Фосфатирование воды в циркуляционных системах

C.O.K. N 3 | 2011г. Рубрика: ОТОПЛЕНИЕ И ГВС
Г.Н. МОКРИНСКАЯ, инженер-эколог; Л.Н. МИЛОВА

Эталон качества воды, используемой в системах отопления и охлаждения, значительно отличается от требований, предъявляемых к питьевой воде. Если для употребления в пищу мы специально приобретаем бутилированную воду, обогащенную минеральными солями, щелочами и минералами, то для технических нужд требуется как раз обратное, т.е. вода должна иметь минимум примесей, а в идеале являться дистиллированной.

   Если при первичном заполнении системы предусмотреть определенный состав воды еще хоть как-то возможно, то при последующей эксплуатации уследить за содержанием примесей в теплоносителе практически нереально, в первую очередь из-за постоянной подпитки водой непрогнозируемого качества. Это приводит нас к наиболее простому решению — обработке подпиточной воды. Любая нагреваемая емкость (в т.ч. радиаторы, трубы, котел и т.д.) содержащая нефильтрованную воду, в первую очередь страдает от отложений различных солей на ее стенках, поэтому в первую очередь обычно занимаются умягчением, т.е. удалением из воды катионов жесткости (кальция, магния). Способов борьбы с накипью существует несколько десятков, при этом используют один из следующих методов или их комбинации:
   ❏ термический (нагревание/дистилляция);
   ❏ реагентный (связывание ионов Ca2+ и Mg2+ в нерастворимые соединения);
   ❏ ионный обмен (замещение ионов Ca2+ и Mg2+ на безвредные Na+ и H+);
   ❏ диализ (разделение растворенных веществ, различающихся по массе, с помощью полупроницаемой мембраны);
   ❏ магнитная обработка.
   
   Объем настоящей статьи не позволяет рассмотреть все приведенные варианты, поэтому остановимся на одном, достаточно популярном на сегодняшний день методе стабилизационной реагентной обработки — фосфатировании.
   
   Механизм действия фосфатов в небольшой концентрации связан с их адсорбцией на поверхности зародышей кристаллов карбоната кальция CaCO3. Тем самым, происходит стабилизация пересыщенных растворов Ca(HCO3)2, в связи с достижением предельно допустимой карбонатной жесткости циркуляционной воды (т.н. «пороговый эффект»). Кристаллы прекращают увеличиваться в объеме, даже начинают раскалываться из-за проникновения фосфата внутрь мельчайших трещин на поверхности кристаллов, теряют адгезивную способность. Это касается как растворенных в воде ионов, так и уже имеющихся на стенках отложений. Таким образом, фосфатирование помогает не только предотвратить новые отложения накипи, но и постепенно отмывать ранее накопившиеся.
   
   Химический смысл взаимодействия фосфатов с водой связывают с наличием в них ионных и ковалентных связей, которые обуславливают их способность образовывать растворимые комплексы с ионами металлов, что предотвращает выпадение труднорастворимых соединений поливалентных катионов (Ca2+, Mg2+, Fe2+), или «пептизировать» (разлагать на составляющие, разрушать) осадки этих же катионов. Это свойство получило название хелатной способности фосфатов, которая позволяет им сохранять эффективность даже при концентрации реагента в диапазоне несколько частей на миллион. Кроме того, фосфаты растворяют осадки, диспергируют и дефлокулируют взвешенные частицы.
   
   На рис. 1 приведен график, демонстрирующий зависимость потерь фосфорсодержащего реагента от кальциевой жесткости воды.
   
   На рынке присутствует огромное количество разнообразных фосфорсодержащих препаратов для умягчения технической воды. Но, по большому счету, все они имеют в своей основе одно и то же базовое соединение — оксид фосфора (P5+)P2O5. Этот оксид способен образовывать различные кислоты в зависимости от доступных ему молекул воды.
   
   Например, если воды столько же, сколько и оксида фосфора, образуется одноосновная метафосфорная кислота:P2O5 + H20 = 2HPO3,структурная формула:
   
   При увеличении воды в три раза получается уже трехосновная ортофосфорная кислота:P2O5 + 3H20 = 2H3PO4,структурная формула:Этой же способностью оксида фосфора P2O5 связывать различное количество молекул воды обусловлено и его активное участие в органических соединениях, например, образование фосфоновых кислот, имеющих общую формулу R–PO(OH)2. Кстати, обратите внимание: один и тот же кислотный остаток по правилам неорганической и органической химии записывается по-разному, пусть это не вводит в заблуждение: H2PO4– и PO(OH)2– — это одно и то же соединение, что явно видно по структурной формуле:
   
   Описанная особенность фосфора позволяет без особого труда понимать структурные формулы многочисленных фосфорсодержащих реагентов, видеть сходство и различия между ними, прогнозировать их свойства на основании выделения однообразных структур. Описанным выше стабилизирующим действием обладают многие соли фосфорных кислот, но наиболее часто из неорганических фосфатов применяют как тринатрийфосфат (Na3PO4⋅12H2O), так и суперфосфат (Ca(H2PO4)2), а такжесоли полифосфатов (например, гексаметафосфат натрия Na6P6O18) — линейных полимеров ортофосфорной кислоты. Из органических фосфатов наибольшее распространение в водоподготовке получили производные фосфоновойкислоты: 1гидроксиэтилиден1,1дифосфоновая кислота CH3COH(PO(OH)2)2 (более известная под названием оксиэтилидендифосфоновая кислота или ОЭДФ) или же нитрилотриметилфосфоновая (НТФ) кислота N(CH2PO(OH)2)3, а также композиции на их основах (ОЭДФZn и НТФZn и др.). Обработка указанными реагентами дает примерно одинаковый эффект в отношении предупреждения накипеобразования при поддержании концентрации К в пересчете на P2O5 около 1–2,7 г/м3 (мг/кг). При этом не следует особо усердствовать: повышение концентрации фосфатов до 3 г/м3 может вызвать образование трудновымываемого шлама (осадка) в зоне ввода реагента. С течением времени стабилизирующие свойства фосфатов/фосфонатов теряются за счет гидролиза (разложение исходной молекулы при взаимодействии веществ с водой с образованием новых соединений):Na(PO3)6 + 6H2O → 6NaH2PO4.
   
   В приведенном примере мы снова наблюдаем преобразование соли одноосновной фосфорной кислоты в соль трехосновной кислоты на фоне увеличения доступных фосфору молекул воды. Аналогичному разложению подвергаются и соли фосфонатов, что наглядно представлено на графике (рис. 2). В связи с вышесказанным требуется непрерывное дозирование выбранного реагента в подпиточную воду.
   
   Дозирование фосфатов в воду должно производиться из расчета постоянного поддержания определенной концентрации в циркуляционной воде с учетом возмещения реагента вследствие образования малорастворимых соединений. Доза технического продукта на 1 м3 подпиточной воды определяется по формуле:где Д — доза технического реагента на 1 м3, г; К — концентрация в пересчете на P2O5, г/м3; V — полная емкость циркуляционной системы, м3; q — расход добавочной воды, м3/ч; СP2O5 — содержание P2O5 в техническом продукте, %. Пример схемы фосфатирования циркуляционной воды представлен на рис. 3.
   
   Недостатком метода фосфатирования является его высокие требования к щелочности подпиточной воды.
   
   Под общей щелочностью подразумевается сумма содержащихся в воде гидроксильных ионов (ОН–) и анионов слабых кислот (карбонатов, гидрокарбонатов, силикатов, боратов, сульфитов, гидросульфитов, сульфидов, гидросульфидов, анионов гуминовых кислот, фосфатов), которые в свою очередь, гидролизуясь, образуют гидроксильные ионы. Поскольку в большинстве природных вод преобладают карбонаты, то обычно различают лишь гидрокарбонатную (НСО3–) и карбонатную (СО3–) щелочность. В редких случаях, при рН > 8,5 возникает гидратная щелочность, обусловленная концентрацией в воде гидроксильных анионов ОН–. Щелочность определяется количеством сильной кислоты, необходимой для нейтрализации 1 л воды.
   
   Наибольшая допустимая щелочность подпиточной воды при обработке фосфатами зависит от ее химического состава и температуры. Для предварительных расчетов при температуре до 50 °С можно использовать формулу:Щф = b1 – 0,15Жн,где Щф — предельная щелочность циркуляционной воды при фосфатировании, мг÷экв/л; b1 — коэффициент, соответствующий типу реагента, для (NaPO3)6 принимают 6 мг÷экв/л, для Na3PO4⋅12H2O и Ca(H2PO4)2 принимают 5 мг÷экв/л; Жн — некарбонатная жесткость воды, мг÷экв/л.Несмотря на перечисленное обилие нюансов и тонкостей, практическое использование фосфатов и фосфонатов большой сложности не представляет. Так, дозировку препаратов нет необходимости каждый раз высчитывать вручную, для этого имеются насосы-дозаторы, которые самостоятельно отмеряют необходимую дозу на основании введенных данных. Ввиду высокой эффективности, низкого расхода исходного продукта и впечатляющих результатов фосфатирование воды находит широкое применение в различных областях водоподготовки.
   
   1. Громогласов А.А., Копылов А.С., Пильщиков А.П. Водоподготовка: процессы и аппараты: Учеб. пос. для ВУЗов. Под ред. О.И. Мартыновой. — М.: Энергоатомиздат, 1990.
   2. Фрог Б.Н., Левченко А.П. Водоподготовка: Учеб. пос. для вузов. — М.: Изд-во МГУ, 1996.
   3. Интернет-сайт: ru.wikipedia.org.
   4. Интернет-сайт termodynamika.ru — рефераты и статьи по теплотехнике и термодинамике.
   5. Интернет-сайт компании «Центр Водных Технологий»: www.water.ru.
   6. Потапов С.А., Дрикер Б.Н., Цирульникова Н.В. О применении цинкового комплекса ОЭДФ в системах теплоснабжения и горячего водоснабжения // Энергосбережение и водоподготовка, №3(30)/2004.
   7. Чаусов Ф.Ф., Казанцева И.С. Сравнительное исследование ингибиторов солеотложений и коррозии «Гилуфер422» и «Оптион313» // Журнал С.О.К., №7/2009.

Назад