Proces odwróconej osmozy w kontekście wody w kotle

Odwrócona osmoza kojarzy się najczęściej z przygotowaniem wody pitnej na potrzeby gospodarstw domowych, jednak równie często jest ona wykorzystywana przy uzdatnianiu wody w instalacjach przemysłowych i grzewczych. Technologia ta wyróżnia się najwyższym stopniem filtracji, a także wysoką sprawnością, a same filtry są trwałe i łatwe w konserwacji.

Korozja i kamień kotłowy – główne problemy dla trwałości i sprawności instalacji grzewczej

Większość wykorzystywanych instalacji grzewczych to systemy, w których medium odpowiedzialnym za przekazywanie ciepła jest woda. Wynika to zarówno z faktu, że instalacje wodne są stosunkowo proste do wykonania i rozprowadzenia, a sama woda powszechnie dostępna, jak i z tego, że dość łatwo można ją podgrzać. Korzystanie z wody grzewczej jest wygodne, ponieważ woda efektywnie „odbiera” energię od wymienników ciepła, a następie równie szybko i skutecznie „przekazuje” ją instalacji grzejnikowej. Niestety takie rozwiązanie ma też pewne minusy. Instalacje potrzebne do podgrzewania, przesyłania oraz ogrzewania pomieszczeń są najczęściej wykonane z metalu. Choć gwarantuje to dobre efekty, jeśli chodzi o wydajność ze względu na dobrą przewodność cieplną najpowszechniej używanej stali, aluminium, miedzi, a niekiedy wciąż także żeliwa, to jednocześnie powoduje problemy z korozją i jej skutkami. Innymi zagrożeniami związanymi z używaniem wody do celów grzewczych jest ryzyko związane z tworzeniem się kamienia kotłowego – zauważa przedstawiciel firmy Global Concepts 2000, specjalizującej się w systemach uzdatniania wody.

Korozja metali, z których jest wykonana znaczna część najważniejszych elementów instalacji, a zatem wymiennik ciepła w kotle centralnego ogrzewania, używane rury, same grzejniki, ale również cała armatura używana do wymuszania i regulowania przepływu, a więc pompy obiegowe, wszelkiego rodzaju czujniki i zawory polega na utlenianiu się ich powierzchni. W wyniku zachodzących reakcji powierzchnia metalu ulega stopniowej degeneracji za sprawą powstających tlenków i wodorotlenków. Rdzewienie metali następuje w obecności tlenu znajdującego się w wodzie oraz powietrzu, jednak jej tempo może się zwiększać za sprawą dodatkowych substancji znajdujących się w wodzie. Są to m.in. rozpuszczone w wodzie gazy np. dwutlenek węgla, ale także sole, jony siarczanowe (SO₄^2–) i chlorkowe (Cl^–). Wpływ na przyspieszenie korozji ma też silna kwasowość, a zatem niskie pH oraz podwyższona temperatura. Korozja to jednak nie tylko same zniszczenia materiału, ale również zwiększona obecność w wodzie żelaza dwuwartościowego Fe²⁺, a także tlenków żelaza Fe₂O₃.

Zagrożenie tworzeniem się kamienia kotłowego wynika podobnie jak w przypadku korozji z obecności rozpuszczonych w wodzie substancji oraz jej temperatury. Najistotniejsze będą tu wodorowęglan magnezu Mg(HCO₃)₂ oraz wodorowęglan wapnia Ca(HCO₃)₂, z których w podwyższonej temperaturze tworzą się substancje nierozpuszczalne w wodzie – węglan wapnia CaCO₃ oraz węglan magnezu MgCO₃ i wodorotlenek magnezu Mg(OH)₂, a także inne związki. Do problemów z powstawaniem kamienia przyczyniają się także osady zawierające siarczany, np. siarczan wapnia CaSO₄, jak i związki krzemu, m.in. krzemian wapnia CaSiO₃, czy też krzemian magnezu MgSiO₃ oraz azotany i chlorki.

Wpływ efektów korozji i osadzania się kamienia kotłowego na pracę instalacji grzewczej

Zarówno powstawanie ognisk korozji, jak i osadzanie się kamienia kotłowego powoduje wiele problemów z trwałością i sprawnym działaniem instalacji grzewczej. W przypadku korozji chodzi tu przede wszystkim o niszczenie wewnętrznych powierzchni wszystkich elementów instalacji, co powoduje jej osłabienie, a z czasem zniszczenie, ale również blokowanie pracy zaworów oraz znacznie zmniejszanie efektywności przekazywania ciepła. Bardzo niebezpieczne są gromadzące się w wodzie osady i odrywające fragmenty skorodowanego metalu. Mogą one mechanicznie blokować pracę pomp lub zaworów prowadząc do ich uszkodzenia albo ograniczenia sprawności, a także blokować przepływ.

Podobne efekty wywołuje kamień kotłowy, choć w jego przypadku podstawowym problemem jest znaczne zmniejszanie efektywności oddawania ciepła oraz ograniczenie drożności instalacji. Problemy tego rodzaju najmocniej dotykają wymienników ciepła, w których kanały mają dość małą średnicę, a także wężownic i wszelkiego typu rozdzielaczy. Kamień kotłowy może też blokować pracę rzadko używanych zaworów, zwłaszcza tych, które mają budowę kulową, ale również ograniczać drożność rur.

Zarówno rdza, jak i kamień kotłowy wzajemnie wzmacniają swoje oddziaływanie na instalację, także ze względu na to, że ich rozwojowi sprzyjają podobne warunki temperaturowe. Ich odrywające się fragmenty mogą uszkadzać pracujące w instalacji pompy, zatykać filtry oraz w znacznym stopniu zaburzać przepływ. Działanie korozji i kamienia kotłowego nie ogranicza się do powodowania zniszczeń infrastruktury ciepłowniczej, lecz obejmuje także znaczne zwiększenie kosztów. Jest to spowodowane dużym obniżeniem efektywności działania. Przy złym działaniu wymiennika i zaburzeniach w przekazywaniu energii kocioł musi pracować dłużej i osiągać wyższą moc, co bezpośrednio przekłada się na zużycie paliwa. Podobnie zakłócenia przepływu wymuszają bardziej intensywną pracę pomp, co odbija się na zapotrzebowaniu na energię elektryczną. Kamień i rdza to także znacznie częstsze wymiany i czyszczenie filtrów, a także szybsze zużycie uszczelnień.

Filtracja za pomocą odwróconej osmozy w przygotowaniu wody kotłowej

Walka z kamieniem kotłowym i korozją może być prowadzona na różne sposoby. Można znaleźć wiele substancji, za pomocą których da się je usuwać i wypłukiwać. Są to zarówno inhibitory korozji, jak i specjalnie dobierane substancje zawierające kwasy, które są w stanie rozpuścić i usunąć kamień. Pozbywanie się ich, choć bardzo skuteczne jest jednak wyłącznie likwidowaniem objawów, a nie eliminowaniem przyczyn. Często wykorzystywaną metodą pozwalającą na ograniczenie powstawania kamienia jest używanie systemów pozwalających na zmiękczanie wody, a zatem zmniejszanie zawartości związków wapnia i magnezu. Dobrym sposobem okazuje się uzdatnianie wody kotłowej odwróconą osmozą. Proces ten pozwala na kompleksowe oczyszczenie wody ze wszystkich zbędnych substancji i jej demineralizację. Urządzenia do odwróconej osmozy (RO) mogą być stosowane w instalacjach o różnej wielkości i przepływie. Używa się ich w zarówno w domach jednorodzinnych, jak i w dużych instalacjach przemysłowych.

Odwrócona osmoza polega na stosowaniu membrany o odpowiedniej przepuszczalności, która zatrzymuje cząsteczki zanieczyszczeń o niezwykle małych rozmiarach, przepuszczając jedynie czystą wodę. Membrany stosowane w systemach RO są w stanie zatrzymać znajdujące się w wodzie pasożyty, pierwotniaki, bakterie, ale także wirusy i cząsteczki białek. Wyłapują również wszelkie zawiesiny i koloidy wraz z jonami rozpuszczonych w wodzie minerałów, co w przypadku zapobieganiu korozji i osadzaniu się kamienia ma szczególne znaczenie.

Praca filtrów RO wykorzystuje zasadę, na jakiej działają błony półprzepuszczalne organizmów żywych. Substancje przenikają np. do wnętrza komórki ze względu na inne stężenie po obu stronach błony. Mechanizm osmozy dąży do wyrównywania stężeń, tzn. cieczy przepływa w stronę roztworu, który zawiera większą ilość rozpuszczonych substancji, rozcieńczając go. Odwrócona osmoza umożliwia jednak przepływ w drugą stronę – ciecz przenika w niej do roztworu, który zawiera mniejszą ilość rozpuszczonej substancji. Filtrowana ciecz będzie więc zagęszczana. Warunkiem zajścia odwróconej osmozy jest nie tylko różnica stężeń, a także właściwe ciśnienie hydrostatyczne po stronie roztworu o większym stężeniu. Przy odwróconej filtracji osmotycznej umożliwia ono zajście całego procesu.

Czyszczenie membran stosowanych w filtracji wody kotłowej

Działanie filtrów odwróconej osmozy jest bardzo skuteczne, wiąże się jednak z dodatkowym zużyciem wody, która nie przechodzi przez filtr, a jedynie jest używana do zwiększenia ciśnienia, a także spłukiwania gromadzących się na membranie zanieczyszczeń. Choć zwykle przed filtrem RO stosuje się dodatkowe metody filtracji np. filtry mechaniczne czy węglowe dla przedłużenia trwałości membrany i zmniejszenie ilości osadzających się na niej zanieczyszczeń, to po pewnym czasie ich ilość staje się dość duża. Zakres dodatkowej filtracji zależy od składu chemicznego oczyszczanej wody. Niekiedy dodatkowo są stosowane także specjalne stacje odżelaziające i usuwające nadmiar manganu.

Gromadzące się na membranach zanieczyszczenia są w dużej mierze wypłukiwane, jednak ich część musi być usunięta za pomocą specjalnych produktów do technologii membranowych. Istnieje wiele specyfików umożliwiających czyszczenie membran oraz usuwanie z nich osadów. Dostępne są środki przeznaczone do pozbywania się wapnia i magnezu, a także preparaty pozwalające na radzenie sobie z zagrożeniami biologicznymi, hamujące rozwój bakterii, grzybów lub alg, ale także pozwalające na dezaktywację niektórych wirusów. Oferowane specyfiki do walki z tzw. biofilmem, czyli osadzających się na powierzchni kolonii bakterii i innych mikroorganizmów, jak również do konserwacji i czyszczenia membran osmotycznych pozwalają również na usuwanie krzemianów, siarczanów czy tlenków żelaza, ale także tlenu czy chloru.

Regularne czyszczenie membrany jest warunkiem zachowania jej długiej żywotności oraz prawidłowego funkcjonowania. Membrana powinna być poddana czyszczeniu przy użyciu odpowiednich specyfików, gdy widoczny będzie spadek sprawności systemu o więcej niż 5%, jak również, gdy da się stwierdzić wzrost zasolenia filtratu, czyli oczyszczonej cieczy o ponad 15%, a także zwiększenie ciśnienia w instalacji przekraczające 20%. Czyszczenie jest nieodzowne także wtedy, gdy obecność osadów można wyraźnie zaobserwować. Częstotliwość czyszczenia membran zależy przede wszystkim od jakości używanej wody. Jeśli tzw. indeks koloidalny SDI (Silt Density Index) nie przekracza 3, czyszczenie będzie potrzebne rzadziej, gdy będzie on wyższy niż 5 trzeba liczyć się z o wiele częstszym stosowaniem odpowiednich środków.