Stacje zmiękczania wody w kontekście wody przemysłowej

Niewiele zakładów przemysłowych jest w stanie funkcjonować bez zużywania pewnej ilości wody. Potrzebna może być zarówno woda technologiczna, wykorzystywana w związku z prowadzonymi procesami wytwórczymi, jak i techniczna używana na potrzeby instalacji pomocniczych łączących się z utrzymaniem ruchu konkretnego zakładu, np. jego ogrzewaniem. W większości przypadków woda do celów przemysłowych musi być odpowiednio uzdatniona, w tym zmiękczona.

Jaka jest specyfika wody do zastosowań przemysłowych?

-Woda do użytku przemysłowego musi mieć parametry w pełni dostosowane do procesów technologicznych, w których jest wykorzystywana. W zależności od ich rodzaju różnie będą się kształtowały oczekiwania co do składu chemicznego i progów zawartości poszczególnych substancji chemicznych. Nieco inne wymagania dotyczą wody przeznaczonej dla przemysłu spożywczego, gdzie często staje się ona jednym z głównych składników wytwarzanych produktów, np. w przypadku napojów czy dań gotowych, niż w przypadku używania wody jako czynnika pomocniczego, np. do chłodzenia. Mimo rozbieżności w charakterystyce używanej wody w wielu sytuacjach wymaga ona odpowiedniego uzdatniania i korekty składu. Do najczęściej stosowanych metod należy filtracja mechaniczna, która pozwala na pozbywanie się cząsteczek o określonej wielkości uzależnionej od rozmiarów kanalików czy siatki używanych w stosowanym filtrze lub porów w złożu wykorzystywanym do oczyszczania. Bardzo szeroko stosuje się metody sedymentacyjne wiążące się z opadaniem cięższych osadów na dno, ale też takie, które polegają na stosowaniu naświetlania promieniami UV czy wprowadzania do wody ozonu albo jej odparowywanie. Duże możliwości dopasowania wody do konkretnych potrzeb daje stosowanie substancji chemicznych, pozwalające na zwalczanie zanieczyszczeń biologicznych, regulowanie kwasowości i zasadowości wody oraz zmianę jej twardości

– wyjaśnia przedstawiciel firmy Global Concepts 2000, specjalizującej się w systemach uzdatniania wody i preparatach do jej dezynfekcji.

Woda przemysłowa jest wykorzystywana w wielu procesach produkcyjnych, spełniając różne funkcje. Najczęściej używa się jej jako substancji pomocniczej, która pozwala na mycie wykorzystywanych produktów i surowców, a także na oczyszczanie maszyn i urządzeń, zwykle w połączeniu z rozpuszczanymi w wodzie środkami czyszczącymi. Równie często woda jest stosowana w instalacjach zapewniających optymalną temperaturę niezbędną przy poszczególnych etapach produkcji. Zwykle jest to odbieranie nadmiaru ciepła powstającego podczas pracy urządzeń – turbin czy silników, a także cięciu czy obróbce związanej z powstawaniem silnego tarcia. Będzie to konieczne przy podgrzewaniu, suszeniu, spalaniu czy reakcjach chemicznych. Z wody korzysta się w instalacjach chłodniczych – np. w postaci wody lodowej przydatnej przy działaniu klimatyzacji przemysłowej, a także przy schładzaniu materiałów przy obróbce tworzyw sztucznych, metalu czy dużych transformatorów i zasilaczy. Woda przemysłowa używana jest także w instalacjach grzewczych – podczas tradycyjnego ogrzewania budynków i pomieszczeń. Będzie ona również niezbędna jako rozpuszczalnik, ale również składnik dostarczający tlenu i wodoru potrzebnego przy niektórych reakcjach chemicznych.

Wśród parametrów wody przemysłowej, które powinny być ściśle kontrolowane, najczęściej znajdują się m.in. zawartość poszczególnych składników, zwłaszcza żelaza i manganu – istotna np. w przypadku wody używanej w przemyśle spożywczym z uwagi na wpływ na smak produktów, a także obecność gazów, w tym rozpuszczonego dwutlenku węgla. Duże znaczenie ma obecność w wodzie zanieczyszczeń mikrobiologicznych – glonów, pierwotniaków i bakterii, które mogą tworzyć osadzający się na wewnętrznych elementach instalacji trudny do usunięcia biofilm będący często przyczyną skażeń. Liczy się wartość pH wody, a zwłaszcza jej wysoka kwasowość prowadząca często do przyspieszonej korozji poszczególnych elementów – zbiorników, zaworów, rur, pomp czy dysz. Istotnym parametrem ze względu na stan instalacji wodnej i możliwość zakłócania procesów technologicznych jest jej twardość, która przesądza o tendencji do odkładania się kamienia kotłowego. Wysoka twardość jest ważna przy stosowaniu środków czyszczących rozpuszczanych w wodzie, determinując ich zdolność do pienienia się. Wpływa także na cechy mających z nią kontakt produktów i materiałów.

Czym jest twardość wody i dlaczego jej wysoki poziom bywa niepożądany?

Twardość wody jest uzależniona od zawartości w niej soli wapnia, magnezu oraz niektórych innych związków chemicznych. W związku z tym wyróżniamy zarówno tzw. twardość węglanową, związaną z obecnością węglanu wapnia (CaCO₃) oraz węglanu magnezu (MgCO₃), a także wodorotlenku magnezu (Mg(OH)₂), jak również twardość niewęglanową. Wynika ona z tego, że w wodzie znajdują się chlorki, azotany, siarczany oraz krzemiany, a ponadto inne sole wapnia i magnezu.

Poziom twardości wody jest oznaczany za pomocą stężenia węglanu wapnia CaCO₃ – określaną w miligramach na litr. Z wodą o bardzo dużej twardości mamy do czynienia w przypadku, gdy stężenie węglanu wapnia jest większe niż 550 mg/dm³. O wodzie twardej można mówić, gdy zawartość CaCO₃ zawiera się w przedziale od 250 do 550 mg/dm³. Woda średnio twarda to taka, w której stężenie jest na poziomie 200–350 mg/dm³.

Podstawowym problemem związanym z twardością wody jest tendencja do tworzenia się w niej kamienia kotłowego. Powstaje on z osadu składającego się nie tylko z węglanu wapnia (CaCO₃), ale także siarczanów, choćby siarczanu wapnia (CaSO₄), związków krzemu, w tym krzemianu wapnia (CaSiO₃) albo krzemian magnezu (MgSiO₃). Tworzą go również azotany, chlorki i często także tlenki żelaza.

Osadzanie się kamienia kotłowego powoduje wiele problemów związanych z działaniem instalacji wodnych. W przypadku, gdy woda jest wykorzystywana do przekazywania lub odbierania ciepła, kamień osadzający się na elementach wymiennika ciepła działa jak izolator ograniczając sprawność całego procesu. Problemem jest również zatykanie światła rur, co prowadzi do zakłócania przepływu i ma wpływ na poziom możliwego do uzyskania ciśnienia. Osad z kamienia blokuje zawory, zwłaszcza te, które mają konstrukcję kulową oraz znacznie skraca możliwy czas eksploatacji używanych filtrów mechanicznych. Odrywające się kawałki osadu są także powodem uszkodzeń elementów pomp, zmniejszając elastyczność używanych w nich membran i tłoków.

Twarda woda to jednak nie tylko problem kamienia kotłowego, ale również niekorzystny wpływ na prowadzone procesy technologiczne. Nieodpowiednia twardość wody powoduje problemy z działaniem środków myjących, zmniejszając rozpuszczalność detergentów i redukując ich zdolność do pienienia się. Twarda woda oznacza niekorzystny wpływ na wiele materiałów prowadzący do zmiany ich właściwości oraz na przebieg niektórych reakcji. Złe pH oznacza m.in. kłopoty z właściwym uwodnieniem cementu podczas produkcji betonu, wydłuża czas potrzebny do obróbki termicznej produktów żywnościowych czy zmienia barwę płukanych warzyw i owoców.

Jakie są rodzaje stacji do zmiękczania wody i na jakiej zasadzie działają?

Zmiękczanie wody może być prowadzone na różne sposoby. Możliwe jest m.in. strącanie, pozwalające na utworzenie związków nierozpuszczalnych w wodzie, które następnie mogą być odfiltrowane mechanicznie. W tym celu wykorzystuje się np. wodorotlenek sodu (2NaOH) czy wodorotlenek wapnia (Ca(OH)₂). Stosuje się także filtrację membranową – a zwłaszcza odwróconą osmozę, przy której przez pory membrany przechodzą wyłącznie cząsteczki wody oraz rozpuszczone w niej gazy. Największą efektywność, szczególnie przy przygotowywaniu wody do celów technicznych, można zapewnić, korzystając ze specjalnych stacji zmiękczania wody. Wykorzystują one do redukcji twardości wody technicznej i technologicznej metody jonitowe, polegające na wiązaniu określonych jonów i zastępowaniu ich innymi, które nie stanowią zagrożenia dla wymaganych w konkretnym zastosowaniu parametrów.

Filtracja jonitowa polega na przepuszczaniu wody przez złoże, które zawiera żywicę jonowymienną, która zawiera jony sodu Na⁺. Przy kontakcie z wodą, w której znajduje się nadmiar jonów magnezu Mg²⁺ i wapnia Ca²⁺ dochodzi do ich wymiany na jony sodu i związania. Zmiękczanie wody może być kontynuowane aż do wyczerpania się dostępnych jonów sodu. Co jednak ważne, złoże może odzyskać swoje właściwości dzięki regeneracji polegającej na przepłukaniu solanką. W tym procesie związany magnez i wapń jest wypłukiwany, a złoże zostaje wzbogacone o nowy „zapas” jonów sodu.

Stacje zmiękczania wody są oferowane w różnych wersjach, w zależności od potrzeb konkretnego zastosowania. Wśród dostępnych stacji znajdują się urządzenia wyposażone w jedną kolumnę filtrującą. Systemy tego typu nadają się do zastosowań, w których pobór wody może być wstrzymany na czas potrzebny na regenerację złoża. Urządzenia dwukolumnowe dysponują dwoma złożami. Po wyczerpaniu się jednego z nich prowadzona jest jego regeneracja, a stacja automatycznie przełącza się na korzystanie z drugiego. W takim układzie możliwe jest ciągłe dostarczanie wody. Dostępne są również stacje wyposażone w trzy i więcej kolumn. W tym przypadku aktywnie wykorzystywane są dwa lub więcej złóż, a po ich wyczerpaniu dołączane kolejne. Zaletą systemów wielokolumnowych jest możliwość znacznej redukcji utraty ciśnienia.