De zogenaamde limietcarbonaathardheid (Hj) verwijst naar de kritische waarde waarbij CaCO₃ niet neerslaat onder specifieke waterkwaliteitsomstandigheden en temperaturen, waarbij vrij CO₂ afwezig of minimaal is. In koelwatersystemen varieert deze waarde doorgaans van 2 tot 4,5 mg equivalent/l. Door zuur- en aanslagremmers toe te voegen, kan een koelwatersysteem echter hogere carbonaathardheidsniveaus handhaven. Dit artikel legt de relatie uit tussen aanslagremmers voor koelwater en de limietcarbonaathardheid, wat nuttige informatie oplevert voor professionals in de waterbehandeling.
1. Zure Toevoeging en Beperk Carbonaathardheid
Door zuur aan het make-upwater toe te voegen, wordt de carbonaathardheid omgezet in niet-carbonaathardheid met een hogere oplosbaarheid (zoals CaSO₄ en CaCl₂), waardoor de carbonaathardheid van het circulerende water wordt verlaagd tot een niveau onder de limietcarbonaathardheid, waardoor schaalvergroting wordt voorkomen. De chemische reacties zijn als volgt
Ga door met het delen van een methode voor het berekenen van de hoeveelheid toe te voegen zuur op basis van de carbonaathardheid en de limietcarbonaathardheid (Hj), zoals weergegeven in de volgende formule.
In de formule:
G is de toegevoegde hoeveelheid zuur, kg/uur;
E is de molaire massa van het zuur, voor zwavelzuur, E = 49, en voor zoutzuur, E = 36,5;
Qm is het aanvullende watervolume van het circulerende koelwater, m³/h;
a is de concentratie van het zuur;
HB is de carbonaathardheid van het aanvullende water, mmol/L;
H′B is de carbonaathardheid van het aanvullende water na zuurbehandeling, mmol/L.
H′B kan als volgt worden berekend.
In de formule: N is het concentratieveelvoud; Hj is de beperkende carbonaathardheid van het circulerende koelwatersysteem, in mmol/L.
De limietcarbonaathardheid van het circulerende water na toevoeging van zuur, zonder de aanslagremmer, kan worden berekend met de volgende formule
In de formule staat [O] voor het zuurstofverbruik, in mg/L; t staat voor de temperatuur van het circulerende water, in ℃.
Hf′ is de niet-carbonaathardheid na behandeling met zuur toegevoegd aan het aanvullende water, in mmol/L, en kan worden berekend met behulp van de volgende formule:
2. Gebruik van schaalremmers met zuurbehandeling om de carbonaathardheid te beperken
Bij gebruik van zuurbehandeling voor het beperken van de carbonaathardheid in combinatie met aanslagremmers moet het gebruikte type aanslagremmer de juiste Hj-waarde bepalen. Veel voorkomende aanslagremmers zijn polyfosfaten, organische fosfonaten (zouten) en polyacrylzuren.
Polyfosfaat Schaalremmers
Polyfosfaten verwijzen voornamelijk naar natriumpolyfosfaat, veelgebruikte vormen zijn natriumhexametafosfaat (ook bekend als natriumpolymetafosfaat) en natriumtripolyfosfaat. Deze remmers verspreiden en stabiliseren colloïdale deeltjes en hebben sterke chelatiemogelijkheden voor calcium- en magnesiumionen. Natriumpolyfosfaat functioneert niet alleen als aanslagremmer maar heeft ook corrosieremmingseigenschappen. De specifieke eigenschappen variëren afhankelijk van de moleculaire structuur van [NaPO₃] n , waarbij de waarde van n de kenmerken bepaalt. Natriumhexametafosfaat heeft de chemische formule [NaPO₃]₆ONa₂ en is een polymeer van natriummetafosfaat (NaPO₃). Bij gebruik als aanslagremmer kan de beperkende carbonaathardheid Hj van het circulerende water worden geschat met de volgende formule. De typische dosering van natriumhexametafosfaat varieert van 1 tot 5 mg/l, waarbij de bovengrens wordt gebruikt voor water met een hoge carbonaathardheid. Natriumtripolyfosfaat (Na₅P₃O₁₀) heeft een sterk vermogen om calciumionen te cheleren, met een typische dosering van 2 tot 5 mg/l, en Hj = 5 mmol/l.
Het nadeel van polyfosfaten is hun neiging om in water te ontleden in orthofosfaten, een proces dat bekend staat als polyfosfaathydrolyse. De mate van hydrolyse wordt beïnvloed door factoren zoals pH, temperatuur, tijd en microbiële activiteit. Hydrolyse is positief gecorreleerd met de watertemperatuur en contacttijd, hoewel het relatief langzaam plaatsvindt, met typische hydrolysesnelheden tussen 11% en 35%.
Organische fosfonaten en hun zouten
Deze aanslagremmers zijn effectief en zorgen ook voor corrosieremming, waardoor ze remmers voor twee doeleinden zijn. Veel van hun eigenschappen zijn vergelijkbaar met die van polyfosfaten, maar ze zijn stabieler en minder gevoelig voor hydrolyse, zelfs bij hogere temperaturen. Organische fosfonaten kunnen echter corrosief zijn voor koper, dus ze zijn niet geschikt voor gebruik in koperen warmtewisselaarsystemen. Veel voorkomende organische fosfonaten en hun in eigen land gebruikte zouten omvatten hydroxyethylideendifosfonzuur (HEDP), aminotrimethyleenfosfonzuur (ATMP) en ethyleendiaminetetra (methyleenfosfonzuur) (EDTMP). Wanneer ze samen met polyfosfaten worden gebruikt, kunnen deze remmers een synergetisch effect hebben, waardoor de beperkende carbonaathardheid van circulerend water wordt verbeterd en de dosering van elk middel wordt verlaagd. De typische beperkende carbonaathardheid voor deze remmers is als volgt
HEDP: Hj = 8 mmol/l
ATMP: Hj = 9 mmol/l
EDTMP: Hj = 8 mmol/l
Polycarboxylaatpolymeren
Polycarboxylaatpolymeren zijn polymeren die functionele carboxylgroepen (carboxylgroepen) of derivaten van carbonzuren bevatten. Het carboxylaatanion (COO⁻) bepaalt de kenmerken van deze polymeren, waarbij M een eenwaardig kation, waterstof of een aminegroep voorstelt. Nadat het in water is geïntroduceerd, dissocieert de carboxylaatgroep in COO⁻ en M⁺, waarbij de COO⁻ verantwoordelijk is voor remming van de aanslag. Veel voorkomende polycarboxylaatschaalremmers die in eigen land worden gebruikt, zijn onder meer polyacrylzuur, natriumpolyacrylaat, polymethylmethacrylaat, copolymeren van acrylzuur en hydroxypropylacrylaat, copolymeren van acrylzuur en acrylaten, en gehydrolyseerd poly(maleïnezuur) (anhydride). De typische doseringen en overeenkomstige beperkende carbonaathardheidswaarden zijn als volgt
Polyacrylzuur: 1–9 mg/l, Hj = 5,5–10 mmol/l
Natriumpolyacrylaat: 1–8 mg/l, Hj = 5,8–9 mmol/l
Poly(maleïnezuur): 1–5 mg/l, Hj = 5–8,5 mmol/l
Samenvatting
Door de beperkende carbonaathardheid in circulerende koelwatersystemen te regelen, kan aanslagvorming worden voorkomen. Het gebruik van de bovenstaande methoden om de juiste dosering van zuren en aanslagremmers te berekenen, samen met de toegestane beperkende carbonaathardheid van het systeem onder specifieke bedrijfsomstandigheden, helpt schaalproblemen te voorkomen en tegelijkertijd de chemische kosten te verlagen.
