Fizykochemiczne aspekty powstawania kamienia kotłowego oraz wpływ pola magnetycznego na właściwości wody

1. Wprowadzenie

Woda (H2OH_2O) jest związkiem chemicznym o unikalnych właściwościach fizycznych i chemicznych, takich jak wysokie ciepło właściwe, duże napięcie powierzchniowe oraz zdolność rozpuszczania wielu substancji. W warunkach naturalnych stanowi roztwór związków organicznych i nieorganicznych, których obecność wynika zarówno z procesów geochemicznych, jak i działalności człowieka.

Obecność soli i zanieczyszczeń w wodzie prowadzi do wytrącania osadów na powierzchniach instalacji grzewczych oraz inicjuje procesy korozyjne. Szczególnie istotne są sole wapnia, magnezu i krzemionka, które po przekroczeniu iloczynu rozpuszczalności w danej temperaturze wytrącają się w postaci osadów stałych.

2. Typy kamienia kotłowego

Ze względu na dominujące składniki mineralne wyróżnia się trzy podstawowe typy kamienia kotłowego:

• Kamień węglanowy – zawiera głównie węglan wapnia (CaCO₃) i węglan magnezu (MgCO₃). Może występować w formie porowatego osadu o niskiej przewodności cieplnej lub w postaci twardych złogów.

• Kamień siarczanowy – powstaje z siarczanu wapnia (CaSO₄) w różnych formach uwodnionych. Charakteryzuje się dużą twardością i niższą przewodnością cieplną niż kamień węglanowy.

• Kamień krzemianowy – zawiera krzemiany wapnia i magnezu oraz glinokrzemiany. Wyróżnia się największą twardością i najniższą przewodnością cieplną.

3. Skutki osadzania kamienia

Kamień kotłowy powstaje w urządzeniach podgrzewających wodę, takich jak kotły, bojlery czy grzałki elektryczne. Jego obecność powoduje:

• obniżenie sprawności cieplnej instalacji,

• wzrost zużycia energii,

• lokalne przegrzewanie elementów metalowych, prowadzące do ich osłabienia i pęknięć,

• korozję oraz zaburzenia hydrauliczne.

Warstwa kamienia o grubości 1 mm obniża wydajność cieplną o około 9,3%, co przekłada się na znaczące straty energetyczne i ekonomiczne.

4. Metody ograniczania powstawania kamienia

Tradycyjne metody chemiczne, polegające na stosowaniu inhibitorów osadzania, wiążą się z wysokimi kosztami i ryzykiem zanieczyszczenia środowiska. Dlatego poszukuje się alternatywnych rozwiązań, takich jak:

• ultradźwięki,

• promieniowanie UV,

• pole elektryczne i magnetyczne.

5. Magnetyczne uzdatnianie wody

Pierwsze urządzenie wykorzystujące pole magnetyczne do uzdatniania wody opatentował Vermeiren w 1953 roku. Obecnie dostępne są liczne magnetyzery bazujące na stałym polu magnetycznym. Ich zalety to niski koszt eksploatacji, łatwość montażu oraz brak konieczności stosowania środków chemicznych.

Badania wskazują, że pole magnetyczne wpływa na proces krystalizacji węglanu wapnia i siarczanu wapnia poprzez:

• promowanie powstawania aragonitu zamiast kalcytu,

• zmianę potencjału zeta cząstek,

• inicjowanie homogenicznej precypitacji węglanu wapnia w objętości cieczy.

Efekty te utrzymują się do około 200 godzin i określane są mianem „pamięci magnetycznej”.

6. Mechanizmy oddziaływania pola magnetycznego

Proponowane mechanizmy obejmują m.in.:

• zaburzenia równowagi na granicy faz gaz–woda,

• wpływ na hydratację jonów węglanowych i wapniowych,

• zmiany w strukturze klasterów wody poprzez osłabienie wiązań wodorowych,

• pogrubienie warstwy adsorpcyjnej jonów, co obniża szybkość koagulacji.

7. Wnioski

Pomimo braku jednolitej teorii wyjaśniającej mechanizm działania magnetyzerów, technologia ta pozostaje przedmiotem intensywnych badań i zainteresowania rynku. Skuteczność urządzeń jest zmienna i zależy od wielu czynników, takich jak natężenie pola, czas ekspozycji, pH czy obecność zanieczyszczeń. Z każdym dniem pojawiają się nowe rozwiązania, coraz bardziej skuteczne.

Literatura

1. J. Stańda, Woda dla kotłów parowych i obiegów chłodzących siłowni cieplnych, WNT, Warszawa 1995.
2. mariex.info.wizytowka.pl/
3. ogrzewnictwo.pl/index.php?akt_cms=225&cms=272
4. Saksono, M. Gozan, S. Bismo, E. Krisanti, R.Widaningrum, S. K. Song, Korean J. Chem. Eng., 25(2008) 1145.
5. elektra.internetdsl.pl/idm.htm
6. gp-grup.com.pl/clean.html
7. akra.pl
8. bel-system.pl
9. J.L. Toledo, T.C. Ramalho, Z.M. Magriotis, J.Molecular Structure 888(2008) 409.
10. Colic, D. Morse, Colloids Surf.  A.  154(1999) 167.
11. Nakagawa, N. Hirota, K. Kitazawa, M. Shoda, J. Appl. Phys. 86 (1999) 2923.
12. C. Amiri, A.A. Dadkhah, Colloids Surf.  A. 278 (2006), 252.
13. Deng, X.F. Pang, Chinese Sci. Bull. 52 (2007), 3179.
14. Hołysz, A. Szcześ, E Chibowski, J. Colloid Interface Sci.316 (2007) 996–1002.
15. F. Pang, B. Deng, Physica B403 (2008) 3571.
16. F. Pang, B. Deng, Sci. China Series G: Physics, Mech. Astron.51 (2008) 1621.
17. J.L. Toledo, T.C. Ramalho, Z.M. Magriotis, J. Mol. Struct. 888 (2008) 409.
18. Higashitani, J. Oshitani, J. Colloid Interface Sci. 204 (1998) 363.
19. Gabrielli, R. Jaouhari, G. Maurin, M. Keddam, Water Res.35 (2001) 3249.
20. Szcześ, E. Chibowski, L. Hołysz, P. Rafalski, Chem. Eng. Processing: Process Intensification50(2011) 124.
21. Szcześ, E. Chibowski, L. Hołysz, P. Rafalski, J. Phys. Chem. A, 115(2011),5449
22. E.L Madsen, J. Crystal Growth152 (1995) 94.
23. Kobe, G. Dražić, A. C. Cefalas, E. Sarantopoulou, J. Stražišar, Cryst. Eng. 5 (2002) 243.
24. Chibowski, L. Hołysz, A. Szcześ, Colloids Surf.  A. 222 (2003) 41.
25. Kobe, G. Dražić, P.J. McGuiness, T. Meden, E. Sarantopoulou, Z. Kollia, A. C. Cefalas. Mater. Sci. Eng. C23 (2003) 811.
26. Hołysz, E. Chibowski, A. Szcześ, Water Res.37 (2003) 3351.
27. Chibowski, L. Hołysz, A. Szcześ, M. Chibowski. Water Sci. Techy. 49 (2004) 169.
28. Alimi, M.M. Tlili, C. Gabrielli, M. Georges, M. Ben Amor, Water Res. 40 (2006) 1941.
29. E.L. Madsen, Theory of electrolyte crystallization in magnetic field. J. Crystal Growth. 305(2007) 271.
30. C. Cefalas, S. Kobe, G. Dražic, E. Sarantopoulou, Z. Kollia, J. Stražišar, A. Meden, Appl. Surf. Sci.254 (2008), 6715.
31. Alimi, M.M. Tlili, M. Ben Amor, G. Maurin, C. Gabrielli. Chem. Eng. Proc. 48 (2009) 1327.
32. M.D. Coey, S. Cass, Magnetic water treatment, Journ. Magn. Magn. Mat. 209(2000) 71.
33. Higashitani, A. Kage, S. Katamura, K.  Imai, S. Hatade, J. Colloid Interface Sci.156 (1993) 90.
34. Gher, Z.A. Zhai, J.A. Finch, S. Ram Rao, Wat. Res.29 (1995) 933.
35. Chibowski, A. Szcześ, L. Hołysz, Langmuir21 (2005) 8114.
36. A. Parsons, B.L. Wang, S.J. Judd, T. Stephenson, Wat. Res.31 (1997) 339.
37. S. Backer, S.J. Judd, Wat. Res.30 (1996) 247.
38. Al-Qahtani, Desalination107 (1996) 75.
39. Y. Tai, C-K. Wu, M.-C. Chang, Chem. Eng, Science,63 (2008) 5606.
40. Alimi, M. Tlili, M. Ben Amor, C. Gabrielli, G. Maurin, Desalination206 (2007) 163.
41. Higashitani, K. Okuhara, S. Hatade, J. Colloid Interface Sci.152 (1992) 125.
42. Higashitani, H. Iseri, K. Okuhara, A. Kage, S. Hatade, J. Colloid Interface Sci.172 (1995) 383.
43. Oshitani, R. Uehara, K. Higashitani, J. Colloid Interface Sci.209 (1999) 374.
44. Vallée, J. Lafait, L. Legrand, P. Mentré, M-O. Monod, Y. Thomas, Langmuir 21 (2005) 2293.
45. Knez, C. Pohar, J. Colloid Interface Sci. 281 (2005) 377.
46. Higashitani, J. Oshitani. N. Ohmura, Colloids Surf. A109 (1996) 167.