BC03-Chemie a technologie vody M04-Voda v průmyslu, zemědělství a energetice

VYSOKÉ U
ENÍ TECHNICKÉ V BRN
FAKULTA STAVEBNĂŤ
CHEMIE A TECHNOLOGIE VODY
MODUL M04
VODA V PRMYSLU, ZEMDLSTVĂŤ A ENERGETICE

STUDIJNĂŤ OPORY
PRO STUDIJNĂŤ PROGRAMY S KOMBINOVANOU FORMOU STUDIA

- 2 (38) -



































© …
Obsah
- 3 (38) -
OBSAH
1 Ăšvod 5
1.1 CĂ­le ........................................................................................................5
1.2 Požadované znalosti..............................................................................5
1.3 Doba pot
ebná ke studiu .......................................................................5
1.4 Klíová slova.........................................................................................5
2 RozdlenĂ­ vod podle pouĹľitĂ­.........................................................................6
2.1 Autotest .................................................................................................7
2.2 ShrnutĂ­...................................................................................................7
3 Požadavky na kvalitu vody chladící, pídavné, napájecí a kotelní ..........8
3.1 Autotest .................................................................................................9
3.2 ShrnutĂ­.................................................................................................10
4 Iontová výmna...........................................................................................11
4.1 Vlastnosti iontomni .......................................................................11
4.2 RozdlenĂ­ iontomni .......................................................................12
4.3 Hodnocení iontomni a zásady jejich provozu................................13
4.4 Autotest ...............................................................................................14
4.5 ShrnutĂ­.................................................................................................15
5 Zmkování vody........................................................................................16
5.1 Zmkování vody iontomnii............................................................16
5.2 Chemické postupy zmkování ..........................................................16
5.2.1 Zmkování vápnem a sodou................................................16
5.2.2 Zmkování hydroxidem sodným a sodou ...........................17
5.2.3 Zmkování fosforenany.....................................................18
5.2.4 Zmkování komplexony......................................................18
5.3 Inhibice tvorby kompaktnĂ­ch sraĹľenin................................................19
5.4 Autotest ...............................................................................................19
5.5 ShrnutĂ­.................................................................................................20
6 Deionizace, desilikace, dekarbonizace a odplynnĂ­ vody .......................21
6.1 Deionizace vody..................................................................................21
6.2 Desilikace vody...................................................................................21
6.3 Dekarbonizace vody............................................................................22
6.4 Odplyování vody...............................................................................22
6.5 Autotest ...............................................................................................22
6.6 ShrnutĂ­.................................................................................................23
7 KorozĂ­vnĂ­ Ăşinky vody a protikoroznĂ­ opatenĂ­ ......................................24
7.1 Koroze betonu .....................................................................................24
7.1.1 Koroze oxidem uhliitým a vápenato-uhliitanová rovnováha24
7.1.2 Další látky psobící korozi betonu .......................................26
7.2 Koroze kov........................................................................................27
7.2.1 ProtikoroznĂ­ opat
enĂ­ ............................................................27
7.3 Autotest ...............................................................................................28
Kliknete-li myší do volného prostoru
vpravo od obsahu, ten se Vám vybere
(šed
podbarví). Zmáknutím funkní
klávesy F9 se pak celý obsah zaktua-
lizuje dle skutených dat.
Modul 4 – Voda v prmyslu, zemdlství a energetice
- 4 (38) -

7.4 ShrnutĂ­ ................................................................................................ 28
8 Dlicí metody na principu polopropustných membrán.......................... 29
8.1 Charakteristika membránových proces ............................................ 29
8.1.1 RozdlenĂ­ proces ................................................................ 29
8.1.2 Polopropustné membrány..................................................... 30
8.1.3 Tvar filtranĂ­ p
epážky a její uspo
ádání.............................. 31
8.2 Ultrafiltrace......................................................................................... 32
8.3 Nanofiltrace ........................................................................................ 32
8.4 ReverznĂ­ osmĂłza ................................................................................ 33
8.5 Elektrodialýza..................................................................................... 34
8.6 ZhodnocenĂ­ postup odsolenĂ­ vod...................................................... 34
8.7 Autotest............................................................................................... 35
8.8 ShrnutĂ­ ................................................................................................ 35
9 Závr ........................................................................................................... 36
10 StudijnĂ­ prameny ....................................................................................... 37
10.1 Seznam použité literatury................................................................... 37
10.2 Odkazy na další studijní zdroje a prameny......................................... 37
11 Klí ……………………………………………………………………….38

Ăšvod
- 5 (38) -

1 Ăšvod
1.1 CĂ­le
CĂ­lem modulu .4 studijnĂ­ opory k p
edmtu Chemie a technologie vody je
seznámit vás s požadavky na kvalitu rzných druh technologických vod, které
obvykle vycházejí z korozívního psobení vybraných látek obsažených ve vo-
d nebo naopak jejich schopnosti tvo
it inkrusty. Budeme se zabývat procesy
vedoucími k eliminaci tchto problém. V nkterých p
ípadech se jedná o nové
technologie, které se však v posledních letech používají ve stále vtším m
Ă­t-
ku.
1.2 Požadované znalosti
K pochopenĂ­ p
edkládané látky je t
eba znalost základ hydrochemie v rozsahu
Modulu .1 této studijní opory.
1.3 Doba potebná ke studiu
Dobu pot
ebnou ke studiu tohoto modulu odhaduji p
ibliĹľn na 1 aĹľ 1,5 dne.
1.4 Klíová slova
iontomnie, zmkování, dekarbonizace, deionizace, desilikace, odplyování,
koroze železa a betonu, polopropustné membrány, mikrofiltrace, ultrafiltrace,
nanofiltrace, reverzní osmóza, elektrodialýza


Modul 4 – Voda v prmyslu, zemdlství a energetice
- 6 (38) -

2 RozdlenĂ­ vod podle pouĹľitĂ­
Zdrojem vody v prmyslové a zemdlské výrob i v energetice jsou vody
p
Ă­rodnĂ­, p
Ă­p. p
edem upravené na kvalitu pitné vody. Mnohdy jsou však
kvalitativní požadavky pro jednotlivé úely použití vody v tchto odvtvích
výrazn odlišné od požadavk na kvalitu pitné vody a vyžadují speciální
úpravu. Sledovaným ukazatelem vodního hospodá
stvĂ­ v tchto odvtvĂ­ch je
spefická spot
eba vody, vztažená na jednotku produkce (výrobek), p
Ă­p. na
jednotku vyrobené energie.
V prmyslu je voda používána k tmto úelm:
a) Pro poteby zamstnanc závodu (pitné úely, sociální za
Ă­zenĂ­,
kuchyn apod.) - musĂ­ svojĂ­ kvalitou vyhovovat poĹľadavkm na pitnou
vodu.
b) Pro výrobní procesy, jako tzv. voda technologická. Požadavky na
kvalitu této procesní vody závisí na technologii výrobního procesu a
jsou podle toho velice rznorodé. asto se k tomuto úelu používá voda
pitná, mnohdy i neupravená voda p
írodní - podzemní i povrchová. V
nkterých p
Ă­padech je nutno vodu p
edem upravit. Do této kategorie
lze zapoítat i vodu používanou k transportu materiál v závod, u níž
bývají požadavky na kvalitu minimální a asto se pro tento úel
používá i voda odpadající z výrobního procesu.
c) Ke chlazení jako voda chladicí. Podíl této vody z celkové spot
eby
závodu bývá nkdy výrazný. Je všeobecnou snahou p
edevším tyto
vody recirkulovat a tĂ­m snĂ­Ĺľit spot
ebu vody v závod. Zdrojem
chladící vody v prtoných i cirkulaních systémech mže být voda
pitná nebo vody p
írodní, vetn povrchové. Požadovaná kvalita
chladící vody závisí p
edevším na teplot v cirkulaním okruhu. ím je
tato teplota vyšší, tím vyšší jsou i kvalitativní nároky.
d) Jako teplonosné medium ve form teplé vody nebo vodní páry,
generované v kotlech. U tchto vod platí zásada, že s rostoucí teplotou a
tedy i tlakem v kotli roste náronost na jejich kvalitu. Tyto systémy
bývají alespo ásten okruhovány, p
iemĹľ se doplujĂ­ vodou
p
ídavnou, která ve smsi s recirkulátem tvo
í vodu napájecí. Zdrojem
p
ídavné vody je voda pitná i p
írodní, které však vyžadují tém
vĹľdy
p
edĂşpravu.
e) Ostatní nespecifikované úely, jako je voda k hašení, kropení, zalévání
apod. K tmto úelm zpravidla dostauje voda užitková bez zvláštních
nárok na kvalitu, nikoliv však voda odpadní.
V zemdlství je voda používána k tmto úelm:
a) Pro závlahy. Spot
eba této vody, jejímž zdrojem jsou vody povrchové,
je v celosvtovém m
Ă­tku p
evažující. U nás je kvalita závlahových
vod stanovena normativn (SN 75 7143 Jakost vody pro závlahu).
b) V živoišné výrob a p
i zpracování rostlinných produkt. Tato
výroba má do znané míry charakter prmyslové výroby a tomu
odpovĂ­dajĂ­ i poĹľadavky na kvalitu vody.
RozdlenĂ­ vod podle pouĹľitĂ­
- 7 (38) -

V energetice je voda používána jako:
a) Látka, sloužící ve form páry k p
emn tepelné energie na
mechanickou a elektrickou (v generátorech elektráren).
b) Teplovodní látka, sloužící k transportu tepelné energie (ve form teplé
vody nebo páry). V tomto p
ípad bývá asto oddlen primární okruh
od sekundárního. V primárním okruhu je voda v kotli p
emnna v
páru, která po p
edání tepla ve výmníku je vracena jako kapalný
kondenzát do kotle, kdežto v sekundárním okruhu je cirkulována teplá
voda nebo pára o nižší teplot než v okruhu primárním a p
edává teplo
spot
ebiteli. V sekundárním okruhu psobí tedy voda jako látka
chladící. Problematika kvality tchto vod je tedy analogická jako u
prmyslu v bodech c) a d), i když v energetice se jedná asto o
výkonov odlišná za
Ă­zenĂ­.
2.1 Autotest
1. Které typy prmyslových vod se asto recirkulují?
a) voda pro pot
eby zamstnanc
b) voda chladicĂ­
c) voda technologická
d) voda používaná jako teplonosné médium
2.2 ShrnutĂ­
Zdrojem vody v prmyslové a zemdlské výrob i v energetice jsou vody
p
írodní, které mohou být upravené na kvalitu pitné vody. V nkterých
p
ípadech jsou kvalitativní požadavky v tchto odvtvích odlišné od požadavk
na kvalitu pitné vody. Úprava takových vod vyžaduje použití speciálních
technologiĂ­.
Modul 4 – Voda v prmyslu, zemdlství a energetice
- 8 (38) -

3 PoĹľadavky na kvalitu vody chladĂ­cĂ­, pĂ­-
davné, napájecí a kotelní
Požadavky na kvalitu tchto vod vycházejí z jejich psobení, které je dvojího
druhu:
1. Nkteré látky obsažené ve vodách se vyluují, zvlášt za zvýšených
teplot, a vytvá
ejí více i mén kompaktní nánosy, ucpávající rozvodná
potrubĂ­ nebo tvo
í v kotlích a výmnících tepla vrstvy, které brání p
e-
stupu tepla a mohou vést i k poškození za
ízení. U obhových vod mo-
hou být i zdrojem rozvoje organizm (nap
.
as) s podobným negativ-
ním úinkem na rozvodný systém.
2. Jiné látky psobí korozívn na materiál kotl, rozvodných potrubí,
p
íp. dalších za
ízení. Tento úinek se zvyšuje s rostoucí teplotou.
KvalitativnĂ­ poĹľadavky na chladĂ­cĂ­, p
ídavné, napájecí a kotelní vody, stanove-
né vtšinou normativn, se liší podle:
• úelu použití
• teploty a u kotl i provozního tlaku,
• použitého za
Ă­zenĂ­, nap
. u kotl jejich typu.
Na tvorb nános se podílejí p
edevším vápenaté a ho
enaté soli, v p
Ă­rodnĂ­ch
i pitných vodách se bžn vyskytující. Mírou obsahu Ca2+ a Mg2+ ve vodách je
tzv. tvrdost vody. Postupy, kterými jsou tyto ionty z vody odstraovány, se
nazývají zmkováním. Tvrdost vody se vyjad
uje:
a) jako souet látkové koncentrace vápenatých a ho
enatých iont c(Ca+
Mg) v mmol.l-1,
b) v nmeckých stupních (oN), což je vyjád
ení v souasné dob již nedo-
poruované, avšak v technické praxi dosud bžn užívané. Tvrdosti 1
oN odpovídá 10 mg.l-1 CaO, neboli 0,178 mmol.l-1 (Ca+Mg) a naopak 1
mmol.l-1 (Ca+Mg) odpovídá 5,6 oN.
Rozlišuje se tvrdost celková, stálá a p
echodná. Celková tvrdost odpovídá
soutu látkových koncentrací Ca2+ + Mg2+. P
echodná tvrdost (odstranitelná
varem) je ta ást z celkové tvrdosti, která odpovídá obsahu hydrogenuhliitan
a rovná se jejich poloviní látkové koncentraci, nebo 1 mol Ca2+ nebo Mg2+
váže 2 moly HCO3-. Tato definice má smysl jen tehdy, jestliže c(Ca+Mg )>
2c(HCO3-), coĹľ je u p
írodních vod tém
pravidlem. Stálá tvrdost je rozdíl
celkové a p
echodné tvrdosti.
Za nízkých a st
ednĂ­ch tlak se v kotlĂ­ch tvo
í tyto více nebo mén kompaktní
nánosy:
• tvrdý kámen - síran vápenatý CaSO4, k
emiitan vápenatý CaSiO3,
• mkký kámen - k
emiitan ho
enatĂ˝ MgSiO3,
• mkký kámen až kal - hydroxid ho
enatý Mg(OH)2, fosforenan vápe-
natĂ˝ Ca3(PO4)2,
PoĹľadavky na kvalitu vody chladicĂ­, p
ídavné, napájecí a kotelní
- 9 (38) -

• mkký nános - zásaditý fosfát (apatit) 3Ca3(PO4)2.Ca(OH)2, fosfore-
nan ho
enatĂ˝ Mg3(PO4)2,
• tvrdý a mkký kámen (podle podmínek) - uhliitan vápenatý.
Podmínky pro tvorbu nános jsou vedle teploty dány p
edevším p
Ă­tomnostĂ­
Ca2+ a Mg2+, dále i anionty p
ítomnými ve vod. Nebezpené jsou zejména
kompaktní, tvrdé nánosy, zatímco kalové ástice zstávají ve vod jako sus-
penze. Všeobecným požadavkem je odstranní iont Ca2+ a Mg2+. U vyso-
kotlakých kotl se požaduje i odstranní k
emiitan, nebo p
i vysokých tep-
lotách tvo
í tvrdé nánosy i s ionty Na+ a Fe2+.
K látkám zpsobujícím korozi kov pat
Ă­ p
edevším
• oxid uhliitý, který je p
íinou chemické koroze a
• kyslík, podporující výrazn korozi elektrochemickou, nebo psobí ja-
ko depolarizátor.

Tab.3.1: Píklady pípustné koncentrace látek tvoících nánosy a psobících korozi
pouĹľitĂ­ vody c(Ca+Mg) O2
chladĂ­cĂ­ bez recirkulace pro 80 - 400 oC 3,5 mmol.l-1 -
p
ídavná,vodní kotle a vodní tepelné sít 0,03 mmol.l-1 -
napájecí, parní kotle vodotrubné 0,15-
2,5 MPa
30 mol.l-1 50 g.l-1
napájecí, parní kotle vodotrubné 6,5-8 MPa 5 mol.l-1 20 g.l-1
napájecí, parní kotle vodotrubné prtoné < 8
MPa
0,5 mol.l-1 10 g.l-1

Uvedené látky nejsou vyerpávajícím výtem limitovaných složek chladících,
p
ídavných a napájecích vod, jsou však tmi nejdležitjšími. O postupech pro
jejich odstranní je pojednáno níže.
3.1 Autotest
1. Jaké soli se pedevším podílejí na vzniku nános?
a) vápenaté a ho
enaté
b) sodné a draselné
c) vápenaté a sodné
d) sodné a ho
enaté
2. Které látky ve vodách pedevším zpsobují korozi kov?
a) vápník a ho
Ă­k
b) sodĂ­k

Modul 4 – Voda v prmyslu, zemdlství a energetice
- 10 (38) -

c) oxid uhliitĂ˝
d) kyslĂ­k
3.2 ShrnutĂ­
PoĹľadavky na kvalitu chladicĂ­ch, kotelnĂ­ch, p
ídavných a napájecích vod vy-
cházejí z jejich psobení, které mže být bu inkrustující, zpsobené p
ede-
vším solemi vápníku a ho
íku, nebo korozívní, dané (v p
Ă­pad Ăşinku na ko-
vový materiál kotl a teplosmnných systém) zejména obsahem oxidu uhlii-
tého a kyslíku.

Zmkování vody
- 11 (38) -

4 Iontová výmna
Iontová výmna je technologie, která se používá k odstraování iont z vody –
nap
. p
i zmkování, odstraování tžkých kov nebo deionizaci. Její použití
je vhodné tam, kdy se z vody odstraují relativn nízké koncentrace iont, p
i-
emž se upravují velké objemy vody.
4.1 Vlastnosti iontomni
Mnie iont (ionexy) jsou vysokomolekulární látky, nesoucí na svém skeletu
disociovatelné funkní skupiny. P
i disociaci tchto funknĂ­ch skupin se uvol-
ují jednoduché ionty, zvané protiionty. Funkní skupiny se p
itom nabĂ­jejĂ­
opaným nábojem. Protiionty jsou ke zbytku ionexu, nesoucího funkní skupi-
ny, vázány nep
íliš pevnými vazbami opaných elektrických náboj a jsou za
vhodných podmínek vymnitelné za jiné ionty, obsažené ve vodném roztoku, s
nĂ­mĹľ je ionex ve styku.
Ionexy se dlĂ­ na:
a) katexy, u nichĹľ je protiiontem kation (nabitĂ˝ kladn),
b) anexy, u nichž je protiiontem anion (nabitý záporn).
U katex bývají protiionty obvykle H+ nebo Na+, u anex OH- nebo Cl-. Podle
druhu protiiontu se
íká, že ionex pracuje v H+-cyklu nebo Na+-cyklu, resp. v
OH--cyklu nebo Cl--cyklu.
Jak bylo uvedeno, dochází k výmn protiiont ionexu za ionty v roztoku. U
katexu dochází k výmn kationt, u anexu k výmn aniont, p
i emĹľ se vy-
tvá
í rovnováha mezi ionty vázanými na ionex a ionty ve vodném roztoku.
Ozname symbolem I skelet ionexu vetn funknĂ­ skupiny bez protiiontu.
Potom lze vyjád
it výmnnou reakci, nap
Ă­klad mezi H+ (katex pracujĂ­cĂ­ v H+-
cyklu) a K+ (ionty ve vodném roztoku) takto:
I-... H+ + K+ ‹fi I-... K+ + H+ [4.1]
Rovnováhu mezi zúastnnými ionty H+ a K+, a to vázanými na katex i voln
se pohybujícími v roztoku lze vyjád
it rovnicĂ­:
)()...( )()...( ++-
++

=
KcHIc
HcKIcK
rk [4.2]
kde c(I-...K+) a c(I-...H+) jsou látkové koncentrace iont K+ a H+, vázaných na
katexu a c(K+) a c(H+) jsou látkové koncentrace tchto iont v roztoku. Krk je
konstanta, vyjad
ující tuto rovnováhu.
Vzájemný pomr iont vázaných na ionex a jejich koncentrace v roztoku bude
tím vtší, ím vtší bude afinita ionexu k tomuto iontu. Vzájemný pomr mez