Накип та скейлінг: запобігаємо з розумом

12 січня 2016 р.
 

Евгений Орестов

Из всех показателей качества воды наиболее известным для неспециалистов является жесткость. Несмотря на то, что наличие в воде солей кальция и магния никак не проявляет себя цветом или запахом, в отличие от многих других примесей, повышенная жесткость очень быстро становится заметна из-за образования накипи в бытовом оборудовании.

Существуют два различных подхода к борьбе со скейлингом и накипью – удаление солей жесткости и предотвращение кристаллообразования. Основные методы реализации этих подходов, их преимущества и недостатки рассматриваются в данной статье.

ЗАЩИТА ОТ НАКИПИ

Как уже было сказано ранее, одной из основных проблем, возникающих в процессе использования воды, содержащей соли жесткости, является отложение труднорастворимых соединений таких солей. В быту это явление известно как накипь. В промышленности, и в особенности в водоподготовке, к накипи часто присоединяется образование отложений солей жесткости при их концентрировании в системах нанофильтрации и обратного осмоса – так называемый скейлинг.  

Традиционные методы предотвращения образования скейлинга включают предварительную обработку воды с помощью различных реагентных методов вроде ионообменного умягчения.

Умягчение воды, при котором практически полностью удаляются растворенные соли жесткости путем их замены на не образующий осадков натрий, является исключительно эффективным методом предотвращения образования накипи, равно как и скейлинга в мембранных системах.

Недостатками этих ме тодов является значительная стоимость оборудования, необходимость использования соли для регенерации и образование высокоминерализованных или агрессивных сточных вод. К этим недостаткам при использовании в квартирах или частных домах часто прибавляются сложности с поиском места для размещения оборудования.

В практике домашней водоподготовки значительное время применяются полифосфатные фильтры, лишенные некоторых указанных выше недостатков.

Это компактные фильтры-колбы, наполненные стекловидными кусочками полифосфата (гексаметафосфата) натрия (ПФН). При прохождении воды через фильтр происходит медленное растворение и вымывание ПФН. Являясь самым «концентрированным» из всех выпускаемых фосфатов, ПФН связывает катионы кальция и магния в прочные комплексы, удерживая их таким образом от выпадения в осадок. Также ПФН может обеспечивать некоторую защиту от коррозии черных металлов.

При некоторых преимуществах – удобстве использования, неплохой эффективности – полифосфатные фильтры имеют ряд существенных недостатков. Прежде всего, их можно применять исключительно для подготовки технической воды – в питьевой воде содержание полифосфатов не может быть выше 3,5 мг/л. Кроме этого, при использовании полифосфатного фильтра для подготовки воды хозяйственно-бытового назначения у некоторых людей отмечается реакция кожи на обработанную воду – сухость, покраснение, зуд.

Однако самое опасное последствие применения ПФН – общеизвестное и находящееся в последние году на слуху зарастание водоемов из-за накопления в воде различных фосфатов, являющихся прекрасным питанием для водорослей. Так, один грамм триполифосфата натрия, сброшенный в водоем, стимулирует образование 5–10 килограммов водорослей.

Кроме этих недостатков, полифосфатные фильтры также не предназначены для обработки воды, нагреваемой впослед ствии более чем до 65 градусов — при этой температуре возможно образование отложений ортофосфата кальция, более прочных и трудноудаляемых по сравнению с обычной накипью.

Более современным решением проблемы предотвращения накипи в местах использования воды являются так называемые фосфонатные фильтры.

В этих фильтрах-колбах, являющихся аналогами полифосфатных, находится ионообменная смола, обработанная одними из представителей современных антинакипинов – фосфонатами.

Фосфонаты представляют собой органические соединения фосфора, которые действуют не связывая кальций и магний в комплексы, а предотвращая образование кристаллов – так называемый пороговый механизм.

За счет такого действия требуемые концентрации фосфонатов значительно ниже, чем полифосфата натрия. Кроме этого, фосфонаты не являются столь доступным питательным субстратом для водорослей, что вместе с низкими концентраци ями резко снижает нагрузку на окружающую среду.

Поскольку в этих фильтрах используется ионообменная смола, имеющая по сравнению с труднорастворимым ПФН выдающиеся кинетические характеристики, фосфонатные фильтры могут применяться со значительно большими скоростями фильтрования.

В то же время ионообменный механизм высвобождения фосфонатов обуславливает и некоторые недостатки фосфонатных фильтров. Так, для них характерно наличие эффекта вымывания действующих веществ в концентрациях значительно выше требуемых на начальном этапе эксплуатации, как это показано на рисунке (кривая 2). Такой пик концентрации, во-первых, приводит к перерасходу ресурса и снижению эффективного срока службы фильтра. Во-вторых, повышенные концентрации фосфонатов также могут вызывать образование отложений с солями жесткости. Кроме этого, ввиду специфики ионообменного процесса при простое фильтра объем воды, непосредственно контактирующий с наполнителем фильтра, содержит концентрации фосфонатов, значительно превышающие необходимые. Это также негативно сказывается на ресурсе, и при малом потреблении обрабатываемой воды могут проявиться вышеупомянутые недостатки повышенных концентраций фосфонатов.

Наконец, существуют фильтры с так называемым твердофазным антискалантом, представляющие собой развитие идеи использования материала-носителя, модифицированного ингибиторами образования накипи. Однако, в отличие от фосфонатных фильтров, в таком подходе используется специально подобранная комбинация из различных ингибиторов – как фосфонатных, так и полимерных – с дополнительной обработкой, например бактериостатическим компонентом. В такой комбинации различные ингибиторы не только усиливают эффект защиты от накипи, но и влияют на скорость вымывания друг друга из зерен смолы. При этом достигается эффект саморегулируемого дозирования: ингибиторы вымываются из ионообменной смолы в количествах, соответствующих содержанию в воде ионов, образовывающих накипь – таких как гидрокарбонаты.

Кроме поддержания нужных концентраций в зависимости от состава воды, твердофазный антискалант выделяет в воду не отдельное вещество, а композицию ингибиторов. В этом случае к рассмотренному пороговому эффекту  прибавляются деформационный и диспергирующий эффекты, свойственные полимерным ингибиторам. А бактериостатическая обработка специальным красителем обеспечивает отсутствие микробиологического обрастания слоя материала в колбе фильтра, что немаловажно с учетом больших сроков службы таких фильтров.

Одним из важнейших преимуществ фильтров с твердофазным антискалантом является их равномерная работа: композиция действующих веществ вымывается в необходимых концентрациях в течение всего срока службы (см. рис. 1).

Рис. 1. Вымывание ингибиторов скейлинга при обработке воды фосфонатным фильтром и твердофазным антискалантом

ПРОБЛЕМЫ МЕМБРАН

Если же говорить о мембранных технологиях, то общепризнанным методом предотвращения образования скейлинга в технологии обратного осмоса является предварительное дозирование в воду антискалантов, предотвращающих процессы кристаллизации малорастворимых солей из перенасыщенных растворов. Эффективность антискалантов достаточно высока, однако она суще ственно зависит от правильности выбора типа и дозы реагента. Тип и доза реагента, в свою очередь, определяются  составом воды и параметрами процесса обессоливания. Нарушение регламента дозирования антискаланта приводит к необратимому загрязнению и разрушению обратноосмотических мембранных элементов, вызывает необходимость их досрочной замены.

Применение антискалантов по сравнению с рассмотренными фильтрами требует использования сложного и дорогого дозировочного оборудования. Кроме того, во время хранения в рабочих разбавленных растворах антискаланта часто развиваются микроорганизмы, что приводит к биофоулингу.

Следовательно, при использовании антискаланта для предотвращения образования отложений на поверхности обратноосмотических мембран возникает необходимость в более простом и надежном способе дозирования в воду этих реагентов.

Именно таким видится рассмотренный выше твердофазный антискалант – материал, способный менять степень высвобождения ингибиторов из зерен смолы в зависимости от изменения состава воды. Кроме этого, равномерное вымывание действующих веществ предотвращает возможность превышения требуемой дозы и образования отложений. В свою очередь, бактериостатическая обработка обеспечивает защиту от развития биофоулинга.

Таким образом, современный подход к предотвращению накипи, равно как и скейлинга обратного осмоса, подразумевает использование материалов, обладающих адаптивностью к условиям эксплуатации, высокой эффективностью, комплексным действием и низким влиянием на окружающую среду и здоровье человека.

Коментарі

Дивись також
 
Популярні