Фосфатирование воды в циркуляционных системах

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 в системах отопления 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.

Рис.1. Изменение концентрации препарата ОЭДФ во времени (при температуре 20±2°C, кальциевой жесткости воды 2мг*экв/л, pH=7,5-8,0)

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.

При увеличении воды в три раза получается уже трехосновная ортофосфорная кислота: P2O5 + 3H20 = 2H3PO4. 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.

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 также соли полифосфатов (например, гексаметафосфат натрия Na6P6O18) — линейных полимеров ортофосфорной кислоты. Из органических фосфатов наибольшее распространение в водоподготовке получили производные фосфоновойкислоты: гидроксиэтилиден, дифосфоновая 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 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.

Рис.2. Зависимость потерь ОЭДФ из композиции ОЭДФ-Zn от кальциевой жесткости воды (при температуре 20±2°C, исходной концентрации 25мг/л, pH=7,8-8,3)

Дозирование фосфатов в воду должно производиться из расчета постоянного поддержания определенной концентрации в циркуляционной воде с учетом возмещения реагента вследствие образования малорастворимых соединений. Пример схемы фосфатирования циркуляционной воды представлен на рис. 3.

Рис.3. Схема фосфатирования циркуляционной охлаждающей воды (1 - вода, 2 - пар, 3 - бак для растворения гексаметафосфата, 4 - дозирующий бачок, 5 - приемный колодец, 6 - циркуляционный насос)

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. 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.

Правила использования материалов сайта