تصفیه فیزیکی آب برای برجهای خنک کننده

تصفیه فیزیکی آب برای برجهای خنک کننده

(قسمت اول)

تشکیل جرم (کربنات کلسیم و رسوب آهک) توسط انسان زمانیکه آب داغ  را در پخت و پز مورد استفاده قرار میداد مشاهده شد. در طبیعت نمونه های بسیاری از تشکیل رسوبات را میتوان دید مانند طاقدیس و ناودیس همچنین  رسوبات طبیعی را میتوان در لوله ها و مبدلهای حرارتی مشاهده نمود. خرابی ابگرم کنها ، مبدل های حرارتی، برجهای خنک کننده و چیلرها و کاهش بهره وری انها ،همه به خاطر تشکیل رسوبات است. خصوصا (در درجه اول CaCO₃).

سال ها است که فن آوری های مورد استفاده در بسیاری از سیستم های تصفیه فیزیکی آب شناخته شده اند. این سیستم ها از انواع تکنیک های کنترل رسوب و ( برای دیگر مواد معدنی درگیر و با  تمرکز بر روی CaCO₃،) بدون نیاز به مواد افزودنی شیمیایی استفاده میکنند. در برخی از موارد، میدانهای الکتریکی یا از میدان های القایی و برخی  خواص فیزیکی استفاده می شود.

فرآیندهای طبیعی که واکنش های فیزیک شیمی را ایجاد میکنند، شناخته شده اند، بعنوان مثال، اجاق های مایکروویو که با تابش الکترومغناطیسی (با فرکانس 2.5GHz) غذا را طبخ میکنند (فرایندی شیمیایی)است. گیاهان از انرژی الکترومغناطیسی (نور خورشید) که فتوسنتز نامیده می شود، استفاده میکنند که از نوع واکنش های شیمیایی هستند. انسانها بمنظور افزایش سرعت واکنش های شیمیایییا انحلال یک ماده در یک مایع از انرژی مکانیکی استفاده میکنند (هم زدن).

 هدف این مقاله بررسی برخی از نوع اساسی سیستم های تصفیه فیزیکی آب برای برجهای خنک کننده است. مکانیسم برای این تصفیه فیزیکی آب براساس اصول فیزیک شیمی است. اکنون میخواهیم بطور خلاصه بوسیله نتایج مطالعات علمی بدست امده درمورد انها بحث کنیم. مکانیزم های موجود تصفیه فیزیکی آب با اطلاعات میدانی تایید می شوند. بررسی خود را با مرور مختصری برخی اصول اساسی در پشت سر پدیده تصفیه فیزیکی آب شروع خواهیم کرد. این اصول اساسی پایه های شیمی هستند، بطوری که اگر کسی بخواهد می تواند آنها را با جزئیات بیشتر مورد بررسی قرار دهد.

 کمی شیمی بدانیم

تنها الکترونهای ظرفیت (الکترونهای بیرونی) از یک عنصر در واکنش های شیمیایی (پیوند شیمیایی) دخالت دارند. پیوندهای اتمی، الکترون از دست میدهند یا بدست می اورند یا به اشتراک میگذارند تا لایه بیرونی خود را پر کنند. همانطور که میدانید، هشت لایه الکترونی وجود دارد (قاعده هشتایی). الکترونها می توانند اضافه شوند(ایجاد یک یون منفی) و یا حذف شوند (ایجاد یک یون مثبت) که نتیجه ای از جاذبه الکترواستاتیک بین دو یون تشکیل دهند با پیوند یونی است (یک نوع پیوند شیمیایی). پیوند یونی پیوند شیمیایی اصلی دراین مقاله این است.

پیوند یونی بین اتم هایی که  تمایل زیادی برای از دست دادن یا به دست آوردن الکترون های ظرفیتی خود را دارند، تشکیل میشوند (به طور معمول بین فلزات و گازهای نجیب به عنوان مثال، سدیم، پتاسیم، کلسیم و منیزیم [از دست دادن الکترون[  کلرClواکسیژن O ]با دست آوردن الکترون[). این پیوند ناشی از جاذبه بین یون های مثبت و منفی است . از این مفهوم است در توضیح تصفیه فیزیکی آب استفاده خواهد شد.

توجه داشته باشید الکترون های خارجی (ظرفیتی) اتمها می توانند با مقدار نسبتا کمی از انرژی، اضافه یا حذف شوند و به شکل یونهای مثبت یا منفی در ایند (ذرات باردار شده / یون). حذف و یا اضافه کردن الکترونهای زیر لایه ظرفیت (زیر الکترون والانس) نیاز به انرژی قابل توجهی دارد که نتیجه آن ناپایداری یون است، همچنین دوره عمر کوتاه دارند و در واکنش های شیمیایی شرکت نمیکنند.

آب "حلال جهانی" است زیرا مولکول آب دو قطبی است با یک انتهای مثبت و یک انتهای منفی. این چیدمان اتمی آب تمایل شدیدی به نظم گیری در میدان الکتریکیدارد به نحوی که انتهای منفی خود را به سمت میدان مثبت و انتهای  مثبت مولکولآب به طرف جهت منفی میدان قرار میگیرد. با نظم گیری مولکولهای اب به این روش،مولکول های آب تمایل به خنثی کردن میدان الکتریکی دارند.  واقع به زبان فنی، میگویند که گشتاور دو قطبی بزرگ آب سبب شده تا ثابت دی الکتریک غیر طبیعیزیادی از مرتبه 80 داشته باشد. بعبارت دیگر، دو نوع ذرات باردار الکتریکی یکی دیگر را با 80/1 قدرت در خلاء جذب و یا دفع میکنند. ماهیت دو قطبی  آب توانایی قابل توجهی به ان میدهد بصورتیکه میتواند مواد را در خود حل کند. به ویژه که انها یی کهبا هم پیوند یونی ایجاد میکنند.

همانطور که یونهای مثبت و منفی، در محلول حرکت میکنند آنها توسط مولکول های آب احاطه میشوند، فرآیندی به نام هیدراتاسیون رخ میدهد و در نتیجه محلول یونیزه شده تشکیل می شود. در آب جاذبه بین یون های بار دار مخالف  کسری از آنچه است که باید در هوا رخ دهد، یک نتیجه مستقیم از محاصره شد توسط مولکولهای آب و تشکیل لایه هیدراته و قدرت بالای دی الکتریک آب است. لازم به تاکید است که این موارد درتصفیه مغناطیسی اب  می تواند تاثیر پایدار در محلولهای آبی غیر خالص داشته باشد.

تمرکز اصلی این مقاله بر کنترل تشکیل جرم در سیستم های تبادل حرارت است. بطور معمول، جرم موجود در این سیستم ها کربنات کلسیم و به میزان کربنات منیزیم کمتر است.

 آب باران پاک خاصیت ضعیف اسیدی دارد(PH = 5.6)، زیرا حاوی CO₂ حل شده است که از طریق هوا جذب می شود:

(CO₂ + 2H₂O ¬®H₃O⁺ + HCO₃^-                 (Eq. 1

هنگامی که آب حاوی یون کلسیمCa²⁺ است، این واکنش بخصوص بصورت بی کربنات کلسیم، CaHCO³⁺ اهمیت دارد، اما کربنات کلسیم، CaCO₃ در آب خالص کم محلول است و غلظت ان 7.1ppm است. هنگامی که آب گرم می شود دی اکسید کربن و یا CO₂ می تواند از طریق تبخیر فرارکند و اتفاقات  زیر می افتد:

Ca⁺⁺ + 2HCO₃^- ® CaCO₃ + CO_{2 (gas)} + H₂O             (Eq. 2)

واکنش های رسوب (CaCO₃) و تجزیه پیچیده هستند و توسط چو نشان داده شده است [1]. یون های بی کربنات محلول در یون های هیدروکسید و دی اکسید کربن (محلول آبی) است که در زیر نشان داده شده است:

HCO₃^-¬® OH^- + CO₂ {may be surface activated, [1]}          (Eq. 3)

فرار CO₂  سبب افزایش غلظت یون هیدروکسید،  OH^-و در نتیجه افزایش PH(اصلی) میشود. در برجهای خنک کننده به طور معمول pH افزایش می یابد زیر آب گرم شد و پحش میگردد و از میان هوا عبور میکند  و تبخیر زیاد میشود، یعنی گازCO₂ منتشر می شود. مراحله  بعدی واکنش شیمیایی عبارتست [1]:

OH^- + HCO₃^- ¬® CO₃^2-+ H₂O (Eq. 4)

  گام نهایی برای یونهای کربنات، CO₃^2-، واکنش با یونهای کلسیم و نتیجه رسوب و تبلور کربنات کلسیم است.

Ca²⁺ + CO₃^2- ®CaCO₃                              (Eq. 5)

 به طور خلاصه، کربنات کلسیم (جرم) در محلول اسیدی حل می شود.

(basic) CaCO₃ + H₂CO₃ ↔ Ca²⁺ + 2HCO^-₃ (acidic)       (Eq. 6)

 هنگامی که دی اکسید کربن، CO₂ در (آب) محلول  است، اسید کربنیک تشکیل میشود تا کمک به انحلال واکنش های 1 و 6  کند.

برخی آبهای طبیعی (با PH کم در اثر باران اسیدی) حاوی کربنات کلسیم بیشتر از300ppm و یا معادل آن هستند. یون های دیگر موجود در سیستم و شرایط دیگراضافه میشود به انچه ذکر شد. برخلاف آزمایشگاه مشکلات در دنیای واقعی بسیار پیچیده هستند. با این حال، آزمایشگاه ما اجازه می دهد متغیرها را کنترل کرده و مکانیسم ها تدوین شده و مشاهدات توضیح داده میشوند.

واکنش نشان داد در معادله 4 غلظت یونهای کربنات را افزایش می دهد، باعث میشود کربنات کلسیم جامدگردد. همانطور که در معادله 5 ملاحظه میگردد از آنجا که سطح یک مبدل حرارتی بالاترین درجه حرارت در یک سیستم جریان برج خنک کننده را دارد، واکنش های بالا می تواند در درجه اول از سطح تبادل حرارتی رخ دهد، مواد جامدی بر روی دیواره های مبدل حرارتی تشکیل میشوند، به عنوان عایق حرارتی عمل کرده و در نتیجه کاهش راندمان انتقال حرارت  ایجاد می شود که می تواند به انسداد لوله ها منجر شود.

این اطلاعات در فهم مکانیسم های نسبت داده شده به  تصفیه فیزیکی اب  کمک میکند، به عنوان مثال، واکنش های شیمیایی، پیوند، pH و یون، که همه توسط الکترون های پوسته بیرونی کنترل می شوند، همه در طبیعت الکتریکی هستند. با استفاده از این اطلاعات می توانید ببینید که حلالیت مواد معدنی در آب در درجه اول تابعی از pH، غلظت، انرژی جنبشی (دما، و غیره) هستند. جرم  / گرفتگی محیط از این واقعیت است که کربنات کلسیم و منیزیم دارای حلالیت معکوس با درجه حرارت هستند، بنابراین با افزایش دما تمایل به رسوب گذاری دارند، بعنوان مثال، در مبدل حرارتی (سطح).