A trinátrium-foszfátos vízlágyítás

Egyes esetekben, mint pl. a nagynyomású gızkazánok üzemeltetésénél a használt víz keménységének nagyon alacsonynak kell lennie, hogy a kazánkı képzıdése elhanyagolhatóvá váljék. Jó hatásfokú lágyítószer a trinátrium-foszfát, ismertebb nevén trisó. A trinátrium-foszfátos vízlágyítást a meszes-szódás kezelés után alkalmazzák, ezzel az eljárással a víz keménysége 0,1 - 0,15 német keménységi fokra csökkenthetı a kálcium- és magnézium foszfátok kis oldhatósága miatt (a meszes – szódás eljáráshoz képest lágyabb vizet eredményez). Hátránya, hogy az Na3PO4

drága, NaHCO3 kerül a vízbe, ami a vizet lúgossá, ill. habzásra hajlamossá teszi.

A trinátrium-foszfát egyaránt reagál a karbonát- és a nemkarbonát-keménységet okozó kalcium- és magnézium-sókkal. A lágyítás során oldhatatlan tercier kalcium- és magnézium-foszfát keletkezik (5-14 – 5-17 reakciók):

Ez az eljárás nem alkalmazható nagy változó keménységgel rendelkezı vizeknél, ugyanis ilyenkor sok nátrium-bikarbonát képzıdik, ami a víz használata közben hıbomlást szenved, nagy mennyiségő széndioxid képzıdik, ami erıs habzást idéz elı.

A lágyításhoz szükséges trisó mennyisége (5-3):

132 ahol ÖK a víz összes keménységét jelenti német keménységi fokban kifejezve.

A csapadékképzıdés a mész-szódás és egyéb csapadékos eljáráshoz hasonlóan magasabb hımérsékleten kedvezıbb.

A csapadékos lágyítási eljárások hatásfoka a képzıdött csapadék oldhatóságától függ. A csapadékos vízlágyítással teljesen keménységmentes vizet nem lehet elıállítani, mert minden csapadék bizonyos mértékig oldódik. A teljes lágyítás csak ioncserével valósítható meg.

5.1.4. Ioncserés vízlágyítás

A vízminıségi elıírások irányértékeit, a víz- és gız-körfolyamat egyes berendezéseinek (kazán, turbina, kondenzátor, tápszivattyú, elımelegítık) védelme szabja meg. Ezek betartásával a kazánkı-lerakódás, ill. a túlhevítı- és turbina-elsózódás veszélye minimálisra csökkenthetı, továbbá a korróziótól mentes üzem általában biztosítható. A 0,1–0,2 NKº-nál lágyabb vizek elıállítására ioncserélıket használnak. Az eljáráshoz a kiinduló pontot annak a jelenségnek a felismerése adta, mely szerint egyes alkáli-alumínium-hidroszilikát ásványokban (zeolitokban) az alkáliföldfém-ionok alkálifém-ionokkal cserélhetık és viszont (18 reakció):

Az egyenletet balról jobbra lejátszatva a szilárd halmazállapotú zeolitban kötött Na-ionok a vízbe vándorolnak, miközben a vízben oldott kationok (pl. Ca-ionok) megkötıdnek a zeoliton. Tehát a vízben oldott kationok Na-ionokra cserélıdnek ki, így a víz kalcium- és magnézium-sói helyett egyenértékő nátrium-só kerül az oldatba a lágyítás után, tehát a víz keménysége gyakorlatilag 0 NKº-ra csökken.

Kezdetben a természetben is elıforduló néhány ásványféleséget használtak fel, majd hasonló összetételő, ioncserére képes anyagokat mesterségesen is állítottak elı és hoztak forgalomba. Az ioncserélı anyagok gyártása és technológiai alkalmazása 1945 után indult rohamos fejlıdésnek.

Azóta az ioncserélıket fıleg szintetikusan elıállított mőanyagokból, megfelelı ioncserélésre képes csoportok kémiai beépítésével készítik. Ezeket a különbözı alapvegyületeket és aktív csoportokat tartalmazó mőanyagokat ioncserélı gyantáknak nevezik, és nemcsak a vízelıkészítésben alkalmazzák. A vízelıkészítésben is használt ioncserélık vázanyaga leggyakrabban sztirolból és divinil-benzolból készített óriásmolekula (kopolimer), amelyre az aktív (csereképes) csoportokat

133 kémiai reakcióval viszik fel. Az ioncsere egyaránt alkalmas lehet pozitív és negatív ionok cseréjére is. A kation cserélık negatív töltéső centrumot, rendszerint szulfo- (R-SO₃^–) vagy karboxil-csoportot (R-COO^–), az anioncserélık pozitív töltéső centrumot, rendszerint amino - csoportokat (R-NR₃⁺, R-NH₃⁺, ahol R alkil-csoportot jelöl) tartalmaznak. Ezekhez a gyantavázhoz kötött, töltéssel rendelkezı fix centrumokhoz kötıdnek különbözı erısséggel a kicserélhetı pozitív- és negatív töltéső ellenionok. A kationcserélı gyantákat leggyakrabban hidrogén- vagy nátrium-ionnal telített formában, az anioncserélı gyantákat pedig hidroxid- vagy klorid-ionos formában alkalmazzák a vízkezelésben. Ha csak a víz lágyítása a cél, a kation-cserélı gyanták nátriumra cserélik a kationokat.

Ioncsere csak akkor jöhet létre, ha mind az aktív csoportoknál elhelyezkedı, mind az oldatban levı ionok disszociált állapotban vannak. Azioncsere nem azonos a fizikai adszorpcióval, a folyamatban ekvivalens mennyiségő pozitív vagy negatív ionok cserélıdnek ki. Nem minden ion cserélhetı egyformán könnyen, a kicserélıdés mértéke a koncentrációval növekszik.

Ioncserés vízlágyítás folyamata:

A vízlágyító tartályában található gyanta töltet felületére tapadt nátrium-ionok az átáramló vízben lévı, keménységet okozó kálcium- és magnézium-ionokkal helyet cserélnek, vagyis a víz a Ca- és Mg-ionok helyett a vízkeménység szempontjából közömbös Na-ionokkal dúsítva távozik a készülékbıl. Ez a folyamat addig folytatódik, amíg a gyanta felülete teljesen telített lesz Ca- és Mg- sókkal, ekkor a gyanta lemerül, a gyanta regenerálására van szükség. Regeneráláskor a készülék, a tartályban lévı sóoldattal lemossa a gyantát, ezáltal a megkötött Ca- és Mg- ionokat leüríti a szennyvíz lefolyóba, a felület pedig újra Na-ionokkal lesz telítve. A regenerálást a készülék automatikusan elvégzi. Ez idı alatt a készülék vizet nem lágyít, ezért célszerő ezt éjszakára ütemezni. A folyamat végén a berendezés újra képes lágyítani a vizet. A regenerálási periódus függ a vízfogyasztástól és víz keménységétıl. Ez az érték helyes készülék választás esetén 3-8 nap között van.

A lágyító-berendezések felépítése a kavicsszőrıkhöz hasonló. Hengeres, álló tartályok tartalmazzák a 0,3–1,2 mm szemcsenagyságú ioncserélı töltetet, melyet valamilyen vízelosztó rendszerre terített alapréteg tart. A jó hatásfokú lágyításhoz elengedhetetlenül szükséges, hogy a víz elég hosszú ideig érintkezzék az ioncserélıvel, ami megszabja adott áramlási sebesség mellett az oszlop minimális magasságát. A lágyítandó vizet felülrıl vezetik az ioncserélı oszlopra, gondoskodva az egyenletes eloszlásról. Az ioncserélıre csak elızetesen tisztára szőrt,

lebegıanyag-134 mentes vizet szabad rávinni, mert a finom eloszlású lebegı szennyezés az ioncserélı kapacitását nagymértékben és rohamosan lerontja.

A víz teljes sótalanítása ioncserés vízlágyítással:

Az ioncsere folyamata alkalmas a víz teljes sómentesítésére is. A kationcserélı mőgyanták, ha hidrogén formában vannak, a vízben lévı összes kationt megkötik, és helyettük egyenértékő hidrogén-iont bocsátanak a vízbe. Ilyenkor a vízben lévő sók anionjaiból a megfelelő savak képződnek. Ha a második lépésben anioncserélő műgyantával a vízben jelenlévő anionokat a gyantához kötődő hidroxil-ionokra cseréljük, a vízben eredetileg jelen volt összes sómennyiséggel egyenértékű hidroxil-iont juttatunk a vízbe. Ezt a kombinált eljárást nevezik ionmentesítésnek vagy teljes sómentesítésnek. Az ioncsere során lejátszódó folyamatok az alábbiak (5-19 – 5-32 reakciók):

Kation-csere:

Anion-csere:

135 A teljes sótalanítással megfelelő üzemmenet mellett oldott anyagokat gyakorlatilag nem tartalmazó víz állítható elő, ami a legszigorúbb követelményeket is kielégíti. Ebben az esetben a kation-cserélő oszlop regenerálásához erős savra (HCl, H2SO4, HNO3), míg az anion-cserélő oszlopok regenerálásához erős bázisra (NaOH) van szükség.

Mind a nátrium-, mind a hidrogén- és a hidroxil-cserélő gyanták csak addig tudják feladatukat ellátni, amíg bennük a kicserélhető ionok megfelelő számban vannak jelen, vagyis még nem merültek ki. Azt a (mol/l-ben kifejezett) ionmennyiséget, amely a gyanta (nagy felesleggel végzett) regenerálása után teljes telítődésig megkötődik, illetve kicserélődik, az ioncserélő teljes (elméleti) kapacitásának nevezik. A gyakorlatban az ioncserélő hasznos kapacitásával szoktak számolni, mely megadja azt az ionmennyiséget, amit egy liter ioncserélő anyag megkötni képes a lecserélni kívánt ionoknak az oszlopról elfolyó oldatban történő megjelenéséig, azaz az áttöréséig. Az ioncserélő gyanta mennyiségét literben szokás megadni. A gyantát ugyanis óvni kell a kiszáradástól, ezért nedves állapotban, vagy víz alatt hozzák forgalomba. Tömege tehát nem mérhető. Az ionmennyiséget vagy a száraz gyanta egységnyi tömegére, vagy inkább a duzzadt, nedves gyanta egységnyi térfogatára vonatkoztatva adják meg.

A teljes sótalanító berendezés abban különbözik az ioncserés vízlágyító berendezéstől, hogy a tartályok, csővezetékek, armatúrák, adagolóberendezések és szivattyúk sav- ill. lúgállóak. Egyrészt ugyanis a kationcserélő gyantát savval, az anioncserélőt lúggal kell regenerálni, másrészt a víz a kationcserélő után savas lesz, és csak az anioncserélő után válik semlegessé. A tartályokat, csöveket keménygumi-, vagy

136 műanyag bevonattal látják el, gumimembrános tolózárakat, kemény PVC armatúrákat, műanyag vagy kerámia szivattyúkat, adagoló-berendezéseket használnak. A kation- és anioncserélő oszlopokat sorba (blokk-kapcsolás), vagy párhuzamosan (körkapcsolás) kapcsolják. A szükséges vízmennyiségtől függően egy lépcsőben (1 kation + 1 anion) vagy több lépcsőben váltakozva több kation- és több anioncserélő oszlopon viszik keresztül a vizet. A kevert ágyas ioncserélőkben, amelyeket utolsó fokként alkalmazhatnak, az anion és kationcserélő gyanta egy oszlopban van összekeverve, tehát az ilyen oszlop végtelen sok igen kis egység sorozatának tekinthető. A kation-cserélő és az anion-cserélő oszlop közé hideg gáztalanítót szoktak beállítani a kation-cserélőben keletkezett H2CO3 megbontása, ill. a felszabaduló CO2 eltávolítása céljából. Ezzel az anioncserélőt nagymértékben tehermentesítik. Az ioncserés vízlágyítással történő teljes sótalanítás folyamatát az 5.2. ábra mutatja be.

5.2. ábra: A víz teljes sótalanítása ioncserével

137 5.1.5. A keménységet okozó sók kiválásának megakadályozása vegyszerekkel, ill. a víz

mágneses kezelésével

A csapadék kiválás vegyszeres úton történő megakadályozására poli-foszfátokat, ill. nátrium-metafoszfátot adagolnak a vízhez, amelyek a Ca²⁺- és Mg²⁺-kationokkal a vízben tökéletesen oldódó komplex vegyületet adnak (5-33 reakció):

Ugyanígy reagálnak a Mg²⁺-ionok is.

A vízlágyítás megvalósítására -kisnyomású, kis teljesítményű kazánoknál, de főképpen a mélységbeli kemény vizek csővezetékei „vízkövesedésének” megakadályozására- hatásos fizikai módszer a víz mágneses kezelése. Ha a vizet erős mágneses mezőn vezetjük keresztül, akkor a nagy dipólus-momentumú vízmolekulák nagyfokú polarizálódásuk következtében a CaCO3 kristályosodását megzavarják, lerakódott vízkő nem képződik.