سیستم های خنک کننده به طور کلی با دو مشکل عمده روبرو هستند که عبارتند از:
رسوب کربنات کلسیم و رسوب سیلیس .
از آنجایی که مقدار هردو این رسوبات به pH بستگی دارد .بنابراین pH در سیستم های خنک کننده بسیار حائز اهمیت است. زمانیکه pH آّب چرخشی موجود در سیستم از pH مورد نظر بالاتر باشد بمنظور کنترل pH از اسید سولفوریک استفاده می شود. زیرا حلالیت رسوبات کربنات کلسیم و سیلیکات ها به pH حساس بوده و کنترل آنها مشکل تر است .و لازم است تا pH به طور مداوم و دقیق کنترل شود .
سختی منیزیمی نقش مهمی در pH بالای ۷/۵ دارد و در این صورت تولید منیزیم (برحسب میلی گرم بر لیتر کربنات کلسیم ) و سیلیکات ( بر حسب یون سیلیس ) باید کمتر از ۲۰۰۰۰ میلی گرم بر لیتر باشد. ( لازم به ذکر است که این محاسبات بصورت سر انگشتی برای آبهای فرایندی حاوی سیلیس بیان می شود ).
بطور کلی بحث را در قالب موضاعات زیر مورد بررسی قرار خواهیم داد :
- قلیاییت و pH.
- رسوب سیلیکا : نقش سختی منیزیمی و کمپلکس های دیگر.
- اثر pH بر چرخه غلظت.
تصویر بالا تاثیر تغییر pH در حلالیت کربنات کلسیم را نشان میدهد. با توجه به نمودار فوق با افزودن اسید و کاهش pH، قلیاییت کاهش پیدا می کند.
قلیاییت همیشه بر حسب کلسیم کربنات بیان می شود. دانستن نقش اسید در کنترل pH بسیار مهم است که لازمه آن درک رابطه بین قلیاییت و pH است .
قلیاییت بطور طبیعی و بدون توجه به منبع تامین آب اتفاق می افتد. در عمل همراه با ورود آب به سیستم قلیاییت به سیستم وارد می شود . با تبخیر آب غلظت کربنات کلسیم افزایش می یابد در نتیجه با افزایش قلیاییت pHافزایش پیدا می کند و با افزایش pH و قلیاییت رسوب کربنات و دیگر رسوبات به آسانی تشکیل می شوند.
قلیاییت متیل اورانژ یا قلیاییت M
قلیاییت ممکن است به اشکال مختلف وجود داشته باشد ، شکل زیر رابطه بین اشکال مختلف قلیاییت را نشان میدهد .کربن دی اکسید محلول در آب در pH کمتر از حدود ۴ به فرم اسید کربنیک است. با افزایش pH اسید کربنیک به بیکربنات تجزیه میشود و در pH حدود ۶/۳ جزء مولی هر دو ترکیب تقریبا مساوی است. در PH حدودا ۸/۳ فقط بیکربنات در محیط وجود دارد. با افزایش مجدد pH مقدار یون کربنات افزایش پیدا می یابد ، بطوریکه در pH های بالاتر از ۱۱/۵ فقط کربنات در محیط وجود خواهد داشت .
این منحنی رابطه بین گونه های مختلف قلیاییت و pH را توصیف میکند .بطوریکه pH بالا منجر به قلیاییت کربنات و بیکربنات می شود و سپس با افزودن اسید pHکاهش یافته و دی اکسید کربن تولید می شود .دی اکسید کربن تولید شده در سیستم خنک کننده آزاد شده و تبخیر میشود. پس بطور کلی اسید با آزاد کردن گاز کربن دی اکسید به محیط قلیاییت را از بین می برد.
مطالعه موردی (برج خنک کن)
نمودار زیر تغییرات pH نسبت به تغییرات قلیاییت را نشان می دهد. این نمودار بصورت عمومی برای برج های خنک کن (Cooling Tower) مورد استفاده قرار می گیرد. اگرچه ممکن است در بعضی موارد با نتایج عملی تفاوت داشته باشد. برای به دست آوردن بهترین نتایج لازمست این نمودار برای هر سیستم خنک سازی بصورت مجزا ترسیم شود تا نتایج منطبق بر واقعیت باشند.
محاسبه مقدار اسیدمورد نیاز برای تصحیح pH
مقدار اسید مورد نیاز و مقدار قلیاییت خنثی شده با هم نسبت مستقیم دارند که این امر بستگی به pH سیستم دارد.
فرض کنید pHاولیه آب ۹ است و pH مورد نظر ما ۸ است حال با این فرض از روی نمودار مقدار کلسیم کربناتی را که باید خنثی شود مشخص می کنیم که این مقدار تقریبا معادل با ۳۵۰ میلی گرم بر لیتر کربنات کلسیم است .
یعنی اگر PH اولیه شما ۹ و pH هدف شما ۸ باشد باید برای رسیدن به pH مورد نظر مقدار ۳۵۰ میلی گرم کربنات کلسیم تجزیه شود.
از آنجایی که :
جرم مولکولی کلسیم کربنات = ۱۰۰ گرم بر مول
جرم مولکولی اسید سولفوریک = ۹۸ گرم بر مول
و این مقادیر تقریبا یکسان هستند
در نتیجه یک میلی گرم بر لیتر کلسیم کربنات معادل با یک میلی گرم بر لیتر اسید سولفوریک است.
این بدین معنی است که شما به همان مقدار اسید سولفوریک نیاز خواهید داشت که کاهش کربنات کلسیم هدف شماست. پس اگر میخواهید pH را از ۹ به ۸ کاهش دهید به ۳۵۰ میلی گرم بر لیتر اسید سولفوریک نیاز دارید.
تاثیر مقدار تزریق اسید روی TDS
جرم مولکولی کلسیم کربنات =۱۰۰ گرم بر مول
جرم مولکولی کلسیم سولفات = ۱۳۶ گرم بر مول
پس مقدار TDS به میزان ۳۶% افزایش می یابد.
توجه داشته باشید که این مقادیر برای کاهش pHاز ۹ به ۸ است زیرا نمودار قلیاییت در برابر pH خطی نیست و افزایش TDS واقعی به pH واقعی بستگی دارد.
رسوب سیلیکا
حلالیت سیلیس های آمورف برای عملکرد فرایند های تولید سیستم های آبی مانند برج خنک کننده مهم است.
منبع کوارتز ( کریستال SiO2 ) سنگهای حل شده در آبهای زیرزمینی است. پس از تشکیل رسوبات سیلیس یا سیلیکات ، جداسازی رسوبات بسیار مشکل است و تمیز کردن شیمیایی بر اساس اسید هیدرو فلوئوریک یا حذف مکانیکی با فرایندی دشوار امکان پذیر است .
رسوب سیلیس و نقش pH
بطور معمول رسوب سیلیس در سیستم های خنک کننده تبخیری از طریق افزایش غلظت نمک بوسیله تبخیر جزئی آب افزایش می یابد. حلالیت سیلیس در آب بطور کلی ۱۵۰ تا ۱۸۰ میلی گرم بر لیتر است که بستگی به شیمی آب و دمای آن دارد .
تشکیل رسوب سیلیس یک فرایند بسیار پیچیده است و معمولا در pHکمتر از ۸/۵ سیلیس رسوب میکند در حالیکه رسوب سیلیکات منیزیم در pH بالای ۸/۵ تشکیل می شود. داده ها حاکی از آن است که حلالیت سیلیس در بازه ی ۶ تا ۸ مستقل از pHاست. حلالیت سیلیس متناسب با دما افزایش می یابد ولی در مورد سیلیکات منیزیم با افزایش دما حلالیت کاهش پیدا می کند.
آیا pH بالا کمک کننده است؟
لزوما pH بالا راه حلی برای حل مشکل رسوب سیلیس نمی باشد بلکه باید وجود منیزیم و سایر رسوبات از جمله کلسیم نیز در نظر گرفته شود . وجود منیزیم و یا کربنات کلسیم در pHهای بالای ۸/۵ منجر به رسوب شدید سیلیکات منیزیم می شود اگر مقدار بالای این یونها نادیده گرفته شوند فسفات نیز تشکیل میشود .
بنابراین برای آبهای فرایندی حاوی سیلیس باید مقادیر یون منیزیم در pH های بالای ۷/۵ در نظر گرفته شود و مقدار منیزیم ( بر حسب میلی گرم بر لیتر کلسیم کربنات ) و سیلیس ( بر حسب میلی گرم بر لیتر سیلیس) در این مورد باید کمتر از ۲۰۰۰۰ میلی گرم بر لیتر باشد.
