WYKŁAD

WYKŁAD

Dekarbonizacja i

Dekarbonizacja i

zmiękczanie wody

zmiękczanie wody

dr inż. Jolanta Gumińska

dr inż. Jolanta Gumińska

Ochrona wód

UZDATNIANIE WODY DO CHŁODZENIA

UZDATNIANIE WODY DO CHŁODZENIA

Wymagania jakości wody chłodzącej:

Wymagania jakości wody chłodzącej:

Możliwie niska temperatura,

Możliwie niska temperatura,

Woda stabilna (termostabilna) i niekorozyjna,

Woda stabilna (termostabilna) i niekorozyjna,

Nie powinna zawierać zawiesin organicznych

Nie powinna zawierać zawiesin organicznych

i nieorganicznych, olejów,

i nieorganicznych, olejów,

Nie powinna zawierać związków żelaza i

Nie powinna zawierać związków żelaza i

manganu oraz nadmiernej ilości substancji

manganu oraz nadmiernej ilości substancji

rozpuszczonych,

rozpuszczonych,

Nie powinna zawierać mikroorganizmów,

Nie powinna zawierać mikroorganizmów,

substancji biogennych i związków

substancji biogennych i związków

organicznych.

organicznych.

Zużycie wody chłodzącej:

Zużycie wody chłodzącej:

[kg/h]

[kg/h]

gdzie:

gdzie:

W – zużycie wody,

W – zużycie wody,

Q – ilość odprowadzanego ciepła [J/h],

Q – ilość odprowadzanego ciepła [J/h],

C – ciepło właściwe wody [J/kg∙K],

C – ciepło właściwe wody [J/kg∙K],





T–różnica temperatur wody opuszczającej

T–różnica temperatur wody opuszczającej

chłodnicę i do niej doprowadzanej

chłodnicę i do niej doprowadzanej

Reakcja rozkładu wodorowęglanu

Reakcja rozkładu wodorowęglanu

wapniowego:

wapniowego:

Ca(HCO

Ca(HCO

3

3

)

)

2

2









CaCO

CaCO

3

3

+ CO

+ CO

2

2

+ H

+ H

2

2

O

O

Indeks stabilności – definicja i interpretacja

Indeks stabilności – definicja i interpretacja

T

C

Q

W







Szczepienie wody kwasami

Szczepienie wody kwasami

– stosuje się

– stosuje się

wyłącznie przy uzdatnianiu wody chłodzącej

wyłącznie przy uzdatnianiu wody chłodzącej

dodatkowej lub niekiedy obiegowej o

dodatkowej lub niekiedy obiegowej o

twardości węglanowej poniżej 2,1 mval/dm3

twardości węglanowej poniżej 2,1 mval/dm3

Reakcje z kwasem solnym

Reakcje z kwasem solnym

:

:

Ca(HCO3)2 + 2HCl

Ca(HCO3)2 + 2HCl





Ca Cl2 +2CO2 + 2H2O,

Ca Cl2 +2CO2 + 2H2O,

Mg(HCO3)2 + 2HCl

Mg(HCO3)2 + 2HCl





Mg Cl2 +2CO2 + 2H2O,

Mg Cl2 +2CO2 + 2H2O,

CaCO3 + 2HCl

CaCO3 + 2HCl





Ca Cl2 +CO2 + H2O.

Ca Cl2 +CO2 + H2O.

D HCl = 36,6 (Twęgl – 0,5), [mg/dm3], Twęgl – twardość

D HCl = 36,6 (Twęgl – 0,5), [mg/dm3], Twęgl – twardość

węglanowa

węglanowa

Reakcje z kwasem siarkowym

Reakcje z kwasem siarkowym

:

:

Ca(HCO3)2 + H2SO4

Ca(HCO3)2 + H2SO4





Ca SO4 +2CO2 + 2H2O,

Ca SO4 +2CO2 + 2H2O,

Mg(HCO3)2 + H2SO4

Mg(HCO3)2 + H2SO4





Mg SO4 +2CO2 + 2H2O,

Mg SO4 +2CO2 + 2H2O,

D

D

H2SO4 = 49 (Twęgl – 0,5), [mg/dm3]

H2SO4 = 49 (Twęgl – 0,5), [mg/dm3]

Obliczenia dawek kwasów wyznacza się dla wody

Obliczenia dawek kwasów wyznacza się dla wody

podgrzanej (pozostała twardość węglanowa 0,5 – 0,8

podgrzanej (pozostała twardość węglanowa 0,5 – 0,8

mval/dm3)

mval/dm3)

Wybór kwasu do szczepienia zależy od:

Wybór kwasu do szczepienia zależy od:

jakości wody,

jakości wody,

krotności zagęszczenia wody obiegowej (z uwagi na

krotności zagęszczenia wody obiegowej (z uwagi na

niebezpieczeństwo wytrącania siarczanu wapniowego w

niebezpieczeństwo wytrącania siarczanu wapniowego w

postaci twardego kamienia CaSO4

postaci twardego kamienia CaSO4





2H2O)

2H2O)

Współczynnik zagęszczenia

Współczynnik zagęszczenia

K

K

g

g

:

:

gdzie:

gdzie:

Tw1 – maksymalna twardość gipsowa wody obiegowej, tj.

Tw1 – maksymalna twardość gipsowa wody obiegowej, tj.

rozpuszczalność gipsu, zależna od temperatury, np. w temp.

rozpuszczalność gipsu, zależna od temperatury, np. w temp.

40

40





C wynosi ok. 2100 mg/dm3,

C wynosi ok. 2100 mg/dm3,

Tw2 – twardość gipsowa wody dodatkowej, wyznaczona na

Tw2 – twardość gipsowa wody dodatkowej, wyznaczona na

podstawie twardości węglanowej i zawartości siarczanów,

podstawie twardości węglanowej i zawartości siarczanów,

0,9 –

0,9 –

współczynnik bezpieczeństwa.

współczynnik bezpieczeństwa.

2

1

w

w

g

T

T

K 

Dekarbonizacja wapnem

Dekarbonizacja wapnem

(w celu uzdatnienia

(w celu uzdatnienia

wód chłodniczych stosuje się dekarbonizację

wód chłodniczych stosuje się dekarbonizację

wyłącznie na zimno) – metodę tą stosuje się

wyłącznie na zimno) – metodę tą stosuje się

dla wód o twardości węglanowej powyżej

dla wód o twardości węglanowej powyżej

2 mval/dm3

2 mval/dm3

CO2 + Ca(OH)2

CO2 + Ca(OH)2









CaCO3 + H2O,

CaCO3 + H2O,

Ca(HCO3)2 + Ca(OH)2

Ca(HCO3)2 + Ca(OH)2





2

2





CaCO3 + 2H2O,

CaCO3 + 2H2O,

Przy dużym nadmiarze Ca(OH)2 (pH>10,5) mogą

Przy dużym nadmiarze Ca(OH)2 (pH>10,5) mogą

przebiegać niepożądane reakcje:

przebiegać niepożądane reakcje:

Mg(HCO3)2 + 2Ca(OH)2

Mg(HCO3)2 + 2Ca(OH)2









Mg(OH)2 + 2

Mg(OH)2 + 2





CaCO3 +

CaCO3 +

2H2O,

2H2O,

MgSO4 + Ca(OH)2

MgSO4 + Ca(OH)2









Mg(OH)2 + CaSO4,

Mg(OH)2 + CaSO4,

MgCl2 + Ca(OH)2

MgCl2 + Ca(OH)2









Mg(OH)2 + CaCl2,

Mg(OH)2 + CaCl2,

D

D

CaO = 28 (Twęgl + CO2), [mg CaO/dm3]

CaO = 28 (Twęgl + CO2), [mg CaO/dm3]

Kontrola doboru dawki –

Kontrola doboru dawki –

na podstawie zależności Zm i Zp

na podstawie zależności Zm i Zp

Zm =2Zp = 0,7

Zm =2Zp = 0,7





1,0 mval/dm3

1,0 mval/dm3

Urządzenia do dekarbonizacji

Urządzenia do dekarbonizacji

Reaktory Virbos

Reaktory Virbos

Wymagania jakości wody uzdatnianej :

Wymagania jakości wody uzdatnianej :

Twęgl

Twęgl





85% Tog,

85% Tog,

zawiesiny

zawiesiny





20 mg/dm3,

20 mg/dm3,

TCa

TCa





Twęgl, zawartość magnezu

Twęgl, zawartość magnezu





15 mgMg/dm3.

15 mgMg/dm3.

Osadniki z osadem zawieszonym

Osadniki z osadem zawieszonym

(akcelatory) oraz osadniki

(akcelatory) oraz osadniki

o przepływie pionowym zespolone z

o przepływie pionowym zespolone z

komorą flokulacji

komorą flokulacji

Wymagania jakości wody kotłowej

Wymagania jakości wody kotłowej

(określają je producenci kotłów)

(określają je producenci kotłów)

Uzdatnianie wody doprowadzanej do kotłów ma na

Uzdatnianie wody doprowadzanej do kotłów ma na

celu:

celu:

Zapobieganie wytrącaniu się kamienia kotłowego

Zapobieganie wytrącaniu się kamienia kotłowego

(wskutek obecności węglanów, siarczanów,

(wskutek obecności węglanów, siarczanów,

krzemianów, zawiesin i olejów),

krzemianów, zawiesin i olejów),

Zapobieganie korozji urządzeń kotłowych (wskutek

Zapobieganie korozji urządzeń kotłowych (wskutek

obecności dwutlenku węgla, tlenu rozpuszczonego,

obecności dwutlenku węgla, tlenu rozpuszczonego,

nadmiernej ilości chlorków, siarczanów i

nadmiernej ilości chlorków, siarczanów i

azotanów),

azotanów),

Woda nie powinna się pienić (wskutek obecności

Woda nie powinna się pienić (wskutek obecności

związków organicznych, dużego zasolenia oraz

związków organicznych, dużego zasolenia oraz

nadmiernej alkaliczności)

nadmiernej alkaliczności)

OCZYSZCZANIE WODY DO CELÓW KOTŁOWYCH

OCZYSZCZANIE WODY DO CELÓW KOTŁOWYCH

Wstępne oczyszczanie (oczyszczanie wody

Wstępne oczyszczanie (oczyszczanie wody

do

celów

wodociągowych)

wraz

z

do

celów

wodociągowych)

wraz

z

odolejaniem

kondensatu

(klarowanie,

odolejaniem

kondensatu

(klarowanie,

sorpcja, koagulacja, filtracja)

sorpcja, koagulacja, filtracja)

Zmiękczanie wody lub demineralizacja

Zmiękczanie wody lub demineralizacja

(w zależności od konstrukcji i wydajności

(w zależności od konstrukcji i wydajności

kotła oraz panującego w nim ciśnienia)

kotła oraz panującego w nim ciśnienia)

Metody zmiękczania:

Metody zmiękczania:

Strąceniowe

Strąceniowe

Zmiękczanie metodą wapno – soda

Zmiękczanie metodą wapno – soda

CO2 + Ca(OH)2

CO2 + Ca(OH)2









CaCO3 + H2O,

CaCO3 + H2O,

Ca(HCO3)2 + Ca(OH)2

Ca(HCO3)2 + Ca(OH)2





2

2





CaCO3 + 2H2O,

CaCO3 + 2H2O,

Mg(HCO3)2 + 2Ca(OH)2

Mg(HCO3)2 + 2Ca(OH)2









Mg(OH)2 + 2

Mg(OH)2 + 2





CaCO3 + 2H2O,

CaCO3 + 2H2O,

MgSO4 + Ca(OH)2

MgSO4 + Ca(OH)2









Mg(OH)2 + CaSO4,

Mg(OH)2 + CaSO4,

MgCl2 + Ca(OH)2

MgCl2 + Ca(OH)2









Mg(OH)2 + CaCl2,

Mg(OH)2 + CaCl2,

CaCl2 + Na2CO3

CaCl2 + Na2CO3









CaCO3+ 2NaCl,

CaCO3+ 2NaCl,

CaSO4 + Na2CO3

CaSO4 + Na2CO3









CaCO3+ 2Na2SO4

CaCO3+ 2Na2SO4

D CaO = 28 (Twęgl + TMg + CO2 +0,5), [mg/dm3];

D CaO = 28 (Twęgl + TMg + CO2 +0,5), [mg/dm3];

D Na2CO3 = 53 (Tnwęgl +1), [mg/dm3];

D Na2CO3 = 53 (Tnwęgl +1), [mg/dm3];

Reakcje niepożądane przy zbyt małej ilości wapna:

Reakcje niepożądane przy zbyt małej ilości wapna:

Ca(HCO3)2 + Na2CO3

Ca(HCO3)2 + Na2CO3









CaCO3 + 2NaHCO3,

CaCO3 + 2NaHCO3,

Powstający NaHCO3 w kotle rozpada się na NaOH i CO2:

Powstający NaHCO3 w kotle rozpada się na NaOH i CO2:

NaHCO3

NaHCO3





Na2CO3 + H2O + CO2,

Na2CO3 + H2O + CO2,

Na2CO3 + H2O

Na2CO3 + H2O





2NaOH + CO2

2NaOH + CO2

Zmiękczanie ługiem sodowym i sodą

Zmiękczanie ługiem sodowym i sodą

CO2 + 2NaOH

CO2 + 2NaOH





Na2CO3 + H2O,

Na2CO3 + H2O,

Ca(HCO3)2 + 2NaOH

Ca(HCO3)2 + 2NaOH









CaCO3 + Na2CO3 + 2H2O,

CaCO3 + Na2CO3 + 2H2O,

Mg(HCO3)2 + 4NaOH

Mg(HCO3)2 + 4NaOH









Mg(OH)2 + 2 Na2CO3 +

Mg(OH)2 + 2 Na2CO3 +

2H2O,

2H2O,

MgSO4 + 2NaOH

MgSO4 + 2NaOH









Mg(OH)2 + Na2SO4,

Mg(OH)2 + Na2SO4,

MgCl2 + 2NaOH

MgCl2 + 2NaOH









Mg(OH)2 + 2NaCl

Mg(OH)2 + 2NaCl

W wyniku reakcji powstały Na2CO3 może reagować ze

W wyniku reakcji powstały Na2CO3 może reagować ze

związkami powodującymi twardość niewęglanową

związkami powodującymi twardość niewęglanową

wapniową:

wapniową:

CaCl2 + Na2CO3

CaCl2 + Na2CO3









CaCO3+ 2NaCl,

CaCO3+ 2NaCl,

CaSO4 + Na2CO3

CaSO4 + Na2CO3









CaCO3+ Na2SO4

CaCO3+ Na2SO4

D NaOH = 40 (Twęgl + TMg + CO2 +0,5), [mg/dm3];

D NaOH = 40 (Twęgl + TMg + CO2 +0,5), [mg/dm3];

D Na2CO3 = 53 (TCa - 2Tnwęgl – CO2+1,5), [mg/dm3];

D Na2CO3 = 53 (TCa - 2Tnwęgl – CO2+1,5), [mg/dm3];

Metoda powyższa

Metoda powyższa

jest zalecana

jest zalecana

przy

przy

zmiękczaniu wody o Twęgl

zmiękczaniu wody o Twęgl





Tnwęgl lub

Tnwęgl lub

TCa = 2 Twęgl (NaOH spełnia rolę Ca(OH)2,

TCa = 2 Twęgl (NaOH spełnia rolę Ca(OH)2,

która reagując z CO2 i węgl prowadzi do

która reagując z CO2 i węgl prowadzi do

produkcji sody).

produkcji sody).

Nie należy jej stosować

Nie należy jej stosować

do zmiękczania wód

do zmiękczania wód

o dużej twardości węglanowej i małej

o dużej twardości węglanowej i małej

niewęglanowej - po zmiękczeniu pozostaje

niewęglanowej - po zmiękczeniu pozostaje

nadmiar Na2CO3, wywołując niepożądane

nadmiar Na2CO3, wywołując niepożądane

reakcje:

reakcje:

Ca(HCO3)2 + Na2CO3

Ca(HCO3)2 + Na2CO3









CaCO3 + 2NaHCO3,

CaCO3 + 2NaHCO3,

NaHCO3

NaHCO3





Na2CO3 + H2O + CO2,

Na2CO3 + H2O + CO2,

Na2CO3 + H2O

Na2CO3 + H2O





2NaOH + CO2

2NaOH + CO2

Metoda ta jest bardziej kosztowna niż metoda

Metoda ta jest bardziej kosztowna niż metoda

wapno – soda przy zbliżonej efektywności

wapno – soda przy zbliżonej efektywności

zmiękczania.

zmiękczania.

Zmiękczanie fosforanem sodu

Zmiękczanie fosforanem sodu

3Ca(HCO3)2 + 2Na3PO4

3Ca(HCO3)2 + 2Na3PO4









Ca3(PO4)2 + 6NaHCO3,

Ca3(PO4)2 + 6NaHCO3,

3Mg(HCO3)2 + 2Na3PO4

3Mg(HCO3)2 + 2Na3PO4









Mg3(PO4)2 + 6NaHCO3,

Mg3(PO4)2 + 6NaHCO3,

3CaSO4 + 2Na3PO4

3CaSO4 + 2Na3PO4









Ca3(PO4)2 + 3Na2SO4,

Ca3(PO4)2 + 3Na2SO4,

3MgCl2 + 2Na3PO4

3MgCl2 + 2Na3PO4









Mg3(PO4)2 + 6NaCl.

Mg3(PO4)2 + 6NaCl.

Twardość szczątkowa wynikająca z rozpuszczalności

Twardość szczątkowa wynikająca z rozpuszczalności

fosforanów wapnia i magnezu wynosi 0,035 – ,07

fosforanów wapnia i magnezu wynosi 0,035 – ,07

mval/dm3 (wielokrotnie niższa niż

mval/dm3 (wielokrotnie niższa niż

rozpuszczalność CaCO3 i Mg(OH)2) – w temp. 0oC

rozpuszczalność CaCO3 i Mg(OH)2) – w temp. 0oC

wynosi łącznie 0,9 mval/dm3)

wynosi łącznie 0,9 mval/dm3)

Wady metody:

Wady metody:

–

wysoka cena reagenta,

wysoka cena reagenta,

–

niepożądanym produktem reakcji jest NaHCO3

niepożądanym produktem reakcji jest NaHCO3

W związku z powyższym metodę tą stosuje się do zmiękczania

W związku z powyższym metodę tą stosuje się do zmiękczania

wody po zmiękczaniu wody innymi metodami (tzw.

wody po zmiękczaniu wody innymi metodami (tzw.

domiękczanie) zgodnie z reakcjami:

domiękczanie) zgodnie z reakcjami:

3CaCO3 + 2Na3PO4

3CaCO3 + 2Na3PO4









Ca3(PO4)2 + 3Na2CO3,

Ca3(PO4)2 + 3Na2CO3,

3Mg(OH)2 + 2Na3PO4

3Mg(OH)2 + 2Na3PO4









Mg3(PO4)2 + 6NaOH.

Mg3(PO4)2 + 6NaOH.

Wytworzone fosforany wapnia i magnezu (tworzą śliskie,

Wytworzone fosforany wapnia i magnezu (tworzą śliskie,

nieprzyczepne do powierzchni stalowych osady)

nieprzyczepne do powierzchni stalowych osady)

zabezpieczają przed wytrącaniem się kamienia kotłowego,

zabezpieczają przed wytrącaniem się kamienia kotłowego,

Fosforany zapobiegają powstawaniu twardego osadu

Fosforany zapobiegają powstawaniu twardego osadu

krzemianu wapniowego (rozpuszczalność fosforanu

krzemianu wapniowego (rozpuszczalność fosforanu

wapniowego jest niższa niż krzemianu wapniowego).

wapniowego jest niższa niż krzemianu wapniowego).