Fizyczne procesy uzdatniania wody jako środek zapobiegawczy procesom powstawania kamienia w wodzie

Używanie polimerów w procesach uzdatniania wody nie jest oczywiście ani nowe ani unikalne, jednakże zastosowane w tej technologii medium (środek do usuwania kamienia) jest inne. W technologii tej nie jest konieczny proces regeneracji. Tym samym nie jest wymagane używanie soli ani innych chemikaliów.

Problem powstawania kamienia kotłowego jest jednym z poważniejszych problemów występujących w instalacjach wody grzewczej i chłodniczej. Istnieją alternatywne metody zmiękczania wody. Przykładem mogą być najnowsze systemy PWT. Wykorzystują one proces krystalizacji, dobrze znane zjawisko fizyczne. Nowe produkty wykorzystują specjalne obrabiane łańcuchy polimerowe w konwencjonalnym zbiorniku mineralnym. W przeciwieństwie do innych alternatywnych technologii uzdatniania wody, te nowe medium uzyskało wynik 99,6% wydajności dla testu DVGW W512.
Używanie polimerów w procesach uzdatniania wody nie jest oczywiście ani nowe ani unikalne, jednakże zastosowane w tej technologii medium (środek do usuwania kamienia) jest inne. W technologii tej nie jest konieczny proces regeneracji. Tym samym nie jest wymagane używanie soli ani innych chemikaliów.
Krystalizacja
Proces krystalizacji składa się z dwóch głównych etapów, nukleacji oraz wzrostu kryształów.
Nukleacja to etap, w którym rozpuszczone molekuły rozproszone w rozpuszczalniku zaczynają skupiać się i tworzą klastry w skali nanometrycznej (podnosząc stężenie substancji rozproszonej w małym regionie) i stają się trwałe w zadanych warunkach. Tak ustabilizowane klastry zaczynają tworzyć zarodki. Jednakże, gdy klastry są niestabilne, mogą ulec ponownemu rozpuszczeniu. Dlatego klastry muszą osiągnąć rozmiar krytyczny, w celu utworzenia stabilnego zarodka krystalizacji. Taki rozmiar krytyczny zależy od warunków, w których ma miejsce proces (temperatura, stopień nasycenia, nieregularności, itp.). Jest to etap, na którym atomy zaczynają ustawiać w powtarzający się periodycznie sposób, definiujący strukturę kryształu, specyficzny termin odnoszący się tylko do wewnętrznego sposobu rozmieszczenia atomów, a nie do fizycznego zewnętrznego makroskopowych własności kryształu, jego kształtu lub rozmiaru.

Rys. 1. Formowanie kryształu
Proces wzrostu kryształów jest następstwem wzrostu zarodków, które osiągnęły rozmiar krytyczny klastrów. W następnych fazach, procesy nukleacji oraz wzrostu kryształów występują równocześnie, gdy ma miejsce tzw. Przesycenie roztworu, czyli nadmierne nasycenie roztworu. Przesycenie stanowi siłę napędową krystalizacji, stąd prędkość nukleacji oraz wzrostu kryształów jest napędzana istnieniem przesycenia w roztworze. W zależności od panujących warunków, zarówno proces nukleacji lub proces wzrostu kryształów może dominować nad drugim procesem i w wyniku tego mogą powstawać kryształy o różnych kształtach oraz rozmiarach. Kontrola rozmiaru oraz kształtu kryształu stanowi obecnie główne wyzwanie w przemyśle, między innymi w przemyśle farmaceutycznym.
Wracając do PWT, odbite łańcuchy polimerowe, działające jako miejsca powstawania procesu krystalizacji wapnia oraz magnezu, przekształcają te twarde minerały ze stanu rozpuszczonego w stan nie-rozpuszczony, znajdujący się w formie mikroskopowych kryształków. Tego rodzaju zmiana stanów fizycznych odbywa się bardzo szybko: używając metody do pomiaru wymiany jonów, można ją określić jako 136 l/min na 10 litrów roztworu.

Rys. 2. Oderwanie kryształu
Proces TAC
Piłka puszczona po równi pochyłej (po jej uprzednim pchnięciu) toczy się w dół, w poszukiwaniu stanu o niższej energii. Tworzenie kryształów w roztworze jest wynikiem tej samej tendencji, poszukiwania stanów energetycznych o mniejszej energii; rolę pchnięcia spełnia proces nukleacji, gdzie klastry atomów oraz molekuł (na przykład węglany wapnia) zaczynają się organizować w struktury w samym roztworze lub na niektórych powierzchniach. Warunki panujące w roztworze: stężenie, temperatura, etc. a także charakter powierzchni, określają prawdopodobieństwo i tempo zjawiska.
Jeśli proces zostanie zainicjowany poza stanem krytycznym, będzie zawierać inne rozpuszczone kationy (Ca+2, Mg+2) oraz aniony (CO3-2, SO4-2) w roztworze, w celu grupowania się razem i formowania zorganizowanej, nierozpuszczalnej struktury krystalicznej.
Takie kryształy będą ulegać dalszemu procesowi formowania do momentu, gdy zostanie osiągnięta następna równowaga. Logicznym wydaje się następne usunięcie takich kryształów. Jednakże okazało się, że ich obecność utrzymuje proces, dostarczając tym samym ciągłej ochrony przed powstawaniem kamienia.
W technologii TAC, warunki nukleacji są utrzymywane w taki sposób, aby zapewnić super szybki proces krystalizacji. Gdy twarda woda wchodzi w kontakt z tym medium, lawina mikroskopowych kryształków twardości natychmiast formuje się na powierzchni zarodków, a następnie jest przerywana, umożliwiając tworzenie dodatkowych procesów krystalizacji w przepływającej wodzie. Istnieje również drugi proces (nukleacja jednorodna), który uzupełnia cały proces uzdatniania wody. Uwolnione mikroskopowe kryształki wolno pływające w roztworze działają jako ośrodki nowych procesów nukleacji i indukują dodatkowo rozpuszczone ośrodki twardości do formowania kryształów w roztworze.
Taka krystalizacja twardych minerałów oznacza, ze są one niedostępne dla procesu nukleacji na powierzchni lub w innych obiektach, na których może osadzać się kamień nawet, jeśli warunki istniejące w roztworze są korzystne dla wzrostu kamienia. Mówiąc inaczej, wybierają one niższe stany energetyczne oferowane przez metodę TAC.
Jednym z interesujących i równocześnie fundamentalnych korzyści, jakie niesie proces TAC, jest uwalnianie dwutlenku węgla do roztworu.

Ca+2 + 2HCO3- + obszar nuleacji >>> CaCO3 + H20 + CO2

Następnie, CO2 reaguje z wodą tworząc kwas węglowy, H2CO3, co przyczynia się do obniżenia wartości pH wody.

CO2 + H2O >>> H2CO3 >>> HCO3- + H+

Korzyść polega na tym, że równowaga chemiczna wody zmienia się do stanu, który nieznacznie faworyzuje rozpuszczanie istniejącego kamienia. Zasięg tego procesu zależy od wszystkich własności chemicznych wody, W większości przepadków, przeprowadzono monitorowanie oraz obserwacje, powierzchnie pokryte kamieniem utraciły swoje osady.

Rys. 3. Fotografia kryształu wykonana
za pomocą elektroskopu atomowego
Proces produkcyjny
Określona mieszanina różnych żywic polimerowych jest poddawana serii procesów chemicznych, które chemicy określają mianem ‘reaktora chemicznego’: kompletnie zamknięty zbiornik wykonany ze stali nierdzewnej, w którym warunki fizyczne takie jak temperatura, ciśnienie, wartość pH, wzburzenie, etc. są regulowane w sposób precyzyjny, podczas gdy chemiczne reagenty są wprowadzane w zaprogramowanej wcześniej kolejności.
Po zakończeniu procesu, medium jest gotowe do działania. Produkt końcowy jest bardzo czysty pod względem chemicznym i ostatnio przeszedł testy toksykologiczne NSF 42.

Instalacja
Z pozoru wygląda bardzo tradycjonalnie. Instalacja rozpoczyna się od włożenia do wnętrza zbiorników medium odpowiedzialnego za proces. Nie ma potrzeby instalacji zaworu kontrolnego ani zbiornika solanki. Podstawową konfigurację stanowi zbiornik wyposażony w specjalną głowicę dla mniejszych modeli (do 114 l/min). Większe systemy są konfigurowane i wyposażone w dolne oraz górne systemy połączeń.
Największą różnicę odnośnie medium TAP stanowi przepływ w kierunku pionowym. Medium pracuje najlepiej, gdy woda przepływa przez nie, utrzymując je w stanie ciekłym. Maksymalizuje to interakcje pomiędzy jonami odpowiadającym i za twardość wody, równocześnie wspomagając transport mikroskopijnych kryształków z powierzchni medium do przepływającej przez system wody.
Głębokość medium wynosi zwykle mniej niż sześć cali, tym samym systemy TAC są bardzo lekkie i łatwe w transporcie.
Zasada ogólna jest taka, że jeden litr medium jest w stanie uzdatnić do 16 l/min. W przypadku systemów przemysłowych, ten efekt jest nawet większy. Zbiornik o rozmiarach 16 x 65 ft może z łatwością uzdatnić przepływ o prędkości do 284 l/min.

Rys. 4. System TAC

Zastosowania praktyczne
• Budynki rezydencyjne: usuwanie/ochrona przed kamieniem na poziomach twardości do 60 grains.
• Branża spożywcza: maszyny do wytwarzania pary, piece kombi, urządzenia do parzenia kawy, grzejniki.
• Budynki komercyjne, hotele, obiekty sportowe: zapewniają przepływ wody wolnej od kamienia przez bojlery, armaturę wodną.
• Myjnie samochodowe: uzdatnianie wody używanej do mycia oraz uzdatnianie wstępne za pomocą osmozy odwrotnej.
• Nawadnianie: kontrola kamienia w głowicach nawadniających.
• Nawilżanie oraz procesy parowania: ochrona powierzchni przekazujących ciepło, ułatwiają konserwację.
• Uzdatnianie wstępne za pomocą metody osmozy odwrotnej (RO): uzyskują 50 procent + i dobrze spisują się dla wody o dużym stopniu twardości.
Na podstawie artykułu: Karen R. Smith
Informacje o technologii
Technologia TAC jest dostępna na rynku.
Najlepszym przykładem jest technologia ScaleStop™ opracowana przez Next™
Watersystem Sp. z o.o.
ul. Trakt Brzeski 167, Zakręt
05-077 Wesoła
tel. 022 773 23 80, fax.022 773 23 80
email watersystem@watresystem.pl
strona internetowa: www.watersystem.pl
(Artykuł sponsorowany)