Теоретические аспекты типичных проблем охлаждающей воды

В системах охлаждения могут образовываться различные отложения (Fouling), возникающие за счет осаждения ранее растворенных солей, взвешенных веществ, микробиологического роста (Biofouling) или продуктов коррозии.
Наряду с образованием налета, возможно разрушение материала из-за коррозионных процессов. Причиной этого может быть агрессивная по отношению к материалу вода или микробиологическая коррозия (MIC).
Под термином Scaling понимается осаждение или выкристаллизовывание одного или нескольких компонентов, растворенных ранее в воде. Причиной этого является превышение растворимости этих солей, которая может быть вызвана повышением концентрации или температурными изменениями.
Осаждения на стенах труб сказываются не только на самом состоянии материала труб, но и на величине прохода. Уменьшение внутреннего диаметра трубы в значительной степени затрудняет и уменьшает величину необходимого потока.
Карбонат кальция образует твердые отложения и представляет собой наиболее распространенный вид накипи, встречаемый в системах охлаждения. Эти отложения в целом возникают посредством реакции растворенного гидрокарбоната кальция (Ca(HCO₃)₂ или Ca²⁺ + 2HCO₃^-) при снижении концентрации гидроксида углерода IV (CO2) в воде.

2.1.1 Жесткость

Чаще всего встречаемые в природных водах катионы – это катионы кальция (Ca²⁺), магния (Mg²⁺), натрия (Na⁺) и калия (K⁺). Все другие ионы щелочных и щелочноземельных металлов и катионы других металлов встречаются в очень незначительных количествах. Соли перечисленных элементов образуют так называемые соли жесткости (накипеобразователи).
Первоначальное значение ионов щелочноземельных металлов как накипеобразователей основывается на том, что эти ионы образуют с жирными кислотами (в том виде, в котором они содержаться в обычном мыле и других поверхностно-активных веществах) нерастворимые соли, увеличивая тем самым моющий эффект и качество текстиля.
Для характеристики воды употребляются разные понятия жесткости. В качестве общей жесткости обозначают сумму концентраций всех ионов щелочноземельных металлов.
Различают также карбонатную жесткость, которая складывается из солей углекислоты, образующих накипь, т.е. гидрокарбонатов и карбонатов кальция и магния, и некарбонатную жесткость – из солей минеральных кислот, образующих накипь.
Если имеется присутствующая в воде доля ионов кальция или магния, эквивалентная имеющимся в воде ионам карбонатов и гидрокарбонатов, карбонатная жесткость может выпадать в осадок при снижении концентрации CO₂^- (например, при нагревании). Поэтому карбонатную жесткость часто называют "переходящей" или "временной" жесткостью. В случае некарбонатной жесткости, напротив, говорят о "остающейся" или "постоянной" жесткости, так как доля ионов кальция и магния в растворе остается при выпадении в осадок в неизменном виде.

2.1.2 Углекислота

Все природные воды содержат большие или меньшие количества углекислоты в свободном и связанном виде. Растворенный в воде диоксид углерода сначала вступает в реакцию с водой, образуя углекислоту H₂CO₃. Углекислота, являясь неустойчивым соединением, диссоциирует далее на ионы гидроксония H₃O⁺, которая представляет собой водный комплекс ионов водорода: H⁺×H₂O, на гидрокарбонатные ионы HCO₃^-, а также карбонатные ионы CO₃^2-, которые в дальнейшем могут образовывать нерастворимые соли с ионами металлов.

2.1.3 Равновесие накипь-углекислота (отложение извести)

Так называемое "равновесие накипь-углекислота" позволяет делать выводы о коррозийных и накипеобразующих свойствах воды. Это означает, что знание и применение этого равновесия может выявлять тенденцию соответствующей воды вызывать коррозию или вести к образованию накипи.

При растворении карбоната кальция:
CaCO₃ - Ca²⁺ + CO₃^2-
в присутствии CaCO₃ в качестве осадка получается произведение растворимости:
[Ca²⁺] × [CO₃^2-] = L

Если это уравнение действительно для воды, то карбонат кальция не может как выпадать в осадок, так и растворяться, вода в отношении карбоната кальция стабильна. Если же вода не находится в равновесии накипь-углекислота, то она стремится либо растворить карбонат кальция, т.е. является агрессивной по отношению к накипи, либо, наоборот, образует отложения карбоната кальция.
Произведение растворимости L зависит от температуры и ионной концентрации. На основании различной термической нагрузки в контуре охлаждения равновесие накипь-углекислота смещается в зависимости от температурного уровня. В местах высокой термической нагрузки – коррозию.
Для того, чтобы вода находилась в равновесии накипь-углекислота, состав воды по содержанию в ней свободной углекислоты, ионов гидрокарбонатов и ионов кальция должен находиться в определенном соотношении его частей, которое можно установить расчетным путем.
Количество свободной углекислоты обозначается как принадлежная углекислота. Если в воде больше углекислоты, то долю углекислоты, выходящую за пределы принадлежной углекислоты, называют агрессивной углекислотой.
Ионогенно-связанная углекислота выражается карбонатной жесткостью. Для стабилизации ионов гидрокарбоната требуется определенное количество свободной, принадлежной, углекислоты, что предотвратить разложение гидрокарбоната.
Если данное количество при определенной температуре ниже, чем соответствующее состоянию равновесия, то CaCO₃ осаждается (накипеобразование); если оно выше, то образуется свободная (агрессивная) CO₂, которая может вызывать коррозию.
Таким образом, для установления соответствующего состояния возникает необходимость определения значения pH, при котором вода находится в равновесном состоянии.