10.2 Состав природных вод

Природная вода представляет собой раствор различных солей и газов. В ней содержатся главным образом следующие ионы: Na⁺, Ca²⁺, Mg²⁺ , К⁺ , Сl^-, S0₄^2-, НСО₃^-, Fe²⁺ , SiO₃^2-. Главной составной частью мор­ской воды являются ионы Na⁺ и Сl (77% от общей суммы содержа­щихся ионов), затем следуют ионы Mg²⁺, Ca²⁺, S0₄^2-и др.

В воде растворены азот, кислород, углекислый и другие газы. Кис­лород, азот, диоксид серы попадают в воду при растворении в ней воз­духа. Растворимость кислорода в воде завидит от температуры. Так, при 20°С может раствориться 9 мг/л, а при 50°С приблизительно 5,5 мг/л. Таким образом, чем выше температура, тем меньше кислорода может раствориться в воде. Углекислый газ растворяется в воде из воздуха или образуется при разложении гидрокарбонатов. Сероводород и амми­ак образуются в воде в результате гниения органических веществ.

Кроме растворенных веществ, вода содержит взвешенные вещест­ва органического и неорганического происхождения. Взвешенные при­меси удаляют фильтрованием, коллоидные примеси - коагуляцией.

Многие из содержащихся в воде веществ, при определенных кон­центрациях, оказывают то или иное вредное действие на организм чело­века, разрушают металлические конструкции, мешают проведению ряда технологических процессов.

Газы. Кислород и диоксид углерода, растворенные в воде, оказы­вают отрицательное воздействие на системы котлов и дизелей. Особен но опасны кислород и углекислый газ для котлов высокого давления. В зависимости от условий в системе (температура, давление, материал конструкции) растворенный кислород может вызывать питтинговую коррозию стальных поверхностей.

Результатом коррозии железа с участием кислорода является обра­зование гидроксидов железа:

2Fe - 4е^- - 2Fe²⁺

0₂ + 2Н₂0 + 4е^- = 40Н^-

2Fe + 2Н₂0 + 0₂ = 2Fe(OH)₂

при избытке кислорода образуется Fe(OH)₃:

4Fe(OH)₂ + 2H₂0 + 0₂ = 4Fe(OH)₃.

Двуокись углерода может попадать в паровые котлы не только растворенной в воде, но и образовываться из карбонатов и бикарбонатов при их нагревании и гидролизе. Свободная С0₂ препятствует образова­нию на поверхности металла защитного слоя продуктов коррозии, а вза­имодействуя с водой, дает угольную кислоту, снижает рН, что ведет к электрохимической коррозии.

Сероводород также вреден, так как, образуя в воде сероводород­ную кислоту, разъедает металлы с образованием сульфидов, которые осаждаются в воде и трубах в виде грязи и ила.

Карбонаты, гидрокарбонаты. Гидрокарбонаты кальция, магния, железа образуются в природе при растворении карбонатных пород, сос­тоящих из СаСОз, MgC0₃, FeC0₃, водой, содержащей С0₂:

СаС0₃ + Н₂0 + С0₂ = Са(НС0₃)₂

Между угольной кислотой и ее анионами НС0₃^- и С0₃^2- существует углекислотное равновесие:

Н₂С0₃ = Н⁺ + НСО₃^-

НСО₃^-= Н⁺ + С0₃^2-

2НС0₃^- = С0₃^2- + С0₂ + Н₂0

При понижении рН < 6 равновесие сдвигается в сторону образования Н₂С0₃, вода становится коррозионно активной. При повышении рН > 10 равновесие смещается в сторону образования карбонат-ионов, выпадает осадок СаС0₃. Вода, у которой угольная кислота, бикарбонат- и карбо­нат-ионы находятся в равновесии, называется стабильной водой.

В условиях работы парового котла гидрокарбонаты разлагаются, образуя С0₂, осадки СаСО₃, MgC0₃, FeC0₃. Растворимость карбоната кальция уменьшается при повышении температуры, становясь наимень­шей в точке с самой высокой температурой. В котлах - это поверхности труб с водой возле топок. В результате карбонат кальция отлагается в виде кристаллов, которые не только крепко соединены друг с другом, но и с горячей поверхностью металла, приводя к отложению накипи на по­верхности теплообмена. Это отложение продолжает нарастать, форми­руя толстый покров, при этом уменьшается сечение труб. Эффектив­ность теплообмена поверхности вода - труба резко снижается, что при­ведет к повышению расхода топлива для компенсации ухудшения теп­лопередачи и получения требуемого количества пара. Увеличение температуры со стороны топки приводит к перегреву металла, может выз­вать его усталость, образование трещин и разрыв труб котла. Произве­дение растворимости карбоната магния значительно больше, чем карбо­ната кальция, поэтому MgCO₃ редко является компонентом накипи. Со­ли MgCO₃, FeC0₃ гидролизуются с образованием Mg(OH)₂ и Fe(OH)₂ (при последующем окислении - Fe(OH)₃). Диоксид углерода с водой об­разует угольную кислоту, разрушающую стенки трубок котла. Mg(OH)₂ и Fe(OH)₃ не дают накипи, а образуют на дне коллектора котла слой ила. Отложения карбоната кальция легко удаляются при помощи кис­лотной чистки.

Сульфаты. В природной воде содержатся CaS0₄, MgS0₄, Na₂S0₄. Сульфат магния является хорошо растворимой солью, причем с повы­шением температуры растворимость растет. MgS0₄ гидролизуясь, обра­зует Mg(OH)₂ и H₂S0₄, повышающие кислотность среды. Сульфат каль­ция, вследствие малой растворимости, образует накипь, цементирую­щую осадки СаСО₃, Mg(OH)₂. Такая накипь обычно удаляется механиче ским путем.

Хлориды. В природной воде встречаются следующие хлориды: NaCl, MgCI₂, СаСl₂ и FeCl₂. Хлориды натрия переходят в пар, а затем осаждаются, например, на лопатках турбин. Соли MgCl₂ и FeCl₂ гидро­лизуются с образованием осадков гидроксидов Mg(OH)₂ и Fe(OH)₂ и соляной кислоты, повышающую коррозионную опасность среды. Поэто­му необходим постоянный контроль рН котельной воды. Mg(OH)₂ час­тично образует ил, частично находится во взвешенном состоянии, чем обуславливают "кидание" воды. Увеличение уровня хлоридов является показателем загрязнения морской водой; их содержание используется как показательная точка для проведения продувки котла. Очень высокий уровень хлоридов показывает, что присутствует нежелательное количес­тво солей, это может привести к образованию пены и накипи.

Соединения азота образуются при загрязнении воды продуктами гниения органических веществ. В природной воде могут содержаться аммиак NH₃, соли аммония (NH₄⁺), нитриты (N0₂^-), нитраты (N0₃^-). Об­разование этих соединений происходит с участием бактерий. При этом вначале образуются соединения в низшей степени окисления азота (NH₃, NH₄⁺), а в дальнейшем бактерии окисляют азот за счет растворенного в воде кислорода до степеней окисления +3, +5. Вода, содержащая соеди­нения азота в низших степенях окисления, не пригодна для питья, так как бактерии, участвующие в биохимическом процессе, вредны для че­ловека.

Наличие соединений азота свидетельствуют о присутствии в воде органических веществ, которые могут в паровых котлах увеличивать осадок.

Силикаты. В судовых условиях одним из источников загрязнения воды силикатами может быть пресная необработанная вода, которая хранилась в танках с силикатным покрытием, или попадание морской воды при прорывах в испарителях. Силикаты имеют очень малую растворимость, при работе котла образуют стеклоподобную накипь, непод­дающуюся удалению. Она сильно понижает теплопередачу котла, а так­же цементирует другие осадки. Соли CaSi0₃, MgSi0₃ подвергаются гидролизу с образованием кремневой кислоты, растворимость которой в паре при повышенных давлениях очень велика. Контроль содержания кремниевой кислоты важно для котлов высокого давления. Кремниевая кислота в своей летучей форме может выноситься паром и отлагаться на лопатках турбины, что приводит к их эрозии и в результате к разбалансировке турбины.

Соединения железа встречаются в природной воде главным обра­зом в виде гидрокарбонатов Fe(HC0₃)2, которые окисляются до Fe(OH)₃. Если соединения железа отсутствуют в питающей воде, то они могут по­пасть в котел в результате его коррозии. Отложения окислов железа ухудшают передачу тепла в трубах котла, иногда приводят к поврежде­нию труб. Чаще это происходит в зонах высокой теплопередачи, напри­мер, в трубах в зоне пламени.

Нефть. Загрязнение нефтепродуктами может иметь место при ме­ханических повреждениях, например, отбойников масла в сальниках ва­лов турбин или повреждении греющих труб топливных танков. Любая пленка нефти на внутренних поверхностях нагрева является опасной, сильно ухудшающей теплопередачу, вызывает перегрев металла труб, что приводит к раздутию трубы и ее разрушению.