Usuwanie gazów z wody – odgazowywanie i dekarbonizacja

Poza rozpuszczonymi minerałami, woda zawiera też pewne ilości rozpuszczonych gazów. Mowa tu nie tylko o głównych składnikach powietrza, którymi są azot i tlen, lecz także o wykazującym silne działanie korozyjne dwutlenku węgla, czy gazach używanych do dezynfekcji wody. Aby zapewnić bezawaryjną i długotrwałą pracę instalacji, czasami konieczne jest przeprowadzenie procesów odgazowywania i dekarbonizacji.

Gazy w cieczach

Zawarte w wodzie gazy mogą występować w formie rozpuszczonej i nierozpuszczonej. Ich rozpuszczalność zależna jest od ciśnienia cząstkowego i temperatury wody. Korelację tę opisuje prawo Henry'ego, zgodnie z którym rozpuszczalność gazów w cieczach rośnie wraz z obniżeniem temperatury i wzrostem ciśnienia. To właśnie dlatego wrząca woda jest praktycznie wolna od gazów rozpuszczonych. Tłumaczy to też czemu w systemach przemysłowych gazy usuwane są zazwyczaj w miejscach o najwyższej temperaturze lub niskim ciśnieniu, na przykład w kotle lub w najwyższych miejscach systemów grzewczych.  

Rozpuszczonych gazów nie widać w wodzie. Gdy jednak woda osiąga stan nasycenia gazem i żaden inny gaz nie może się już w niej rozpuścić, w cieczy zaczynają tworzyć się pęcherzyki. Można analogicznie porównać to do sytuacji rozpuszczania cukru w szklance wody - gdy rozpuścimy maksymalną objętość, roztwór staje się nasycony i nie jesteśmy w stanie rozpuścić więcej cukru. Osobnym rozdziałem są też procesy fermentacji w browarnictwie lub innych gałęziach przemysłu spożywczego, w których wytwarzany jest dwutlenek węgla.

Czy obecność gazów w wodzie jest szkodliwa?

Woda jest mieszaniną zawierającą między innymi rozpuszczone gazy, dlatego obecność azotu i tlenu w instalacjach jest zjawiskiem naturalnym. Gazów tych nie można jednak lekceważyć, ponieważ przyczyniają się do powstawania korozji, a w instalacjach grzewczych utrudniają transport ciepła. Główną przyczyną problemów związanych z obecnością gazów w systemach grzewczych lub obiegach chłodniczych (tzw. napowietrzaniem) jest azot. Szczególnie podatne na napowietrzanie są obiegi chłodnicze, ponieważ (zgodnie z prawem Henry'ego) w niższych temperaturach gazy rozpuszczają się lepiej. Przesycenie wody w obiegu gazami prowadzi do wydzielania się azotu w postaci wolnego gazu.

Jak gazy dostają się do wody?

Gazy dostają się do obiegów zamkniętych głównie podczas napełniania instalacji i uzupełniania wody, a także podczas napraw. Nie bez znaczenia są też przepuszczalne części - im więcej elementów z tworzywa sztucznego i elastycznych przyłączy znajduje się w instalacji, tym łatwiejsza jest dyfuzja gazów do obiegu grzewczego lub chłodniczego. Gazy uwalniane są też podczas procesów gnilnych i reakcji chemicznych. Mowa tu między innymi o procesie fermentacji, który jest ważną częścią przemysłu spożywczego. W niektórych przypadkach, gazy takie jak chlor, dwutlenek chloru czy ozon, dodaje się do wody celowo, w celu jej dezynfekcji.

Które gazy w wodzie są niepożądane?

Tlen
Będąc gazem bardzo aktywnym chemicznie, tlen w instalacji grzewczej lub chłodniczej bardzo szybko ulega reakcji. Przy obecności tlenu w wodzie dochodzi więc do przyspieszonej korozji elementów metalowych instalacji.

Azot
W przeciwieństwie do tlenu, azot jest gazem obojętnym i nie wchodzi w reakcje chemiczne. Początkowo występuje w instalacji w formie rozpuszczonej, lecz gdy wzrośnie jego koncentracja, w wodzie pojawiają się pęcherzyki powietrza. Są one niebezpieczne, ponieważ gromadzą się tworząc poduszki gazowe, które zakłócają pracę armatury hydraulicznej i mają negatywny wpływ na efektywność energetyczną instalacji grzewczych i chłodniczych.

Dwutlenek węgla
Pod względem przemysłowym, technicznym i gospodarczym, szkodliwy może być też rozpuszczony w wodzie dwutlenek węgla. Szczególnie niebezpieczna jest jego agresywna odmiana, która powoduje korozję konstrukcji metalowych i przewodów betonowych. Dwutlenek węgla odgrywa jednak bardzo ważną rolę w przemyśle spożywczym, a zwłaszcza przy produkcji napojów. Bardzo ważne jest odpowiednie dostosowanie stężenia dwutlenku węgla w zależności od procesu, a także usunięcie go przed wykonaniem analiz laboratoryjnych.

Odgazowanie wody
Odgazowanie wody to usuwanie lub redukcja rozpuszczonego w wodzie tlenu, dwutlenku węgla i innych gazów. Aby sprecyzować, których gazów się pozbywamy, możemy używać pojęcia odtlenianie lub dekarbonizacja. Jak sama nazwa wskazuje, odtlenianie to usuwanie tlenu. Pojęcie dekarbonizacji w przemyśle wodnym odnosi się z kolei do każdej technologii prowadzącej do zmniejszenia zawartości związków węgla w wodzie. Istnieją różne metody odgazowywania wody, między innymi odgazowywanie próżniowe, termiczne, membranowe, chemiczne, odgazowywanie oparte na absorpcji czy odgazowywanie parą wodną.

Odgazowywanie próżniowe,
Odgazowywacze próżniowe wykorzystują pionowy zbiornik ciśnieniowy i pompy próżniowe do ciągłego usuwania niepożądanych gazów z cieczy. Pompy obniżają ciśnienie w zbiorniku (wytwarzają próżnię), obniżając w ten sposób temperaturę wrzenia wody. Prowadzi to do uwalniania się tlenu, który jest następnie usuwany.

Odgazowanie termiczne
Odgazowywacze termiczne bazują na procesie fizycznym, który polega na usuwaniu rozpuszczonych gazów poprzez wykorzystanie ich nierozpuszczalności w wysokich temperaturach. W celu usunięcia gazów ze strumienia wody wykorzystuje się ciepło pary.

Odgazowywanie membranowe
Odgazowywacze membranowe, do usuwania rozpuszczonych gazów wykorzystują hydrofobową, przepuszczającą gazy membranę. 

Odgazowanie chemiczne

Odgazowywanie chemiczne polega na wtryskiwaniu do wody chemikaliów, takich jak wodorosiarczan sodu, hydrazyna lub aminy, które powodują usunięcie rozpuszczonych gazów z wody w wyniku reakcji chemicznej.

Odgazowanie oparte na absorpcji
Ten rodzaj odgazowywania wykorzystuje przeciwprądowy strumień gazu odpędowego, który pochłaniania rozpuszczony gaz i usuwa go ze strumienia cieczy.

Odgazowywanie parą wodną
Odgazowywanie parą wodną wykorzystuje wysokociśnieniową parę wodną, która wtryskiwana jest na dno kolumny odpędowej w celu usunięcia ze strumienia cieczy lotnych związków organicznych lub rozpuszczonych gazów, takich jak amoniak.

Oznaczanie tlenu i dwutlenku węgla
Obecnie tlen oznaczany jest prawie wyłącznie elektrochemicznie, przy wykorzystaniu woltamperometrii. Jest to technika elektrochemiczna, która polega na pomiarze natężenia prądu przepływającego przez elektrodę w funkcji przyłożonego do niej potencjału. Wykorzystywana jest tu zależność, że wartość prądu dyfuzji jest wprost proporcjonalna do zawartości tlenu w roztworze. W oznaczaniu zawartości dwutlenku węgla stosowane są z kolei metody chemiczne, w tym miareczkowanie (bezpośrednie i pośrednie) lub fizyczne, z których najczęściej stosuje się metody manometryczne oraz spektrometrię w podczerwieni. Należy zauważyć, że na rynku dostępne są również techniki, które nie wymagają odgazowania próbki. Na potrzeby browarów dostępne są na przykład automatyczne analizatory oparte na wykorzystaniu spektrometrii bliskiej podczerwieni (NIR) z rurką oscylacyjną wypełnioną nadciśnieniem. Przyrządy są w stanie bezpośrednio określić nie tylko zawartość alkoholu w napoju, lecz także ilość rozpuszczonego dwutlenku węgla i tlenu oraz gęstość próbki.

Usuwanie gazów z wody - podsumowanie
Główną przyczynę problemów związanych z napowietrzaniem instalacji stanowi obecność azotu. Jego zwiększona ilość w wodzie grzewczej prowadzi do obniżenia efektywności przewodzenia ciepła, co wypływa też na podwyższone koszty zużycia energii. Obecność tlenu, który jest gazem bardzo aktywnym chemicznie, wspomaga z kolei rozwój bakterii i przyspiesza procesy korozyjne. Dwutlenek węgla również może być szkodliwy pod względem przemysłowym i technicznym, gaz ten odgrywa jednak kluczową rolę w przemyśle spożywczym. Rozwiązaniem problemu jest dobór właściwej metody uzdatniania wody i odpowiednia profilaktyka. Zapraszamy do kontaktu.