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

íku. To je možné pro-
vést bu na ionexech nebo chemicky. Existuje celá
ada proces chemického
zmkování. Nejbžnjší zpsob spoívá ve zvýšení pH a vysrážení CaCO3 a
Mg(OH)2. P
i zmkování komplexony jsou Ca a Mg vázány do chelát, ve
kterých nepodléhají obvyklým srážecím reakcím. P
i sekvestraci se do vody
dávkují látky, které tvo
í s Ca a Mg sraženiny, které zstávají v suspenzi a
netvo
Ă­ kompaktnĂ­ povlaky.

Deionizace, desilikace, dekarbonizace a odplynnĂ­ vody
- 21 (38) -

6 Deionizace, desilikace, dekarbonizace a od-
plynnĂ­ vody
Použití vody k nkterých úelm vyžaduje její mimo
ádnou kvalitu, jako je
tomu nap
. u napájecích a kotelních vod vysokotlakých kotl (> 8 MPa) u
nichž se vedle nízkých koncentrací Ca a Mg vyžadují nízké koncentrace k
e-
miitan a solí vbec, a dále korozívních plyn CO2 a O2.
6.1 Deionizace vody
Odstranní solí (disociovaných na ionty neboli ionizovaných) se nazývá deio-
nizace. Pokud jsou do nich zahrnuty i soli málo ionizované (k
emiitany), jed-
ná se o demineralizaci. Deionizaci lze výhodn provést na mniích iont. Pro-
ces probíhá ve dvou stupních za sebou:
1. odstranním kationt výmnou za H+,
2. odstranním aniont výmnou za OH-.
Pro zachycenĂ­ kationt Men+ se pouĹľije siln kyselĂ˝ katex v H+-cyklu. P
i tom
probíhá výmnný proces:
n (I-...H+) + Men+ fi nI-...Men+ + n H+ [6.1]
P
íkladem je výmna K+ za H+ (viz rovnice [4.1]).
Výmnu aniont lze provést siln zásaditým anexem v OH--cyklu, p
iemĹľ se
zachytí i anionty slabých kyselin. Jinou možností je použití slab zásaditého
anexu v OH--cyklu, na kterém se zachytí jen anionty silných kyselin (Cl-,
SO42-), nikoliv anionty slabých kyselin (HCO3-, SiO32-), které nejsou disocio-
vány v kyselém prost
edĂ­, vytvo
eném p
edchozí výmnou kationt za H+.
Oxid uhliitý lze následn vyva
it. Použití této dvoustupové úpravy se slab
zásaditým anexem má výhodu v jeho nižší cen oproti anexu siln zásaditému.
Zbytková koncentrace solí po jednostupové deionizaci bývá pod 0,2 mmol.l-1.
6.2 Desilikace vody
Desilikace je odstrannĂ­ k
emiitan, p
íp. hydratovaného oxidu k
emiitého z
vody, což je požadováno u napájecí vody parních kotl, pracujících p
i vyšších
tlacĂ­ch. Nap
. p
ípustná koncentrace k
emiitan, vyjad
ovaná jako SiO2, je pro
prtoné vodotrubné kotle 20 g.l-1. Desilikaci lze provést výmnou iont na
siln zásaditém anexu nebo chemicky. Chemický zpsob spoívá ve srážení
k
emiitanu hydroxidem vápenatým (dle Kopeckého) nebo CaSiO3 je ve vod
málo rozpustný. Srážení se provádí v reaktoru v nasyceném roztoku Ca(OH)2
p
i 80 oC. Po srážení vápnem následuje v druhém stupni saturace, to je sycení
oxidem uhliitým (z kou
ových plyn), jehož p
ídavek musí být proveden v
množství, které je práv pot
ebné pro vysrážení CaCO3, nesmí však být v p
e-
bytku, aby nedocházelo k optovnému rozpouštní CaCO3 na Ca(HCO3)2. Po-
tom se voda p
ivádí na filtr z mramorovou náplní. Pískový filtr není pro tento
úel vhodný, nebo u nj mže docházet k vyluhování oxidu k
emiitého.
Modul 4 – Voda v prmyslu, zemdlství a energetice
- 22 (38) -

6.3 Dekarbonizace vody
Dekarbonizace je odstranní vázané formy oxidu uhliitého, tedy uhliitan, z
vody. Tento bžn používaný výraz není zcela výstižný, lépe by skutenosti
odpovídal pojem dekarbonatace (karbonáty = uhliitany). Odstranní uhliitan
lze provést na siln zásaditém iontomnii. Chemickým zpsobem k nmu
dochází p
i zmkování vápnem, p
i nmž jsou sráženy uhliitany ve form
CaCO3 (viz. kapitola 5.2.1).
6.4 Odplyování vody
Z plyn rozpuštných ve vod jsou pro jejich korozívní úinky limitovány v
napájecích a kotelních vodách koncentrace CO2 a O2. Nep
ítomnost volného
CO2 je u napájecích vod zaruena krom limitované minimální hodnoty pH
ješt p
ípustnou koncentrací celkového (uhliitanového) CO2,
ádov v mg.l-1.
Rozpustnost plyn klesá s rostoucí teplotou. Proto je lze do znané míry od-
stranit vyva
ením. Zbytkové koncentrace kyslíku se odstraní u kotl do tlaku 6
MPa, ale nap
. i u soustav Ăşst
edního vytápní p
Ă­davkem si
iitanu sodného,
kterĂ˝ reaguje s kyslĂ­kem takto:
2 Na2SO3 + O2 = 2 Na2SO4 [6.2]

U vysokotlakých kotl se k odstranní kyslíku používá hydrazin, p
idávaný
jako sĂ­ran hydrazinia NH2.NH2.H2SO4, kterĂ˝ reaguje s kyslĂ­kem takto:
NH2.NH2 + O2 = N2 + 2 H2O [6.3]
Chemikálie používané pro odstranní kyslíku se dávkují v ekvivalentovém
p
ebytku 50 aĹľ 200 %.
6.5 Autotest
1. V jakých cyklech pracují ionexy používané pi deionizaci?
a) Na+ a OH-
b) Na+ a Cl-
c) H+ a Cl-
d) H+ a OH-
2. Jaké sloueniny se používají k odstran
nĂ­ kyslĂ­ku z vody?
a) hydrazin
b) si
iitan sodnĂ˝
c) sĂ­ran sodnĂ˝
d) oxid uhliitĂ˝
Deionizace, desilikace, dekarbonizace a odplynnĂ­ vody
- 23 (38) -

6.6 ShrnutĂ­
Na napájecí vodu vysokotlakých kotl jsou vysoké požadavky, které vyžadují
její speciální úpravu. Ta zahrnuje odstranní solí – deionizaci – která se obvyk-
le provádí na iontomniích, desilikaci (na ionexech nebo chemicky srážením
vápnem), dekarbonizaci (na ionexech nebo chemicky zmkováním) a odply-
nní – odstranní CO2 a O2.



Modul 4 – Voda v prmyslu, zemdlství a energetice
- 24 (38) -

7 KorozĂ­vnĂ­ Ăşinky vody a protikoroznĂ­ opat-
enĂ­
P
i posuzování jakosti vody je asto dležitým faktorem její korozívní úinek,
p
iemž se rozlišuje korozívní psobení na ocel, p
Ă­p. Ĺľelezo a na beton a sta-
vební materiály.
7.1 Koroze betonu
7.1.1 Koroze oxidem uhliitým a vápenato-uhliitanová rovno-
váha
Koroze betonu a jemu podobných stavebních materiál psobením oxidu uhli-
itého spoívá v jeho reakci s uhliitanem vápenatým CaCO3, který je jejich
souástí. Oxid uhliitý rozpouští CaCO3 dle rovnice [7.1]:
CaCO3 + CO2 + H2O = Ca(HCO3)2 [7.1]
V p
írod se uhliitan vápenatý vyskytuje ve form vápence, který v krasových
oblastech tvo
í horninotvorné prost
edí. V nm jsou psobením CO2 ve sráž-
kové vod vytvá
eny rozpouštním vápence krasové útvary (jeskyn, závrty).
Ve vod je CaCO3 málo rozpustný. Pro vodné roztoky platí vztah:
c(Ca2+).c(CO32-) = Ks = 10-8,35 (p
i 25 oC) [7.2]
kde Ks je souin rozpustnosti.
V p
ítomnosti CO2 se rozpustnost CaCO3 podstatn zvyšuje, nebo probíhá
reakce [7.1]. Z rovnic [7.3] a [7.4] vyjad
ujících rovnováhu forem kyseliny
uhliité (viz také Modul .2) a z rovnice [7.2] získáme eliminováním nkterých
len vztah [7.5]:
c H c HCOc H CO K( ). ( )( ) ,
+ -
-= =3
2 3
1
6 410 (p
i 25 oC) [7.3]
c H c CO
c HCO
K( ). ( )
( )
,
+ -
-
-= =3
2
3
2
10 310 (p
i 25 oC) [7.4]
c(H2CO3) = c(CO2 )r = 232
31
2 )()( -+
HCOcCacKK
K [7.5]

Za zjednodušujícího p
edpokladu: 2.c(Ca2+) = c(HCO3- ) platĂ­ rovnice Tillman-
sova:
c(CO2)r = konst. c(HCO3-)3 [7.6]
Výše uvedený vztah mezi koncentrací volného CO2 a HCO3-, které jsou v rov-
nováze mezi sebou a také s CO32- a Ca2+ je znázornn na Obr.7.1. Skutenost,
že se jedná o rovnovážnou koncentraci CO2 se vyjad
uje oznaenĂ­m (CO2)r.
Tato rovnováha znamená, že p
idáním CaCO3 do vodného roztoku, v nmž je
KorozĂ­vnĂ­ Ăşinky vody a protikoroznĂ­ opat
enĂ­
- 25 (38) -

ustavena, nedochází v nm ke koncentraní zmn žádné ze složek na rovno-
váze zúastnných.
0
5
10
15
20
25
30
0 5 10 15
c(HCO3-) mmol.l-1
c
(
C
O
2
)


m
m
o
l
.
l
-
1
A
E D
B
C C*


Obr.7.1: Zobrazení vápenato-uhliitanové rovnováhy

Plocha nad k
ivkou vyjad
ující vápenato-uhliitanovou rovnováhu zobrazuje
stav, u nhož dochází p
i styku vody s CaCO3 k rozpouštní uhliitanu dle rov-
nice [7.1]. P
íkladem je stav znázornný na Obr.7.1 bodem A. Volný oxid uhli-
itĂ˝ reaguje s CaCO3, p
i emž úbytek 1 mmol CO2 odpovídá p
Ă­rstku 2 mmol
HCO3-. Po dosažení rovnováhy je stav zobrazen bodem D na rovnovážné k
iv-
ce. Oxid uhliitý, který takto reagoval, se nazývá agresivní CO2 vi betonu
( AE ). Oxid uhliitý, který je v rovnováze vyjád
ené rovnicí [7.5] resp. [7.6],
se nazývá rovnovážný ( BC ) a diference mezi celkovým volným CO2 ( AC ) a
rovnovážným CO2 se nazývá oxid uhliitý agresivní vi železu ( AB ). Plocha
pod k
ivkou uhliitanové rovnováhy zobrazuje nerovnovážný stav, p
i nmĹľ
dochází k vyluování CaCO3 ve smyslu rovnice [7.1], probíhající zprava dole-
va, až je dosaženo stavu rovnováhy. Voda, která má tyto vlastnosti, se nazývá
inkrustujĂ­cĂ­.
Oxid uhliitý agresivní vi betonu (CO2)agr se stanoví Heyerovou zkouškou,
spoĂ­vajĂ­ v p
ídavku CaCO3 do zkoušené vody a stanovením koncentrace
HCO3- (KNK4,5) p
ed tĂ­mto p
Ă­davkem a po p
ídavku a ustavení rovnováhy.
AgresivnĂ­ CO2 reaguje s CaCO3 dle rovnice [7.1]. Polovina p
írstku látkové
koncentrace HCO3- proto odpovídá látkové koncentraci agresivního oxidu uhli-
itého:
(CO2)agr = 0,5.D (KNK4,5) [mmol.l-1] [7.7]
Z rovnice [7.3] a [7.5] vyplývá:
)()()( 322 -++ = HCOcCacKKHc
S
[7.8]

Logaritmováním rovnice [7.8] se získá vztah:
Modul 4 – Voda v prmyslu, zemdlství a energetice
- 26 (38) -

pHs = - log c(H+) =
SK
K 2log - log c(Ca2+) - log c(HCO
3-) [7.9]
Rovnicí [7.9] je definováno tzv. saturaní pH (oznaení pHs). Je to pH, které
odpovídá koncentraci H2CO3, která je v rovnováze s reálnou koncentrací
HCO3- ve vod (bod B na rovnovážné k
ivce. Prakticky se pHs stanovuje p
i
Heyerov zkoušce zm
ením pH po dosažení rovnováhy. Takto zjištné pHs
nenĂ­ p
esn identické s pHs dle výše uvedené definice, nebo p
i rozpouštní
CaCO3 dle rovnice [7.1] se zvyšuje koncentrace HCO3- a dostáváme se do bo-
du D na rovnovážné k
ivce. V hodnot pH je však tato diference zanedbatelná.
Korozívní úinek vody se hodnotí i podle Langelierova indexu Is definovaného
jako rozdĂ­l pH pvodnĂ­ho vzorku vody a pHs:
Is = pH - pHs [7.10]
pHs se vypote dle rovnice [7.9] nebo se stanoví Heyerovou zkouškou. Je-li Is
> 0, došlo k poklesu pH produkcí H2CO3 za souasného vyluování CaCO3
reakcĂ­ probĂ­hajĂ­cĂ­ ve smyslu rovnice [7.1] zprava doleva - voda je inkrustujĂ­cĂ­.
Je-li Is < 0, došlo ke zvýšení pH úbytkem H2CO3 její reakcí s CaCO3 ve smys-
lu rovnice [7.1] probĂ­hajĂ­cĂ­ zleva doprava a voda je tedy agresivnĂ­.
7.1.2 Další látky psobící korozi betonu
Další, z hlediska koroze betonu závažnou látkou vyskytující se ve vodách, jsou
sĂ­rany, nebo tvo
í s pojivou složkou betonu - s hydratovaným hlinitanem tri-
vápenatým – siln hydratovanou sloueninu zvanou ettringit, složení
3CaO.Al2O3.CaSO4.30H2O, jejíž rozpínající se molekuly rozrušují pevnost již
utuhlého betonu.
Ho
ík ve zvýšených koncentracích vstupuje na místo vápníku v k
emiitanech
a hlinitok
emiitanech vápenatých, a ponvadž ion Mg2+ má menší polomr
než ion Ca2+, ztrácí beton pevnost.
Také amoniak psobí ve vysokých koncentracích (nad 80 mg.l-1) na beton
agresivn, nebo reakcí s alkalickou složkou betonu je uvolován NH3 a ten
zvyšuje rozpustnost pojivých složek betonu.
V p
ípad, že se jedná o mén odolný beton a znané množství proudící (nápo-
rové) vody v propustné pd, tedy v nejmén p
íznivých podmínkách, je t
eba
pro zabránní koroze splnit tyto kvalitativní podmínky: pH > 7,0; KNK4,5 >
2,0 mmol.l-1; SO42- < 80 mg.l-1 ; Mg2+ < 200 mg.l-1; agresivnĂ­ CO2 < 2,0 mg.l-1.
P
i KNK4,5 < 2,0 mmol.l-1 nesmí voda obsahovat žádný agresivní CO2. U odol-
ných beton se p
ipouštjí koncentrace vyšší, nap
. koncentrace SO42- v nápo-
rové vod až 500 mg.l-1.
V odpadních vodách bývají obsaženy sulfidy, resp. sulfan, které jsou v p
Ă­-
tomnosti vzdušného kyslíku oxidovány mikrobiálním procesem za vzniku ky-
seliny sírové:
S2- + 4 H2O = SO42- + 8 H+ + 8 e- [7.11]
Tímto procesem je vysvtlována koroze stokových sítí, ke které dochází v mís-
t styku hladiny odpadní vody s betonovým potrubím, kde se st
ídají oxické a
anoxické podmínky.
KorozĂ­vnĂ­ Ăşinky vody a protikoroznĂ­ opat
enĂ­
- 27 (38) -

7.2 Koroze kov
Koroze kov mže být chemická nebo elektrochemická. K prvé pat
Ă­ psobenĂ­
kyseliny uhliité na železo, které probíhá podle rovnice:
2 Fe + 2 H2CO3 = 2 Fe2+ + 2 HCO3- + H2 [7.12]
astá je u kov koroze elektrochemická, spoívající v tvorb elektrochemic-
kých lánk. Jejich vznik mže být vyvolán kontaktem dvou rzných kov s
odlišnými standardními potenciály, p
ípadn u stejného kovu odlišnostmi jeho
struktury, nehomogenitou materiálu apod. Elektrochemickou korozi kov vý-
razn podporuje kyslík. Kyslík také v p
ípad koroze železa oxiduje uvolnné
ionty Fe2+ na Fe3+, hydrolyzujĂ­cĂ­ za vzniku Fe(OH)3, kterĂ˝ tvo
í známé rezavé
inkrusty. Tento dj lze vyjád
it rovnicĂ­:
4 Fe2+ + 10 H2O + O2 = 4 Fe(OH)3 + 8 H+ [7.13]
7.2.1 ProtikoroznĂ­ opatenĂ­
Boj proti korozi lze vést nkolika zpsoby:
1. volbou odolnjšího materiálu,
2. vytvá
ením ochranných povlak na kovových potrubích dávkováním
protikorozních látek do vody – anodických a katodických inhibitor
3. katodovou ochranou,
4. Ăşpravou vody.
Volba odolnjšího materiálu se uplatuje nap
. tam, kde je beton vystaven p-
sobení agresivní náporové vody. Pro odvádní agresivních odpadních vod se
používá potrubí z keramiky, které je však nákladné. Bžnjší je budování kana-
lizace menších profil z plast (Novodur), což vyžaduje vzhledem k jejich ma-
lé pevnosti dodržení p
edepsaných postup pro uložení. Umlohmotné materiá-
ly se uplatujĂ­ i p
i rozvodu pitné vody.
Nebezpeí zvýšené koroze jsou vystaveny chladicí okruhy s teplotou vody 60
až 100 oC (u tlakových i vyšší), za
ízení kotl a okruhy horké vody a páry.
Chladicí okruhy z ocelových potrubí jsou chránny dávkováním látek do vody,
vytvá
ejících ochranné povlaky z oxid na anodických místech (anodová
ochrana) nebo na katodických místech (katodová ochrana). K anodickým inhi-
bitorm pat
Ă­ chromany, dusitany, polyfosforenany, k
emiitany; ke katodic-
kým inhibitorm pat
í soli kov (zvlášt zinku), polyfosforenany a organické
inhibitory. Katodické inhibitory se obvykle aplikují spolen s anodickými.
Polyfosfáty (polyfosforenany) s potem P-atom 3 až 20 mají vedle protiko-
rozního úinku i úinek sekvestraní (brání vytvá
ení kompaktních nános).
Katodová ochrana spoívá v p
ipojení mén ušlechtilého kovu ke kovovému
potrubí, které je chránno tím, že se stává katodou, ímž je na nm zabránno
anodickým djm, spojených s rozpouštním kovu. Tohoto cíle lze dosáhnout i
vložením naptí na chránné potrubí.
Ochrana za
Ă­zenĂ­ p
ed korozĂ­ Ăşpravou vody se uplatuje u kotl a teplovodnĂ­ch
okruh odstranním látek, zpsobujících korozi (O2, CO2) - viz Modul 2, kapi-
tola 2.1 a kapitola 6.4 v tomto modulu.
Modul 4 – Voda v prmyslu, zemdlství a energetice
- 28 (38) -

7.3 Autotest
1. Na kterou sloĹľku betonu psobĂ­ agresivn
CO2 ve vod
?
a) Al2O3
b) Ca(HCO3)2
c) C3S
d) CaCO3
2. V em spoĂ­vajĂ­ korozĂ­vnĂ­ Ăşinky ettringitu vi betonu?
a) v uvolování volné kyseliny sírové
b) v rozpínavosti dané velkým potem molekul krystalové vody
c) v rozpouštní CaCO3
d) v náhrad Ca2+ kationem Mg2+
7.4 ShrnutĂ­
ada látek bžn obsažených ve vod má korozívní úinky vi betonu nebo
Ĺľelezu a oceli. Na beton psobĂ­ korozĂ­vn p
edevším agresivní CO2, který rea-
guje s CaCO3 v betonu. Experimentáln se tato vlastnost vody hodnotí Heyero-
vou zkouškou a podle Langelierova indexu. K dalším látkám, psobícím koro-
zĂ­vn na beton, pat
Ă­ sĂ­rany, ho
ík, amoniak a sulfan. Železo podléhá chemic-
ké korozi, zpsobené CO2, a elektrochemické korozi, kterou významn podpo-
ruje molekulární kyslík. Protikorozní opat
ení spoívají ve volb odolnjšího
materiálu, ve vytvá
ení ochranných povlak na kovových potrubích, v katodo-
vé ochran, p
Ă­padn v Ăşprav vody.



Dlicí metody na principu polopropustných membrán
- 29 (38) -

8 Dlicí metody na principu polopropustných
membrán
8.1 Charakteristika membránových proces
8.1.1 RozdlenĂ­ proces
Základem tchto postup jsou polopropustné membrány, propouštjící moleku-
ly vody a pak jen další ástice urité velikosti (koloidní a rozpuštné) nebo
uritého elektrického náboje (podle typu membrány). Oproti filtraci na filtraní
p
epážce se nejedná o prostý mechanický záchyt ástic vtších než je velikost
pór membrány, ale i o psobení adsorpních, p
ípadn i jiných sil, uplatující
se u ástic uvedené velikosti.V p
írod jsou takovými membránami bunné
blány organizm. Pro úely uvedené níže jsou vyrábny umle.
Polopropustné membrány jsou charakterizovány p
edevším velikostí ástic,
které je membrána schopna zachytit. Látky mají tendenci vyrovnat svoji kon-
centraci v celém roztoku, v nmž se nacházejí (pokud je v nkteré jeho ásti
koncentrace rozdílná), za p
edpokladu, že jim v tom nezabrání p
epážka, jakou
je nap
íklad polopropustná membrána. Psobíme-li mechanickým tlakem na té
stran membrány, kde se nachází koncentrovanjší roztok, potom proniká roz-
tok na její druhou stranu a koncentrace ástic, které vzhledem ke své velikosti
neprojdou, se v koncentrovanjším roztoku dále zvyšuje. Tento mechanický
tlak musĂ­ p
ekonat osmotický tlak, který psobí v opaném smru a je tím vt-
ší, ím vtší je rozdíl látkových koncentrací na obou stranách membrány.
V roztoku, který obsahuje ástice rzné velikosti, procházejí jen ty, jejichž ve-
likost je tak malá, že jejich prchodu membrána nezabrání. Mechanický tlak,
pot
ebnĂ˝ pro p
ekonání osmotického tlaku, je tím vtší, ím menší ástice
membrána zachytí.
Nkdy bývá k membránovým procesm za
azována i mikrofiltrace, u níž však
nenĂ­ filtranĂ­ p
epážkou polopropustná membrána. Mikrofiltrací se zachytí
suspendované ástice. Jen nejjemnjší mikrofiltry zachytí ástice velikosti
hrubé koloidní frakce. Podle typu filtraní p
epážky a použitého tlaku rozlišu-
jeme následující tlakové membránové