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La cosiddetta durezza limite del carbonato (Hj) si riferisce al valore critico al quale il CaCO₃ non precipita in specifiche condizioni e temperature di qualità dell'acqua, dove la CO₂ libera è assente o minima. Tipicamente, nei sistemi di raffreddamento dell'acqua, questo valore varia da 2 a 4,5 mg equivalenti/L. Tuttavia, aggiungendo acido e inibitori di calcare, un sistema di raffreddamento ad acqua può mantenere livelli di durezza carbonatica più elevati. Questo articolo spiega la relazione tra gli inibitori di calcare per l'acqua di raffreddamento e la durezza limite del carbonato, fornendo informazioni utili per i professionisti del trattamento delle acque.
1. Aggiunta di acido e limitazione della durezza carbonatica
Aggiungendo acido all'acqua di reintegro, la durezza carbonatica viene convertita in durezza non carbonatica con maggiore solubilità (come CaSO₄ e CaCl₂), il che riduce la durezza carbonatica dell'acqua circolante a un livello inferiore al limite di durezza carbonatica, impedendo così la formazione di calcare. Le reazioni chimiche sono le seguenti:
Continuare a condividere un metodo per calcolare la quantità di acido da aggiungere in base alla durezza del carbonato e alla durezza limite del carbonato (Hj), come mostrato nella seguente formula.
Nella formula:
G è la quantità di acido aggiunta, kg/h;
E è la massa molare dell'acido, per l'acido solforico, E = 49, e per l'acido cloridrico, E = 36,5;
Qm è il volume d'acqua supplementare dell'acqua di raffreddamento circolante, m³/h;
α è la concentrazione dell'acido;
HB è la durezza carbonatica dell'acqua supplementare, mmol/L;
H′B è la durezza carbonatica dell'acqua supplementare dopo trattamento acido, mmol/L.
H′B può essere calcolato come segue.
Nella formula: N è il multiplo di concentrazione; Hj è la durezza carbonatica limite del sistema di acqua di raffreddamento circolante, in mmol/L.
La durezza carbonatica limite dell'acqua circolante dopo l'aggiunta di acido, senza l'inibitore di incrostazioni, può essere calcolata utilizzando la seguente formula:
Nella formula, [O] rappresenta il consumo di ossigeno, in mg/L; t rappresenta la temperatura dell'acqua circolante, in ℃.
Hf′ è la durezza non carbonatica dopo trattamento con acido aggiunto all'acqua supplementare, in mmol/L, e può essere calcolata utilizzando la seguente formula:
2. Utilizzo di inibitori di calcare con trattamento acido per limitare la durezza carbonatica
Quando si utilizza un trattamento acido per limitare la durezza del carbonato in combinazione con inibitori di calcare, il tipo di inibitore di calcare utilizzato deve determinare il valore Hj appropriato. Gli inibitori di scala più comuni includono polifosfati, fosfonati organici (sali) e acidi poliacrilici.
Inibitori della scala dei polifosfati
I polifosfati si riferiscono principalmente al polifosfato di sodio; le forme comunemente utilizzate sono l'esametafosfato di sodio (noto anche come polimetafosfato di sodio) e il tripolifosfato di sodio. Questi inibitori disperdono e stabilizzano le particelle colloidali e hanno forti capacità chelanti per gli ioni calcio e magnesio. Il polifosfato di sodio non funziona solo come inibitore di incrostazioni ma ha anche proprietà di inibizione della corrosione. Le proprietà specifiche variano a seconda della struttura molecolare di [NaPO₃] n , dove il valore di n determina le caratteristiche. L'esametafosfato di sodio ha la formula chimica [NaPO₃]₆ONa₂ ed è un polimero del metafosfato di sodio (NaPO₃). Se utilizzato come inibitore di incrostazioni, la durezza limite del carbonato Hj dell'acqua circolante può essere stimata mediante la seguente formula. Il dosaggio tipico di esametafosfato di sodio varia da 1 a 5 mg/L, con il limite superiore utilizzato per l'acqua con elevata durezza carbonatica. Il tripolifosfato di sodio (Na₅P₃O₁₀) ha una forte capacità di chelare gli ioni calcio, con un dosaggio tipico da 2 a 5 mg/L e Hj = 5 mmol/L.
Lo svantaggio dei polifosfati è la loro tendenza a decomporsi in ortofosfati in acqua, un processo noto come idrolisi dei polifosfati. Il grado di idrolisi è influenzato da fattori quali pH, temperatura, tempo e attività microbica. L'idrolisi è correlata positivamente con la temperatura dell'acqua e il tempo di contatto, sebbene avvenga a una velocità relativamente lenta, con velocità di idrolisi tipiche comprese tra l'11% e il 35%.
Fosfonati organici e loro sali
Questi inibitori di calcare sono efficaci e inibiscono anche la corrosione, il che li rende inibitori a duplice scopo. Molte delle loro proprietà sono simili a quelle dei polifosfati, ma sono più stabili e meno soggetti a idrolisi, anche a temperature più elevate. Tuttavia, i fosfonati organici possono essere corrosivi per il rame e pertanto non sono adatti all'uso nei sistemi di scambiatori di calore in rame. I fosfonati organici comuni e i loro sali utilizzati a livello nazionale includono l'acido idrossietilidendifosfonico (HEDP), l'acido amminotrimetilenfosfonico (ATMP) e l'etilendiamminotetra(acido metilenfosfonico) (EDTMP). Se utilizzati insieme ai polifosfati, questi inibitori possono avere un effetto sinergico, migliorando la durezza carbonatica limitante dell'acqua circolante e riducendo il dosaggio di ciascun agente. La durezza limite tipica del carbonato per questi inibitori è la seguente:
HEDP: Hj = 8 mmol/L
ATMP: Hj = 9 mmol/L
EDTMP: Hj = 8 mmol/L
Polimeri policarbossilati
I polimeri policarbossilati sono polimeri contenenti gruppi funzionali carbossilici (gruppi carbossilici) o derivati di acidi carbossilici. L'anione carbossilato (COO⁻) determina le caratteristiche di questi polimeri, dove M rappresenta un catione monovalente, idrogeno o un gruppo amminico. Dopo essere stato introdotto in acqua, il gruppo carbossilato si dissocia in COO⁻ e M⁺, con il COO⁻ responsabile dell'inibizione della scala. Gli inibitori comuni della scala policarbossilata utilizzati a livello nazionale includono acido poliacrilico, poliacrilato di sodio, polimetilmetacrilato, copolimeri di acido acrilico e idrossipropil acrilato, copolimeri di acido acrilico e acrilati e poli(acido maleico) idrolizzato (anidride). I dosaggi tipici e i corrispondenti valori limite di durezza del carbonato sono i seguenti:
Acido poliacrilico: 1–9 mg/L, Hj = 5,5–10 mmol/L
Poliacrilato di sodio: 1–8 mg/L, Hj = 5,8–9 mmol/L
Poli(acido maleico): 1–5 mg/L, Hj = 5–8,5 mmol/L
Riepilogo
Controllando la durezza limite del carbonato nei sistemi di acqua di raffreddamento circolante, è possibile prevenire la formazione di incrostazioni. L'utilizzo dei metodi sopra descritti per calcolare il dosaggio appropriato di acidi e inibitori di incrostazioni, insieme alla durezza limite consentita del carbonato nel sistema in specifiche condizioni operative, aiuta a prevenire problemi di incrostazioni riducendo al contempo i costi chimici.
