Вода, используемая для питьевых целей, производства различных продуктов должна обладать определенными свойствами и химическим составом. Наряду с необходимостью обеспечить содержание токсичных веществ в концентрациях ниже допустимых, часто требуется, чтобы в ней присутствовали полезные для данного производства вещества в заданных количествах, соблюдались определенные значения рН и щелочности. В энергетике необходимо обеспечение такого состава и (или) физического состояния примесей воды, которые не образуют накипи и не вызывают коррозии металлов.

Процесс доведения состава воды до заданных, необходимых для данного процесса, параметров называют кондиционированием воды. Как правило, он включает ряд операций, при которых удаляются загрязнения воды, а затем вводятся соответствующие реагенты.

При использовании воды в качестве теплоносителя к числу важнейших ее качеств относятся отсутствие выпадения осадков на поверхностях теплообмена и минимальная коррозионная активность.

Стабильной называют воду, которая не вызывает коррозии поверхности металла, с которой она соприкасается, и не выделяет на этих поверхностях осадки карбонатов кальция.

Стабильность определяется индексом Ланжелье как:

J = рН – рН_s,

где рН_s – это рН равновесного раствора, насыщенного карбонатом кальция; рН_s определяется расчетным путем или по номограмме.

Коррозионная активность воды, т. е. ее агрессивность по отношению к металлам, проявляется, когда индекс стабильности J является отрицательной величиной (J<0).

Если индекс стабильности больше единицы (J>1), то на стенках начинается отложение карбоната кальция.

Вода, которая используется в качестве теплоносителя, должна иметь индекс стабильности J, близкий к 0.

Для поддержания стабильности воды в заданных пределах необходимо регулировать несколько параметров: рН, щелочность или карбонатную жесткость. Стабильность увеличивается при введении карбонатов натрия или кальция, подщелачивании, а уменьшается при умягчении воды или введении кислоты.

Выпадение осадков солей жесткости, железа резко ухудшает эффективность теплообмена и приводит к росту тепловых потерь и экономичности установок. Существуют жесткие нормативы на содержание солей жесткости в воде для различных энергетических установок (таблицы). Для их удаления используются различные рассмотренные выше химические методы.

Для систем, работающих при невысоких параметрах теплоносителя, предлагаются физические и химические методы, которые позволяют предотвратить выпадение осадков на поверхностях теплообмена без химического умягчения воды. Эти методы приводят к связыванию солей жесткости в кристаллические структуры, не имеющие адгезии к поверхностям теплообмена, и остающиеся в растворе.

Физическое воздействие – это магнитная и радиоволновая обработка воды.

В последние несколько десятилетий в России и за рубежом активно пропагандируется применение магнитной обработки воды для парогенераторов низкого давления и малой производительности, в тепловых сетях и системах горячего водоснабжения, в различных теплообменных аппаратах. Сторонники этого метода указывают на простоту, дешевизну, безопасность и безреагентность такого метода обработки воды.

Магнитная обработка воды заключается в пропускании потока воды через магнитного поля, создаваемое постоянным магнитом или электромагнитом, перпендикулярно магнитным силовым линиям. Скорость потока воды может составлять 1–3 м/с.

Механизм взаимодействия магнитного поля с водой и растворенными солями окончательно не определен. Считается, что под воздействием поля происходят поляризационные процессы с диполями воды и ионами солей, которые приводят к формированию центров кристаллизации и образованию кристаллических взвесей солей жесткости не на теплообменных поверхностях, а в объеме раствора. В результате вместо твердой накипи в воде появляется тонкодисперсный шлам, который легко удаляется с поверхности теплообменников и трубопроводов. Более того, происходит растворение образовавшихся ранее отложений.

На практике эффект магнитной обработки зачастую проявляется только в первый период эксплуатации. Затем происходит «привыкание» воды. Считается, что свои свойства омагниченная вода сохраняет меньше суток. Поэтому в тепловых сетях, кроме омагничивания питательной воды, необходимо омагничивать всю воду, циркулирующую в системе.

Омагничивание применяют, если:

В 90-х годах прошлого века появились аппараты для радиочастотной обработки воды. В таких аппаратах на воду воздействует высокочастотное излучение, создаваемое специальным генератором и изменяющееся по заданной программе. Передача энергии в воду происходит посредством излучателей, которые представляют собой несколько витков провода, намотанных на трубопровод. Механизм действия аналогичен магнитному воздействию – соли жесткости переводятся в нерастворимую кристаллическую фазу, которая взвешена в потоке воды. Разработчики приборов уверяют, что отсутствует эффект «привыкания», а также рекомендуют применять такую воду для питьевых целей.

Не оспаривая наличия некоторого эффекта физического воздействия на воду, можно отметить, что отсутствует надежная статистика реальной эффективности таких методов. Данные разных авторов очень сильно различаются.

Химическая обработка заключается во введении в воду малых доз специальных реагентов, связывающих соли жесткости, которые остаются в растворе и не прикипают к греющим поверхностям.

Различают два класса стабилизирующих реагентов: реагенты, связывающие соли жесткости во взвешенные в воде кристаллические образования, и реагенты, стабилизирующие насыщенные растворы.

К реагентам, которые связывают соли жесткости в малорастворимые соединения, прежде всего относятся различные фосфаты. В промышленности применяются: тринатрийфосфат Na₃PO₄, динатрийфосфат Na₂HPO₄, мононатрийфосфат NaH₂PO₄, гексаметафосфат Na₂[Na₄(PO₄)₆], триполифосфат Na₅P₃O₁₀. В результате реакций растворенных солей кальция и магния с ними образуются мелкокристаллические фосфаты кальция и магния, которые оказываются взвешенными в слое воды.

Реакцию образования гидроксилапатита можно представить уравнением:

10Ca²⁺ + 6PO₄^3– + 2OH^– = 3Ca₃(PO₄)₂Ca(OH)₂,

которое показывает, что для получения гидроксилапатита необходимо не только наличие анионов PO₄^3– , но и щелочной среды. В зависимости от щелочности обрабатываемой воды используются различные вышеперечисленные фосфаты. В результате гидролиза всех фосфатных солей образуется раствор тринатрийфосфата, диссоциирующий затем до анионов PO₄^3–. Например, гексаметафосфат натрия Na₂[Na₄(PO₄)₆] реагирует по реакции:

Na₂[Na₄(PO₄)₆] + NaOH = Na₃PO₄ + H₂O.

Следует отметить, что в максимальной концентрации PO₄^3– содержится в гексаметафосфате натрия.

При добавлении фосфатов в количестве меньшем, чем содержание Ca, Mg и Fe, образуются труднорастворимые фосфатные комплексы этих элементов. Они образуют на внутренних стенках трубопроводов плотную пленку, которая предотвращает непосредственное соприкосновение воды с металлом, защищая его от коррозии.

Фосфатирование позволяет допускать повышенную щелочность воды без выпадения осадков карбонатов кальция.

Близким по методу воздействия обладает широко рекламируемый метод «Гидро-Икс» разработки датской фирмы «Hydro-X». Предлагаемый ей раствор имеет в своем составе щелочь для регулировки значения рН, тринатрийфосфат Na₃PO₄ и шесть органических соединений, которые способствуют выделению солей кальция и магния и стабилизации образовавшихся микрочастиц, поглощают кислород и создают защитный слой на теплообменных поверхностях. При обработке воды раствором «Гидро-Икс» количество базовых веществ – щелочи и тринатрийфосфата, – по утверждению разработчиков, на порядок меньше стехиометрического. Количество раствора «Гидро-Икс» при постоянной дозировке составляет примерно 0,2 л на 1 м³ добавочной воды и 0,04 л на 1 м³ конденсата. При использовании в качестве добавочной умягченной воды, постоянная дозировка составляет 0,04 л на 1 м³ добавочной воды и конденсата.

Однако, по данным отечественных исследователей, основным действующим веществом является щелочь, количество которой близко к стехиометрическому количеству.

Следует отметить, что все описанные выше методы требуют удаления образующихся взвесей путем продувки системы или фильтрации теплоносителя.

К способам обеспечения стабильности воды относятся умягчение и введение реагентов, стабилизирующих насыщенные растворы солей, таких как кислоты и различные комплексоны.

Добавление кислоты в воду приводит к переходу карбонатной жесткости в некарбонатную:

Ca(HCO₃)₂ + H₂SO₄=CaSO₄ + 2H₂O + 2CO₂.

При этом CaSO₄ имеет большую растворимость, чем Ca(HCO₃)₂, а растворенная углекислота предотвращает нарушение карбонатного равновесия. Кислота должна вводиться в стехиометрическом количестве. При ее недостатке возможно выпадение осадка, а при избытке – увеличение коррозии оборудования. В современных установках целесообразно подавать приготовленный раствор кислоты насосом-дозатором, включенным в систему пропорционального дозирования или дозирования по поддержанию стабильного значения величины рН (см. ниже).

Комплексонами называют группу органических соединений, которые способны образовывать устойчивые комплексные соединения с катионами металлов. В водоподготовке для теплоэнергетики комплексоны применяются для решения ряда задач:

Классическим примером комплексона, используемого в водоподготовке для теплоэнергетики, является трилон Б – двузамещенная натриевая соль ЭДТА. Он образует растворимые комплексные соединения с кальцием, магнием, железом, медью и др. комплексообразователями. Для полного связывания 1 мг-экв солей жесткости расход трилона Б составляет 168 мг, на
1 мг железа – 6 мг, на 1 мг меди – 2,7 мг. Трилонирование как технологический процесс не получило широкого распространения в водоподготовке из-за высокой стоимости трилона Б.

В настоящее время на рынке предлагается широчайший ассортимент комплексонов, пригодных для самых разных условий, как импортного, так и отечественного производства – Аминаты, ИОМСы. Их основой являются производные органической фосфоновой кислоты, например, оксиэтилиденфосфоновой кислоты – ОЭДФ. Особенностью фосфорорганических комплексонов является их способность даже при малых концентрациях тормозить образование кристаллов карбонатов солей жесткости и предотвращать образование накипи. При этом соединения ОЭДФ с некоторыми металлами являются активными ингибиторами коррозии углеродистых сталей. Поскольку количество вносимого комплексона незначительно (1–5 мг на л подпиточной воды), расходы на такую обработку существенно меньше, чем при умягчении воды. По термической устойчивости комплексоны могут применятся до температуры 130 °С. Они могут быть эффективно использованы для водоподготовки отопительных систем, малой энергетики, тепловых сетей и котлов с соответствующими параметрами пара.

Вода природных источников может, с одной стороны, содержать различные загрязнения, а с другой стороны, в ней могут отсутствовать вещества, необходимые для нормальной жизнедеятельности. Удалению вредных загрязнений воды посвящены все предыдущие разделы. Одновременно с вредными из воды могут извлекаться и полезные для организма вещества. Для создания необходимого солевого состава воды в нее вводят недостающие соли.

Как правило, в воде наблюдается дефицит фтора, йода.

Кроме того, питьевая вода должна быть стабильной. В противном случае в процессе доставки к потребителю она окажется загрязненной продуктами коррозии трубопроводов. Это особенно актуально для вод, прошедших очистку методами опреснения и обессоливания. Как правило, стабилизация такой воды производится путем ее пропускания через известковые минералы. Их растворение происходит до прихода системы в стабильное состояние, т. е. насыщения ее солями жесткости до уровня, соответствующего имеющемуся солесодержанию и рН.

Кондиционирование воды путем добавления необходимых солей производится методом дозирования их раствора в поток воды. Так, концентрация фтора в воде должна находиться в интервале от 0,7 до 1,2 мг/л. При концентрации меньшей, чем 0,5 мг/л, необходимо вводить реагенты, содержащие фтор в высокой концентрации; при большей – удалять из воды избыточный фтор. В качестве таких реагентов применяют фтористый натрий, кремнефтористый натрий, кремнефтористый калий, кремнефтористый аммоний, фтористый кальций. Следует отметить, что все эти вещества являются ядами. В современных установках целесообразно вводить приготовленный раствор реагента насосом-дозатором, включенным в систему пропорционального дозирования (см. ниже).

Другим путем, используемым для систем с малой производительностью, является применение специальных ионообменных смол, имеющих в своем составе фтор или йод. При контакте с водой происходит медленное выделение этих компонентов. ОАО НИИПМ производит в ограниченном количестве такие материалы: катионит-фторатор
КУ-фторатор и бактерицидный анионит БА-1, содержащий йод. Недостатками этих продуктов наряду с высокой ценой является неравномерность выделения полезного компонента в воду и, в результате, непредсказуемость его концентрации.

Как отмечалось выше, для получения стабильной ликероводочной продукции, соков и питьевой воды необходимо поддержание в очищенной воде, которая является сырьем, не только заданного солевого состава, прежде всего жесткости, но и определенной щелочности. Последняя в большинстве природных вод оказывается выше заданной. Поскольку щелочность воды определяется, как количество 0,1 н соляной кислоты, необходимой для титрования по метилоранжу, наиболее простым способом ее корректировки является введение в воду необходимого количества кислоты. Могут быть использованы различные кислоты, допущенные для применения в пищевой промышленности.