Индекс насыщения Ланжелье в процессах водоподготовки
Индекс насыщения Ланжелье (LSI – Langelier Saturation Index, далее по тексту – ИЛ) - это разница между текущим водородным показателем воды (рН) и показателем рН, при котором происходит выделение из воды твердой фазы карбоната кальция, который обозначается как pHs от рН saturation – рН насыщения. Небольшие отложения карбоната кальция (CaCO3) в трубопроводах и на любых других поверхностях ингибируют коррозию металлов и бетонов. Таким образом:
При сильно отрицательном индексе Ланжелье, которым считается индекс менее минус двух единиц рН (ИЛ ≤ -2,0), равновесие смещено в сторону растворимого гидрокарбоната кальция и вода высоко коррозионноактивна (иногда встречается описание этого состояния как «в воде много свободной угольной кислоты»). Напротив, при сильно положительном индексе – индексе больше плюс двух единиц рН (ИЛ ≥ 2,0), коррозия ингибирована, но зато происходит чрезмерное отложение из воды карбоната кальция – карбонатной накипи. Нейтральный или немного положительный индекс Ланжелье (-0,3 < ИЛ ≤ 0,5) ингибирует коррозию и не вызывает существенного накипеобразования.
Значение pHs вытекает из произведения растворимости карбоната кальция:
ПР = [Ca+2]*[CO3-2]
Свойства произведения растворимости:
1.1. Произведения растворимости любого вещества в конкретном растворителе и при конкретной температуре есть величина постоянная. Следовательно, если концентрацию ионов кальция уменьшить в N-раз (в 100 раз, например), а концентрацию карбонат-ионов наоборот увеличить в N-раз (тоже в 100 раз) или наоборот, то ситуация с отложением/растворением не изменится, поскольку ПР является константой.
1.2. Если произведение концентраций карбонат-ионов и ионов кальция в конкретной воде больше ПР, то выпадает твердый карбонат кальция (накипь), если меньше – то накипь не выпадает, а выпавшая ранее накипь медленно растворяется.
Произведение растворимости зависит от следующих параметров:
2.1. Концентрации входящих в равновесие ионов в свободном чистом виде (т.е. это не валовое содержание всех ионных форм, что важно, а именно ионов, указанных в ПР). В данном случае от концентрации в воде ионов кальция и концентрации в воде карбонат-ионов.
2.2. Температуры.
2.3. Коэффициента активности ионов.
Малые величины в химии зачастую выражают через отрицательный десятичный логарифм, поэтому используется отрицательный десятичный логарифм произведения растворимости (по аналогии с рН, который является отрицательным десятичным логарифмом концентрации ионов водорода в воде – Н+):
рПР = -lgПР
Произведение растворимости карбоната кальция и, как следствие, индекс Ланжелье зависят от:
3.1. Валовой концентрации карбонат-ионов, которая выражается через щелочность воды (точнее щелочность воды отражает содержание в воде гидрокарбонат-ионов – т.е. ионов НCO3- а не ионов CO3-2, которые уже связаны между собой жестким равновесием – «степенью диссоциации угольной кислоты по второй ступени»).
3.2. Концентрации свободных карбонат-ионов, которая зависит от рН (поскольку эти ионы гидролизуются, а гидролиз зависит от рН через константу диссоциации).
3.3. Концентрации ионов кальция, выраженной через кальциевую жесткость воды.
3.4. Коэффициента активности ионов, который зависит от солесодержания воды (может быть выражен и через электропроводность).
3.5. ПР карбоната кальция зависит от температуры. С ростом температуры растворимость карбоната кальция не растет, как чаще всего бывает у других солей, а падает. Таким образом, с падением температуры индекс Ланжелье падает, а коррозионная активность соответственно растёт.
3.6. Концентрация в воде свободных ионов кальция зависит от наличия в воде веществ-комплексообразователей. Таким образом, введение в воду Трилона-Б (ЭДТА-Na), лимонной кислоты или любого другого антискаланта приводит к растворению накипи именно за счет снижения содержания в воде свободных ионов кальция (кальций комплексуется вводимыми веществами, соответственно свободного кальция становится меньше). Для питьевой водоподготовки это не важно, а при производстве горячей воды, оборотных холодильных циклов и ряда других процессов данный фактор существенен.
Для упрощения расчетов индекса Ланжелье в технических целях, рН насыщения (pHs) рассчитывают следующим образом:
pHs = 9,3 - Щелочность - Жесткость + Температурная поправка + Поправка на солесодержание
В этой формуле учтены все компоненты упомянутые выше в пунктах 3.1-3.5, кроме пункта 3.2, поскольку речь идёт не о самом индексе Ланжелье, а о водородном показателе насыщения – pHs.
Технологически реально повлиять только на параметры, указанные в пунктах 3.1, 3.2 и 3.3. Для этого есть несколько возможностей:
I. При введении кальцинированной соды мы увеличиваем параметры 3.1 и 3.2, но, поскольку мы ограничены в увеличении параметра 3.2, мы вынуждены дополнительно вводить кальций в виде хлористого кальция для увеличения параметра 3.3.
II. При введении тонкомолотого мела или доломита (карбоната кальция) мы увеличиваем все три параметра 3.1 - 3.3. Проблема заключается в низкой растворимости карбоната кальция и связанного с этим очень медленного его растворения до точки насыщения. Частично проблема решается фильтрацией воды через карбонатные загрузки, но в этом случае мы не можем активно воздействовать ни на рН, ни на концентрации ионов по пп. 3.1 и 3.3. То есть при фильтрации через карбонатные загрузки процесс стабилизации воды идет, но он практически не управляем.
III. При введении извести в виде известкового молочка (гидроксида кальция) мы увеличиваем параметры 3.2 и 3.3. Поскольку рН очень сильно поднять нельзя, максимум до 8,5 ед., то увеличение параметра 3.2 ограничено, и поэтому необходимо увеличивать также параметр 3.1 – содержание карбонат-ионов. Для этого необходимо насыщать воду углекислым газом: например, обрабатывать воду сухим льдом, как это делают в Финляндии, или пропускать через воду продукты сжигания топлива, как это бывало раньше (этот вариант приемлем только при наличии газовой котельной с качественной газоочисткой). Известь, в отличие от мела, рассмотренного в предыдущем варианте, обладает достаточно высокой растворимостью – 1 г/дм3. Это немного, но позволяет готовить известковую суспензию (известковое молочко), которая уже полностью растворяется при введении в обрабатываемую воду, в отличие от мела или доломита.
Как видим, количество вариантов стабилизационной обработки воды ограничено. Можно дать следующие рекомендации:
• Если проводить стабилизацию растворами кальцинированной соды и хлористого кальция, строгого соотношения сода/хлорид кальция не существует. Оно может меняться и ограничивается только верхней границей рН допустимого СанПиН и органолептическими качествами воды (сода при определенных концентрациях чувствуется на вкус).
• При снижении температуры воды вносимые дозы реагентов для стабилизации должны увеличиваться.
• Кальцинированную соду обычно можно вносить максимально под нормативный предел водородного показателя – до 8,5 ед. рН, после чего подводить индекс Ланжелье хлористым кальцием 0,0-0,5 ед., учитывая описанное ниже снижение рН в РЧВ и распределительной сети.
• В силу буферных свойств воды, а также буферных и ионообменных свойств материалов очистных сооружений, происходит некоторое снижение изначально задаваемого рН. Например, при внесении соды в расчёте получить рН = 8,5 ед., фактически в смесителе может быть получен рН = 8,1 ед, а на выходе из РЧВ рН может быть еще ниже, например, рН = 7,7 ед. Это необходимо учитывать при экономическом планировании.
ООО "НПО "Завод химических реагентов" производит водные растворы соды кальцинированной и кальция хлористого, с физико-химическими характеристиками и описанием товаров можно ознакомиться в разделе "Продукция". Также вы можете получить дополнительную консультацию по применению нашей продукции по телефону +7 (4852) 67-44-80, 67-44-81, 67-44-82.
