32. Вода. Застосування. Твердість води. Основні процеси водо підготовки: фізичні, хімічні, фізико-хімічні.

Вода - Н2O — хімічна речовина у вигляді прозорої безбарвної рідини без запаху і смаку, (в нормальних умовах). В природі існує у трьох агрегатних станах — твердому (лід), рідкому (вода) і газоподібному (водяна пара).Молекула води складається з одного атома Оксигену і двох атомів Гідрогену. Атоми Гідрогену розташовані в молекулі так, що напрямки до них утворюють кут 104,45o із вершиною в центрі атома Оксигену. Таке розташування зумовлює молекулі води дипольний момент у 1,844 Дебая. При заміні атомів Гідрогену (протонів) на атоми дейтерію утворюється модифікація, яка називається важкою водою.

Вода — одна із найголовніших речовин, потрібних для органічного життя. Рослини та тварини містять понад 60 % води за масою. На Землі водою покрито 70,9% поверхні. Вона здійснює у природі постійний кругообіг, випаровуючись з поверхні й повертаючись на неї у вигляді опадів. Вода має велике значення для економіки:сільського господарства й промисловості. Питна вода становить тільки 2,5% від загальної кількості. Нестача води може стати однією з найважчих проблем людства в найближчі десятиліття.

Застосування – вода природна сировина яка має найважливіше значення у житті та діяльності людини. Основні запаси води зосередженні у світовому океані. Але для промислових потреб використовують прісну воду, а вона становить лише 3,5% усіх запасів. Є лише невелика частка технологічних процесів в яких не використовують воду.

Землеробство - Вирощування достатньої кількості сільськогосподарських культур на відкритих посушливих землях вимагає значних витрат води на іригацію, що доходять до 90% в деяких країнах.

Пиття і приготування їжі - Живе людське тіло містить від 50% до 75% води [37], в залежності від ваги і віку. Втрата організмом людини більше 10% води може призвести до смерті. Залежно від температури і вологості навколишнього середовища, фізичної активності і т. д. людині потрібно випивати різну кількість води. Ведеться багато суперечок про те, скільки води потрібно споживати для оптимального функціонування організму.

Питна вода являє собою воду з будь-якого джерела, очищену від мікроорганізмів і шкідливих домішок. Придатність води для пиття при її знезараженні перед подачею у водопровід оцінюється за кількістю кишкових паличок на літр води, оскільки кишкові палички поширені і досить стійкі до антибактеріальних засобів, і якщо кишкових паличок буде мало, то буде мало і інших мікробів. Якщо кишкових паличок не більш, ніж 3 на літр, вода вважається придатною для пиття [38] [39].

Розчинник -Вода є розчинником для багатьох речовин. Вона використовується для очищення як самої людини, так і різних об'єктів людської діяльності. Вода використовується як розчинник у промисловості.

Теплоносій - Серед існуючих в природі рідин вода володіє найбільшою теплоємністю. Теплота її випаровування вище теплоти випаровування будь-яких інших рідин, а теплота кристалізації поступається лише аміаку. В якості теплоносія воду використовують в теплових мережах, для передачі тепла по теплотрасах від виробників тепла до споживачів. Воду в якості льоду використовують для охолодження в системах громадського харчування, в медицині. Більшість атомних електростанцій використовують воду в якості теплоносія.

Сповільнювач -У багатьох ядерних реакторах вода використовується не тільки в якості теплоносія, але й сповільнювач нейтронів для ефективного протікання ланцюгової ядерної реакції. Також існують важководні реактори, в яких як сповільнювач використовується важка вода.

Пожежогасіння -У пожежогасінні вода часто використовується не тільки як охолоджуюча рідина, а й для ізоляції вогню від повітря у складі піни.

Спорт -Багатьма видами спорту займаються на водних поверхнях, на льоду, на снігу і навіть під водою. Це підводне плавання, хокей, човнові види спорту, біатлон та ін

Інструмент -Вода використовується як інструмент для розпушення, розколювання і навіть різання порід і матеріалів. Вона використовується у видобувній промисловості, гірничій справі і у виробництві. Досить поширені установки з різання водою різних матеріалів: від гуми до сталі. Вода, що виходить під тиском кілька тисяч атмосфер здатна розрізати сталеву пластину завтовшки кілька міліметрів, або більше при додаванні абразивних частинок.

Мастило -Вода застосовується як мастильний матеріал для змащення підшипників з деревини, пластиків, текстоліту, підшипників з гумовими обкладками та ін Воду також використовують в емульсійних змащеннях.

Твердість води-сукупність властивостей,зумовлених вмістом у воді катіонів кальцію та магнію. Жорсткість води визначають за кількістю солей кальцію і магнію в ній. Якщо вода містить значні кількості таких солей, то таку воду називають жорсткою, а коли цих солей зовсім немає, або вони містяться в незначних кількостях, то — м'якою.

Відрізняють тимчасову, або карбонатну, жорсткість води і сталу. Тимчасова жорсткість обумовлюється наявністю кислих карбонатів (гідрокарбонатів) кальцію і магнію: Ca(HCO3)2 і Mg(HCO3)2, а стала — наявністю сульфатів і хлоридів кальцію і магнію: CaSO4, MgSO4, CaCl2 і MgCl2. Загальна жорсткість води являє собою суму тимчасової і сталої жорсткості.

Жорстка вода непридатна майже для всіх галузей виробництва. Так, наприклад, жорстку воду не можна використовувати для прання білизни, миття шерсті і фарбування тканин, бо в ній мило втрачає свою мийну здатність. Це пояснюється тим, що розчинний у воді стеарат натрію С17Н35COONa, який становить головну складову частину мила, переходить у нерозчинний стеарат кальцію (або магнію), утворюючи так зване кальцієве (або магнієве) мило:

2С17Н35COONa + CaSO4 = Са(С17Н35СОО)2 ↓ + Na2SO4

При цьому мильна піна утворюється тільки після повного осадження іонів кальцію і магнію, на що непродуктивно витрачається багато мила. Крім того, утворюваний осад кальцієвого і магнієвого мила міцно осідає на волокнах тканин і забруднює їх, а при фарбуванні утворює плями.

Жорстка вода непридатна і для цілого ряду інших виробництв: паперового, шкіряного, крохмального, спиртового тощо. Вона непридатна і для паросилового господарства, бо при кип'ятінні води утворюється накип, який погано проводить тепло, внаслідок чого збільшується витрата палива. Накип викликає інтенсивне руйнування стінок котлів, що може призвести до аварії.

Хімічна (реагентна) водопідготовка

Увазі пряме додавання всередину системи хімічних речовин, які пом'якшують воду або пригнічують корозію.

Фосфатування. Це система, в де кристали поліфосфатів повільно розчиняються в потоці води, покриваючи будь-які металеві частини, які контактують з водою, тонкою плівкою. Ця плівка ефективно запобігає утворенню відкладень і корозії на металевих трубах. Процес дозування автоматизований, поліфосфати додаються у воду пропорційно витраті води. Воду після обробки не можна використовувати для пиття і приготування їжі.

Пом'якшувач води (Іонообмінний фільтр). Це пристрій, в де вода пропускається через мембрану, яка ефективно заміщає кальцій з води на натрій з мембрани. З часом всі іони натрію в мембрані будуть заміщені. Щоб повернути здатність мембрани до заміщення іонів кальцію натрієм, її необхідно регенерувати. Мембрану поміщають в міцний соляний розчин, при цьому іони натрію переходять з розчину в мембрану, а іони кальцію – в розчин. Під час регенерації пристроєм можна користуватися.

Після регенерації відпрацьований розчин зливають. Відпрацьований розчин належить до категорії агресивних рідин, його скидання потрібно погоджувати у відповідних організаціях.

При порушенні термінів регенерації термін служби дорогої мембрани значно скоротиться.

До того ж пом'якшена вода не може розчинити карбонатні відклади, їх доводиться регулярно очищати кислотою.

Також не вітається використання зм'якшеної води в системах центрального опалення, тому пом'якшена вода корозійно активна.

Контроль над корозією

У системах, що містять воду, існують два основні шляхи придушення корозії:

• видалення кисню з води, механічна або хімічна деаерація;

• додавання інгібіторів корозії.

Інгібітори корозії

Інгібітор корозії це речовина, яка ефективно зменшує ступінь корозії в системі. Основні види інгібіторів корозії:

• пасивуючі (анодні) інгібітори – утворюють плівку оксидів на поверхні металу. Це кращі інгібітори, тому що витрачаються в невеликих кількостях, їх захисні плівки міцні і швидко відновлюються при пошкодженні.

• осаджувальних (катодні) інгібітори – реагенти, які утворюють нерозчинні речовини, які можуть покрити і захистити поверхню.

• адсорбуючі інгібітори – поляризовані речовини, їх заряди притягають їх до поверхні металу. Зазвичай це органічні речовини.

Пасивуючі інгібітори

Прикладами пасивуючих (анодних) інгібіторів можуть бути речовини, що містять хромати, нітрит, молібдати (солі молібденової кислоти) і ортофосфати. Всі вони є окислювачами і сприяють пасивування збільшуючи електричний потенціал заліза. Хромати і нітрити не потребують кисню і це робить їх найбільш ефективними. Однак з міркувань безпеки здоров'я та довкілля, використання хроматів і нітриту істотно скорочене.

Молібдати і ортофосфати теж є відмінними пасиватором. Хоча молібдати це дорогий матеріал, вони можуть бути дуже ефективним інгібітором, особливо в поєднанні з іншими хімікатами.

Осаджувальних інгібітори

Ортофосфати – це хороший приклад осадітельного інгібітора, який демонструє подвійну дію, діючи як анодний пасиватором і катодний осадитель.

Адсорбуючі інгібітори

Адсорбуючі інгібітори повинні бути полярними, щоб бути адсорбованими, наприклад як аміни. Часто ці молекули володіють подвійною функціональністю. У них міститься гідрофільна група, яка адсорбується в поверхню металу, а протилежна гідрофобна група запобігає подальший контакт металу з водою.

Силікати

Багато років силікати використовувалися для придушення корозії у водних розчинах, особливо в системах з питною водою. Їх механізм інгібіції ще не повністю вивчений. Найімовірніше вони пригнічують корозію за допомогою механізму адсорбції. Силікати є медленнодействующімі інгібіторами, в деяких випадках може знадобитися 2 – 3 тижні для повного захисту системи.

Інгібітори мідної корозії

Найбільш ефективними інгібіторами корозії для міді і її сплавів є ароматичні tria-zoles, такі як benzotriazole (BZT) і tolyltriazole (TTA). Ці компаунди (складні структури) утворюють зв'язку безпосередньо з оксидом міді на поверхні металу, утворюючи хемсорбціонную плівку.

Фактори, про які не треба забувати

Щоб дія інгібіторів корозії було ефективним, їм необхідний контакт з поверхнею металу. Тоді захисна плівка на його поверхні буде стабільною. Тому перед обробкою системи треба попередньо її очистити від відкладень.

Ефективність придушення корозії також залежить від концентрації інгібітора у воді.

Якщо в системі присутні труби, обладнання з різних металів, слід використовувати продукти, що містять комплекс інгібіторів для того щоб достатньо захистити кожен метал системи. На додаток до таких часто використовуваних металів і сплавів як залізо, мідь, сталь і латунь, слід подумати і про алюміній.

Фізична (безреагентної) водопідготовки

Як видно з назви, ця група пристроїв функціонує без витратних матеріалів. Частина з них використовує для роботи електроживлення, інші обходяться і без нього. У цю категорію входить багато пристроїв, які можна розділити на групи:

• постійні магніти;

• електромагніти;

• електронні;

• електролітичні;

• електростатичні.

Всі ці пристрої ефективно міняють поведінку води. При використанні цих пристроїв зменшується рівень відкладень або збільшується інтервал між очистками системи. Деякі з пристроїв здатні навіть видаляти з системи існуючі відкладення.

По суті, фізичні інгібітори відкладень, магнітні, електролітичні або електронні, працюють схожим чином, змінюючи поведінку природних солей у воді так, що вони залишаються в розчині, а не на стінках труб.

Постійні магніти

Це найбільш просте з пристроїв цього класу. Представляє із себе групу постійних магнітів, з'єднаних між собою. Проходить через пристрій вода обробляється магнітним полем. Магнітне поле примушує воду накопичувати електростатичні заряди, що призводить до тимчасових змін у формі кристалів солей. Воно змінює їх форму із звичайного прямокутного паралелепіпеда на голкоподібні структуру, яка більш схильна до вимивання з системи, ніж прилипанню до поверхонь.

Для роботи не потрібно харчування та витратних матеріалів. Пристрій врізається в систему. Існують розробки, встановлювані на трубу без врізок в систему.

Моделі підбираються по діаметру і потоку води. Є обмеження по температурі води.

Електромагнітні

Подібні системам з постійними магнітами, але володіють більш потужним магнітним полем і служать довше. Зазвичай повинні бути встановлені дуже близько до котла, тому вони обробляють тільки воду, яка них. Якщо потік зупиниться, накопичення води зарядами припиниться до тих пір, поки рух води не почнеться знову.

На відміну від магнітних можуть працювати на великих потоках води і при більш високих температурах, але дорожче магнітних і вимагають ретельного очищення зовнішньої поверхні труби в місці установки.

Електронні

Електронні системи водопідготовки відрізняються тим, що їх робота не залежить від швидкості потоку води. Високочастотний сигнал впливає на воду на молекулярному рівні за допомогою встановленого поверх труби пристрою. Вплив на воду виявляється 24 години на добу в обох напрямках, по і проти потоку води, обробляючи одночасно всю воду в системі.

Високочастотний радіосигнал змінює характеристики кристалізації солей у воді, запобігаючи утворенню нових відкладень.

Деякі пристрої цієї групи здатні видаляти старі відкладення і викликати ефект пасивування в металах труб, запобігаючи корозії.

Електролітичні

Невеликий електричний струм, проходячи через воду, ефективно міняє молекулярну структуру утворюються кристалів відкладень, запобігаючи освіти жорстких відкладень на котлах, трубах. Ця система модифікує фізичні властивості іонів, але хімічної реакції не відбувається. У водному розчині солі кальцію, магнію і деякі інші солі частково іонізовані і тому на них впливає електромагнітне або електростатичне поле. Збільшення ступеня іонізації іонів в розчині знижує утворення відкладень.

Електростатичні

Кінетична енергія рухомого потоку води створює заряд, який передається в воду. Це порушує стабільність частинок у воді, які перебувають у стані рівноваги, володіючи рівними зарядами. Нейтралізуючи заряди і порушуючи рівноважний стан суміші пристрій примушує частинки випадати в осад, захоплюючи за собою речовини, які можуть утворити накип. Пристрій викликає раннє, неконтрольоване осадження невеликих, не повністю сформованих кристалів. Таким чином запобігається освіту жорстких відкладень, а м'який шлам вимивається з системи.