метода

Метод электромагнитного воздействия привлекает простотой монтажа и эксплуатации, небольшим расходом электроэнергии (малой мощностью излучения) – 2–5 Вт, неограниченным временным ресурсом.

Как и другие физические методы обработки воды (магнитная и ультразвуковая), электромагнитному воздействию подвержена только карбонатная жесткость; происходит разрушение сформировавшихся ранее отложений солей жесткости в течение 1–3 месяцев; вода не меняет солевой состав.

Противонакипный эффект будет увеличиваться:

сповышением температуры воды вплоть до температуры кипения;

при более высоком содержании ионов Ca2+ и Mg2+;

спонижением содержания в воде углекислоты;

сповышением щелочности воды;

при уменьшении общей минерализации; границы применимости этого метода аналогич-

ны магнитной обработке.

4.18. Стабилизационная обработка воды

Основные проблемы, возникающие при эксплуатации водопроводных систем, – накипеобразование, коррозия и микробиологические обрастания. Поэтому стабильность воды при использовании ее в качестве теплоносителя – один из основных показателей.

Стабильной называют воду, не вызывающую коррозии поверхности металла, с которым она соприкасается, и не выделяющую на этих поверхностях осадков карбоната кальция.

Агрессивное действие воды при очистке объясняется нарушением в ней карбонатного равновесия. Вода при этом становится нестабильной, то есть способной растворять защитные пленки на внутренней поверхности трубопроводов в результате появления в воде агрессивной угольной кислоты. При «оголении» поверхности усиливается электрохимическая коррозия, которой благоприятствует присутствие растворенных в воде кислорода и сероводорода. Вода обогащается продуктами коррозии, ухудшающими ее качество. Из металлов наибольшему разрушению подвержено железо.

Обесцвеченную и осветленную в очистных сооружениях воду нельзя считать удовлетворительной по качеству, если она, проходя по трубам, приобретает окраску или образует осадок.

Нарушение стабильности воды может быть вызвано наличием растворенной угольной кислоты, сероводорода или кислорода, низким значением рН, перенасыщенностью воды карбонатом кальция или гидроксидом магния, повышенной концентрацией сульфатов и (или) хлоридов.

Оценка коррозионно-опасных и накипеобразующих свойств воды основана на рассмотрении карбонатного равновесия, с учетом влияния температуры воды и общей минерализации.

4.18.1. Основные проблемы, возникающие при эксплуатации водопроводных систем

Загрязнение системы

Загрязнению водопроводных систем способствуют:

–вещества в виде суспензий: пыль, глина, песок и т.д., которые могут формировать осадки

взонах замедленной циркуляции или трубах небольшого диаметра;

–вещества, образующие коллоидные системы: их коагуляция происходит при повышенной температуре. Зачастую это основная причина загрязнения водопроводных сетей;

Часть первая

–наибольшую опасность представляют собой продукты метаболизма живых организмов, водоросли и бактерии, вырабатывающие жирные кислоты, очень клейкие вещества, адсорбирующие в свою очередь имеющиеся частицы и формирующие суспензии. Простого повышения температуры достаточно, чтобы произошла их коагуляция с образованием студенистой вязкой массы.

Жизнедеятельность сульфатвосстанавливающих анаэробных бактерий вызывает биологическую коррозию (последствия – вплоть до образования свищей).

Различные типы минеральных и органических загрязняющих веществ нередко объединяются или взаимно адсорбируются и образуют ил или «слизь» в виде вязкой массы, почти повсеместно встречающейся в теплообменниках.

Неблагоприятные последствия этого явления таковы:

–одновременное загрязнение теплообменников, трубопроводов и охлаждающих устройств, приводящее к уменьшению пропускной способности и эффективности охлаждения;

–возникновение отложений, чреватое коррозией при «дифференцированной аэрации»;

–вероятность коррозии биологического типа.

Отложения на стенках

Образование отложений связано с осаждением кристаллов на металлической поверхности с обра- 135 зованием прочно удерживаемой корочки.

Карбонат кальция – это первая соль, которая может выпасть в осадок в воде согласно реакции:

Cульфат кальция. При повышении температуры растворимость этой соли сначала увеличивается, потом достигает максимума при температуре 40°С, а затем уменьшается. Образовавшись, сульфат кальция с трудом поддается растворению в воде, циркулирующей по трубопроводам сети.

Диоксид кремния. Содержащие кремний отложения очень тверды, прочно держатся и являются сильными теплоизоляторами.

4.18.2. Индексы стабильности воды

Практически равновесие бикарбоната кальция с диоксидом углерода регулируется сложными законами, и нарушение равновесия приводит к началу таких химических реакций, как растворение карбоната кальция или выпадение этой соли в осадок – см. (4.104).

Чтобы поддержать в растворе заданную концентрацию бикарбоната кальция, в воде должно

Часть первая

содержаться в растворенном состоянии соответствующее количество равновесного СО2.

В соответствии с ГОСТ 3313-86 стабильной считается вода, которая не выделяет и не растворяет осадка карбоната кальция. Это свойство воды характеризуется показателем стабильности С1 и С2:

где Щи – щелочность исходной воды, ммоль/л; Щн – щелочность воды после насыщения ее карбонатом кальция, ммоль/л;

Здесь pHи – значение рН исходного раствора; pHн – значение рН раствора, насыщенного карбонатом кальция.

При значениях С1 и С2, равных единице, вода стабильна. Если С1 и С2 меньше 1, вода агрессивная (тенденция к коррозии). В случаях, когда С1 и С2 большее 1, вода способна к отложению карбоната кальция.

Были предложены несколько методов определения стабильности воды: Тильманса, Ланжелье (диаграмма Гувера), Галлопэ, Франкуина и Мареко, Леграна и Пуарье и др.

Из них наиболее широкое распространение по- 136 лучил метод Ланжелье (представленный графически Гувером и впоследствии модифицированный Апельциным). Метод Ланжелье регламентирован для применения СНиП 2.04.02-84* – в отсутствие экспериментально определенной стабильности

воды по ГОСТ 3313-86.

Индекс Ланжелье позволяет судить только о поведении воды по отношению к карбонату кальция, то есть по отношению к бетону и другим подобным материалам. Судить по этому индексу о поведении воды по отношению к металлам неправомерно.

Согласно СНиП 2.04.02-84* «Водоснабжение. Наружные сети и сооружения», нужно предусматривать стабилизационную обработку воды для защиты – при необходимости – водопроводных труб и оборудования от углекислотной коррозии и образования карбонатных отложений. Эти указания обязательны только при проектировании централизованных наружных систем водоснабжения населенных пунктов и промышленных объектов.

Требования СНиП не распространяются на системы нецентрализованного и автономного водоснабжения, а также горячего водоснабжения и теплоснабжения. Но даже для централизованных систем водоснабжения предлагаемые методы (все – реагентные) стабилизационной обработки – в статусе рекомендуемых.

СНиП 2.04.02-84* рекомендуют предусматривать стабилизационную реагентную обработку при индексе насыщения воды карбонатом кальция (индекс Ланжелье) менее +0,3 в течение более трех месяцев в году для систем холодного водоснабжения.

Индекс Ланжелье (J), или индекс насыщения воды карбонатом кальция, показывает преобладающие тенденции воды к накипеобразованию или коррозии:

где pHизм – измеренное значение рН исходного раствора; pHнас – значение рН раствора насыщенного карбонатом кальция (при этом нужно учитывать поправку на температуру воды, см. п. 3.5); рНнас – водородный показатель в условиях насыщения воды карбонатом кальция, определяемый по номограмме в СНиП 2.04.02-84* в зависимости от значений содержания в воде кальция, общей щелочности, общей минерализации и температуры воды (рис. 1.23).

При значении J = 0 вода стабильна; J < 0 – вода агрессивная (тенденция к коррозии, защитная карбонатная пленка не образуется); J > 0 – возможны карбонатные отложения.

Для определения коррозионности воды по отношению к стали (чугуну) используется индекс Ризнера (ИР), или индекс стабильности воды, который в настоящее время – наиболее представительный из числа индексов, учитывающих карбонатное равновесие, и равен:

Характеристики воды по индексу Ризнера:

ИР = 4–5 – интенсивные карбонатные отложения; ИР = 5–6 – слабые карбонатные отложения; 6 < ИР < 7 – близко к равновесию или слабая

коррозия стали, чугуна; ИР = 7,0–9,0 – сильная коррозия;

ИР > 9,0 – недопустимая коррозия.

Индекс Ризнера применяется при содержании кислорода в воде не менее 4–5 мг/л – без растворенного в воде кислорода защитная карбонатная пленка не образуется.

ИР дает лишь общие представления о направленности коррозионных процессов и процессов образования в воде карбонатных отложений, но не учитывает влияния некоторых важных параметров, таких, например, как наличие ионов Сl-, NO3-, NH4-, различных загрязнений и т.д..

Индекс Ланжелье более информативен при определении стабильности воды в системах с малой скоростью потока, например, в отстойниках, освет-

рН

Рис. 1.23. Зависимость рН от Жк

Часть первая

Если в воде дополнительно содержится кислород, то скорость коррозии увеличивается.

При минерализации воды более 500 мг/л неизбежна электрохимическая коррозия металлов и сплавов.

При содержании в воде хлоридов (Cl-) более 150 мг/л будет протекать коррозия, вплоть до сквозной.

При содержании в воде железа (Fe) более 0,20 мг/л и марганца (Mn) более 0,1 мг/л возможно образование соответствующих отложений, под которыми может начаться подшламовая коррозия.

Усилению коррозии способствуют также наличие в воде сероводорода и, при определенных условиях, жизнедеятельность сульфатвосстанавливающих анаэробных бактерий.

Коррозионную опасность и вообще стабильность воды необходимо определять установкой индикаторов в трубопровод или аппарат. Более или менее надежный результат можно получить ускоренным методом, разработанным АКХ им. К.Д. Панфилова (г. Москва). В отсутствие экспериментального определения правильное представление о возможной коррозии дает совместный учет всех описанных выше показателей.

4.18.4. Коррозия

Коррозия представляет собой процесс раз- 138 рушения металла в результате химических или электрохимических процессов. Электрохимическая коррозия – коррозия металла в электролите. Применительно к процессам водоподготовки электролитом является вода. Не имеет существенного значения и количество влаги. Коррозия возникнет даже в слое влаги толщиной в несколько десятков мкм. Основные процессы при электрохимичес-

Рис. 1.24. Механизм электрохимической коррозии в системе «металл–воздух–вода»:

1 – металлическая стенка (оболочка); 2 – анод из феррита или железа; 3 – катод: вода, включения, примеси

кой коррозии: анодный переход атомов металла в раствор; катодная ассимиляция электронов на катоде. Перенос заряда между катодом и анодом осуществляется электронами или ионами (в растворе). Система «анод–электролит–катод» представляет собой короткозамкнутый гальванический элемент. Главную роль в электрохимической коррозии играют микрогальванические элементы, роль катодов и анодов в которых могут выполнять микровключения примесей металла, отдельные атомы, микропоры оксидной пленки на поверхности металла и т.д.

Железо термодинамически неустойчиво в воде и стремится к растворению в ней. Достаточно минимальной неоднородности, чтобы возникла возможность перехода Fe в состояние Fe2+, инициирующего процесс электрохимической коррозии. Металл становится поставщиком электронов и играет роль анода. А кислород перехватывает элект-

Виды коррозии

Коррозия металлов имеет много видов, поэтому очень редко приходится сталкиваться только с одним фактором, вызывающим коррозию. Как правило, на ее возникновение влияют многие параметры, накладывающиеся друг на друга. Условно их можно разделить на два вида:

–общая равномерная коррозия, охватывающая всю поверхность металла и приводящая к его утонению;

–локальные коррозионные разрушения, к которым относятся язвенная (питтинговая) коррозия, межкристаллитная коррозия, подшламовая, щелевая, коррозия в трещинах, микробиологическая.

Проблемы, порожденные коррозией, с одной стороны, приводят к разрушению металла, а с другой – к образованию осадка, нарушающего теплообмен.

Параметры, оказывающие основное влияние на коррозию:

–низкое значение рН, при котором скорость коррозии возрастает. Резкое уменьшение скорости при рН>10 связано с образованием на стали защитных гидрооксидных пленок железа (рис. 1.25);

–хлориды и сульфаты, являющиеся одним из наиболее важных факторов, определяющих интенсивность локальной коррозии металла;

–кислород и углекислота, увеличивающие скорость коррозии;

–солесодержание – присутствие в воде растворенных солей, способствующее коррозии, то есть увеличивающее удельную электропроводимость воды;

–повышение температуры, которое ускоряет коррозию;

–наличие сероводорода – способствует развитию коррозии, он возникает при определенных условиях в результате жизнедеятельности сульфатвосстанавливающих анаэробных бактерий;

–состояние поверхности – поскольку процесс коррозии включает этап образования гальванических элементов, а наличие всякой неоднородности способствует появлению анодов и катодов;

–контакт различных металлов приводит к образованию электрохимической гальванической пары, где менее благородный металл становится анодом и подвергается коррозии;

–общая жесткость и щелочность оказывают эффект ингибирования на процессы коррозии.

Абсолютное значение каждого из указанных параметров и их сочетание определяет агрессивность воды по отношению к металлу.

Для индикации скорости коррозии можно воспользоваться эмпирической формулой, дающей

Скорость коррозии

Рис. 1.25. Влияние рН на скорость общей коррозии углеродистых сталей в аэрированной воде при 25°С

Часть первая

весьма представительные результаты для многих природных жестких вод в диапазоне температур до 80°С.

где К – скорость коррозии, г/(м2 · ч); t – температура воды, °С.

Эмпирические формулы скорости коррозии стали в диапазоне от 20 до 80°С (по Сухотину А.М.

иБеренблит В.М.):

вобессоленной воде

К= 0,017 · t – 0,18;

вводе после водород-натрий-катионирования

К= 0,014 · t – 0,18;

вводе после натрий-катионирования

К= 0,009 · t – 0,18.

Глубинный показатель коррозии вычисляется:

где К – см. выше; d – плотность стали или чугуна, г/см3; 8760 – количество часов работы в год, ч/г.

Обычно скорость коррозии металла трубопроводов в энергетике характеризуется общепринятой шкалой в зависимости от глубинного показателя коррозии, представляющего скорость коррозии, выраженную в мм/г. – табл. 4.12.

139

Таблица 4.12

Скорость коррозии

Ингибиторы коррозии

Существует три основных семейства ингибиторов коррозии:

хроматы цинка; фосфаты цинка; органофосфаты.

Смешанные составы должны быть полифункциональны – так, чтобы увеличить зону оптимального рН, избежать угрозы отложений и замедлить скорость коррозии. Часто включают в состав ингибиторов (табл. 4.13):

ВОДОПОДГОТОВКА