Impuls elektryczny jako bezsolna alternatywa dla urządzeń zmiękczających wodę
Problem twardości wody a systemy z serii Impuls jako bezsolna alternatywa dla urządzeń zmiękczających wodę
Pod pojęciem twardości wody należy rozumieć właściwość polegającą na zużywaniu pewnych ilości mydła bez wytworzenia piany podczas wytrząsania próby wody. Właściwość tą wodzie naturalnej nadają jony wapnia, magnezu, żelaza, manganu, glinu, cynku oraz inne ciężkie kationy, które tworzą z mydłem dodawanym do wody nierozpuszczalne mydła wapniowe, magnezowe i inne nie tworzące piany podczas wytrząsania. Piana zaczyna się wytwarzać dopiero wtedy, gdy nastąpi całkowite ich strącenie. Ilość zużytego przez wodę mydła do chwili pojawienia się piany charakteryzuje stopień twardości wody. W wodach naturalnych dominują przeważnie sole wapnia oraz magnezu. Inne kationy metali ciężkich występują w znikomych ilościach.
Stąd też twardość wody naturalnej zależy głównie od zawartości jonów Ca+2 i Mg+2 w badanej wodzie.
Twardość wody surowej nazywana jest twardością ogólną (Two). Ze względu na ilość i jakość znajdujących się w wodzie jonów właściwość tę można podzielić:
Według kationów na:
- wapniową, wywołaną rozpuszczalnymi solami wapnia,
- magnezową, wywołaną solami magnezu,
Według anionów na:
- węglanową (tzw. przemijająca, nietrwała), określa ona zawartość wodorowęglanów, węglanów i wodorotlenków wapnia i magnezu,
- niewęglanową (tzw. trwała), odpowiada ona różnicy między twardością ogólną i twardością węglanową, określa zawartość takich jonów jak Cl-, S-2 i innych rozpuszczalnych soli wapnia i magnezu.
Nazwa „trwałość przemijająca” wynika z faktu, iż wodorowęglany są nietrwałe termicznie i podczas ogrzewania przekształcają się do nierozpuszczalnych w wodzie węglanów, które wytrącają się z roztworu. Natomiast chlorki, siarczany i azotany są trwałe i pozostają również po przegotowaniu wody.
Twardość wody podaje się w tzw. stopniach twardości wody (niemieckich, francuskich, angielskich i in.) lub w milivalach (miligramorównoważnikach) jonów wapnia i magnezu w 1 dm3 wody.
°dH | °e | °fH | ppm | mval/l | mmol/l | ||
stopnie niemieckie | 1 °dH = | 1 | 1,253 | 1,78 | 17,8 | 0,357 | 0,1783 |
stopnie angielskie | 1 °e = | 0,798 | 1 | 1,43 | 14,3 | 0,285 | 0,142 |
stopnie francuskie | 1 °fH = | 0,560 | 0,702 | 1 | 10 | 0,2 | 0,1 |
ppm CaCO3 (USA) | 1 ppm = | 0,056 | 0,07 | 0,1 | 1 | 0,02 | 0,01 |
milival | 1 mval/l = | 2,8 | 3,51 | 5 | 50 | 1 | 0,50 |
mmol | 1 mmol/l = | 5,6 | 7,02 | 10,00 | 100,0 | 2,00 | 1 |
Z przyjętej konwencji wynika, iż 1 stopień twardości odpowiada 10 mg CaO/dm3, a w takim razie 1 mval/dm3 jest równy 2,8 °tw. Z zależności tej często korzysta się podczas przeliczania twardości wody (w mval/dm3) na stopnie twardości i odwrotnie. Typowa twardość wody użytkowej wynosi ok. 180 mg CaCO3/dm3. Twardość wody przeznaczonej do spożycia przez ludzi powinna wynosić 60 – 500 mg CaCO3/dm3.
W zależności od stopnia twardości wody można wyróżnić wodę bardzo miękką, miękką, średnio-twardą, twardą oraz bardzo twardą.
Woda | mg CaCO3/dm3 | mmol/dm3 | mval/dm3 | oTw (dh) |
Bardzo miękka | 0 - 85 | 0 - 0,89 | 0 - 1,78 | 0 - 5 |
Miękka | 85 - 170 | 0,89 - 1,78 | 1,78 - 3,57 | 5 - 10 |
Średnio twarda | 170 - 340 | 1,78 - 3,57 | 3,57 - 7,13 | 10 - 20 |
Twarda | 340 - 510 | 3,57 - 5,35 | 7,13 - 10,7 | 20 - 30 |
Bardzo twarda | > 510 | > 5.35 | > 10,7 | 30 |
Twardość wody nie ma znaczenia zdrowotnego. W gospodarstwie domowym twardość wody jest niepożądana, ponieważ wymaga stosowania większych ilości mydła, gdyż powoduje wytrącenie trudno rozpuszczalnych soli kwasów tłuszczowych i metali odpowiedzialnych za twardość wody. Poza tym powoduje twardnienie jarzyn podczas ich gotowania. Twardość wody ma wpływ na jej napięcie powierzchniowe. Czym większe napięcie powierzchniowe wody, tym trudniej zwilża ona wszelkie powierzchnie, na skutek czego trudniej jest czyścić zabrudzone powierzchnie. Różne gałęzie przemysłu wymagają stosowania wody miękkiej. Szczególnie woda przeznaczona do zasilania kotłów nie powinna być twarda, gdyż powstający kamień kotłowy znacznie zwiększa straty cieplne i stwarza niebezpieczeństwo wybuchu. Wymagany stopień zmiękczania wody wzrasta wraz z ciśnieniem panującym w kotle.
Sposób zmiękczania wody należy rozpatrywać w każdym przypadku indywidualnie, tzn. w zależności od twardości wody surowej i od wymaganego stopnia zmiękczania. Ze względu na rodzaj stosowanych procesów wyróżnia się metody termiczne, strąceniowe, jonitowe i membranowe.
Metoda termiczna usuwania twardości węglanowej polega na podgrzewaniu wody, w wyniku czego narusza się równowagę węglanowo-wapniową i wytrąca się węglan wapnia zgodnie z reakcją:
Ca(HCO3)2 ----- (temp) ----> CaCO3 + CO2 + H2O
Mg(HCO3)2 ----- (temp) ----> MgCO3 + CO2 + H2O
Wytrącający się węglan wapnia jest trudno rozpuszczalny, natomiast węglan magnezu jest dość dobrze rozpuszczalny w wodzie i dopiero przy pH wynoszącym ok. 11 magnez wytrącany jest w wyniku jego hydrolizy jako trudno rozpuszczalny wodorotlenek. Wraz ze wzrostem temperatury i czasu ogrzewania zwiększa się skuteczność rozpadu wodorowęglanów wapnia i magnezu. W czasie ogrzewania wody mogą wytrącać się z niej innej sole. Nastąpi to wówczas, gdy zostanie przekroczony ich iloczyn rozpuszczalności w danej temperaturze. Metoda ta nie znajduje szerszego zastosowania w przygotowaniu wody dla potrzeb energetyki. Przyczyną tego jest ograniczona wydajność reaktorów, w których prowadzony jest proces termiczny, oraz duża energochłonność.
Inną metodą usuwania twardości węglanowej jest proces dekarbonizacji wapnem. Jest to metoda polegająca na usuwaniu z wody twardości węglanowej w wyniku wytrącania trudno rozpuszczalnych związków wapnia oraz częściowo magnezu. Uzyskuje się to dawkując do wody wapno w postaci mleka lub wody wapiennej. Podczas dekarbonizacji dodany do wody wodorotlenek wapnia początkowo reaguje z dwutlenkiem węgla, a następnie z wodorowęglanem wapnia według reakcji:
CO2 + Ca(OH)2 --------> CaCO3 + H2O
Ca(HCO3)2 + Ca(OH)2 --------> 2 CaCO3 + 2 H2O
W procesie tym, oprócz węglanu wapnia, usuwane są pewne ilości węglanu magnezu zaokludowanego i zaadsorbowanego na węglanie wapnia. Przy dużym nadmiarze Ca(OH)2 (pH > 10,5) mogą przebiegać również reakcje chemiczne miedzy wodorotlenkiem wapnia i solami powodującymi twardość węglanową wody:
Mg(HCO3)2 + 2 Ca(OH)2 -------> Mg(OH)2 + 2 CaCO3 + 2 H2O
MgSO4 + Ca(OH)2 -------> Mg(OH)2 + CaSO4
MgCl2 + Ca(OH)2 -------> Mg(OH)2 + CaCl2
Powyższe reakcje są niepożądane w procesie dekarbonizacji wody przeznaczonej do celów chłodniczych, ponieważ w ich wyniku następuje głównie zmiana twardości niewęglanowej magnezowej na niewęglanową wapniową oraz dodatkowo wytrąca się Mg(OH)2. Dekarbonizację wapnem stosuje się w oczyszczaniu wód wykorzystywanych do chłodzenia oraz jako wstępny proces oczyszczania wody o podwyższonej twardości węglanowej. Przy zmiękczaniu wody zasilającej kotły proces ten może być prowadzony na zimno i na gorąco. Zwiększenie temperatury dekarbonizowanej wody przyspiesza proces i zwiększa efekty zmiękczania.
Proces zmiękczania wody można prowadzić także wodorotlenkiem sodu, który powoduje wytrącanie jonów wapnia jako CaCO3, magnezu jako Mg(OH)2 i wiąże CO2 do Na2CO3, który może reagować ze związkami powodującymi twardość niewęglanową wapniową:
CaSO4 + Na2CO3 -------> CaCO3 + Na2SO4
CaCl2 + Na2CO3 -------> CaCO3 + 2 NaCl
W praktyce zmiękczanie wody wodorotlenkiem sodu jest rzadko stosowane.
Metodą strąceniową zapewniającą usunięcie twardości wody oraz zawartości CO2 jest metoda wapno-soda. Polega ona na dodawaniu do wody węglanu sodu, który usuwa z wody twardość niewęglanową wapniową i powoduje zmianę twardości niewęglanowej magnezowej na twardość węglanową magnezową zgodnie z reakcją:
MgCl2 + Na2CO3 -------> MgCO3 + 2 NaCl
lub też dodawaniu wodorotlenku wapnia, który wiąże dwutlenek węgla – powoduje wytrącenie węglanu wapnia i wodorotlenku magnezu i zmianę twardości niewęglanowej magnezowej na twardość niewęglanową wapniową. Powstający MgCO3, w wyniku hydrolizy, rozkłada się do trudno rozpuszczalnego Mg(OH)2. Skuteczność tego procesu zależy od zastosowanej dawki oraz od temperatury wody.
Inną metodą strąceniową jest zmiękczanie ługiem sodowym i sodą. W metodzie tej NaOH odgrywa rolę Ca(OH)2. W wyniku tej reakcji w wodzie pozostaje jedynie twardość niewęglanowa wapniowa, którą usuwa soda. Metoda ta jest zalecana do zmiękczania wód, w których twardość węglanowa jest nieznacznie większa od twardości niewęglanowej lub dla wód, w których twardość wapniowa jest równa dwukrotności twardości węglanowej. Omawiana metoda jest bardziej kosztowna od metody wapno-soda, przy zbliżonej efektywności zmiękczania. Stąd też jest coraz rzadziej stosowana w praktyce.
Wśród metod strąceniowych najskuteczniejszym jest zmiękczanie wody fosforanami sodu. Dodanie do wody tych związków powoduje wytrącenie bardzo trudno rozpuszczalnych fosforanów wapnia i magnezu. Jako reagenty zmiękczające stosuje się Na3PO4, Na2HPO4 i NaH2PO4. Zapewnienie pH na poziomie > 10,5, poprzez dodanie do wody, oprócz fosforanów, wodorotlenku sodu, pozwala na praktycznie całkowite zmiękczenie wody. Najlepsze efekty zmiękczania można uzyskać przy zastosowaniu Na3PO4, który wiąże jony Ca2+i Mg2+ w trudno rozpuszczalne fosforany zgodnie z reakcjami:
3 Ca(HCO3)2 + 2 Na3PO4 -------> Ca3(PO4)2 + 6 NaHCO3
3 Mg(HCO3)2 + 2 Na3PO4 -------> Mg3(PO4)2 + 6 NaHCO3
3 CaSO4 + 2 Na3PO4 -------> Ca3(PO4)2 + 3 Na2SO4
3 MgCl2 + 2 Na3PO4 -------> Mg3(PO4)2 + 6 NaCl
Ze względu na dość wysoką cenę fosforanów oraz fakt, iż w wyniku zmiękczania wody o znacznej twardości węglanowej powstaje NaHCO3, omawianą metodę stosuje się jako tzw. zmiękczanie wtórne po metodzie wapno-soda lub po samym ługu.
Usuwanie jonów wapnia i magnezu można prowadzić również na jonitach.
W zależności od wymaganego stopnia zmniejszenia twardości wody oraz rodzaju usuwanej twardości stosuje się wymianę jonową:
- w cyklu wodorowym na kationitach słabo kwaśnych – usuwanie twardości węglanowej,
- w cyklu sodowym lub wodorowym na kationitach silnie kwaśnych – usuwanie twardości węglanowej i niewęglanowej,
- w cyklu wodorowym (kationit słabo kwaśny – dekarbonizacja + kationit silnie kwaśny) – usuwanie twardości węglanowej i niewęglanowej.
Ponieważ, w zależności od rodzaju kotła, różne są wymagania odnośnie jakości wody zasilającej i kotłowej, rodzaj stosowanych kationitów oraz cały układ jonitowego zmiękczania wody musi być ustalany indywidualnie dla każdego przypadku zmiękczania wody.
Aby zmiękczyć wodę, można także zastosować proces nanofiltracji. Koszty eksploatacyjne tego procesu są znacznie mniejsze niż koszty procesów odwróconej osmozy czy elektrodializy. Skuteczność usuwania jonów wapnia i magnezu zależy od rodzaju membrany nanofiltracyjnej i jest odwrotnie proporcjonalna do wartości cut-off membrany.
Nowoczesną alternatywą dla urządzeń zmiękczających wodę może być urządzenie o nazwie Impuls. Jest to elektroniczny system uzdatniania wody, zabezpieczający instalację wodną i urządzenia przed osadzaniem się kamienia wapiennego i rdzy. Technologia Impuls pozwala na uzdatnianie wody bez dodawania do niej jakichkolwiek odczynników czy soli. Wśród problemów powodowanych przez kamień wapienny należy wyróżnić m. in.: straty energii podczas wszystkich procesów wymiany ciepła, wzrost kosztów serwisowych urządzeń pracujących z wodą, spadek ciśnienia wody spowodowany zwężaniem się przekrojów rur, konieczność stosowania agresywnych preparatów oraz spadek opłacalności w produkcji wody przemysłowej. W wodzie użytkowej związki wapnia krystalizując tworzą rozgałęzione struktury, które łatwo łączą się i budują trwałą, kamienną powłokę. Technologia Impuls powoduje zmianę tej krystalizacji w oparciu o naturalny proces elektroforezy. Powstające kryształki przybierają kształt igieł i nie są zdolne do budowania zwartych struktur. Im więcej takich kryształków powstaje, tym jest mocniejszy efekt ochronny. Wówczas kamień jest wypłukiwany z systemu wodociągowego jako nieszkodliwy pył. Impuls jest systemem, który zmienia naturalną równowagę między krystalizacją a rozpuszczaniem się kamienia. Monokrystaliczna powłoka nie może wzrastać, ponieważ jej proces powstawania jest zakłócony. Natomiast naturalne rozpuszczanie się kamienia nadal trwa a krystaliczny osad w rurociągach ulega redukcji. Dzięki tej metodzie rozpuszczanie się osadu w uzdatnionej wodzie przebiega szybciej niż jego narastanie. Odbywa się to w naturalny, powolny i bezpieczny sposób, a rury z czasem oczyszczają się z kamienia. Proces ten można przedstawić za pomocą poniższej reakcji:
Ca(HCO3)2 ------- Impuls ------> CaCO3 (monokryształ) + CO2 + H2O
Wszędzie tam, gdzie twarda woda ma kontakt z metalowymi rurami, pojawia się problem utleniania miedzi lub żelaza. To z kolei prowadzi do poważnego problemu jakim jest korozja rur. Technologia ImpulsTech generuje zjawisko elektroforezy, dzięki czemu na wewnętrznych powierzchniach rur metalowych powstaje cienka monowarstwa węglanowa. W zależności od materiału rury może to być węglan miedzi, żelaza lub cynku. Powstała węglanowa powłoka szczelnie przylega do powierzchni metalu i chroni go przed dalszym utlenieniem i korozją. Istnieje wiele powodów dlaczego technologia z urządzeń serii ImpulsTech jest dobra i warto ją stosować. Wśród nich można wyróżnić:
został zaprojektowany tak, aby instalacja nie musiała być wykonywana przez wyspecjalizowanego hydraulika. Urządzenie to można łatwo zainstalować samodzielnie w czasie 10 – 15 minut. Instalacja nie wymaga żadnych narzędzi i nie ma potrzeby rozcinania rur. Dla optymalnego uzdatniania wody najlepiej jest zainstalować ją w pobliżu wodomierza lub na głównej rurze doprowadzającej wodę. Uzwojenia zespołu impulsowego mogą być umieszczone po lewej lub po prawej stronie albo też pod urządzeniem elektronicznym, zgodnie z instrukcją obsługi.
może być montowany pionowo, poziomo lub też pod innym kątem. Jeśli brakuje miejsca na rurze, można go również zainstalować na ścianie.
pracuje z antenami impulsowymi z miedzi, które są przeznaczone do nawinięcia na rury. Materiał anten wykonany jest z wysokiej jakości stopu co przekłada się na bardzo dobry transfer impulsu.
Każdy zespół impulsów powinien poddawać działaniu obszar co najmniej o długości średnicy poszczególnych rur gdzie urządzenia serii Impuls są zainstalowane. Impuls nie powinien być ani za słaby ani za silny do tego celu służą w większych jednostkach różnego rodzaju nastawy.
W celu zapewnienia właściwego działania Impuls wprowadził na rynek serię urządzeń dla rur od 1/4” do 120”