Według danych Organizacji Narodów Zjednoczonych 20% wody zużywane jest w procesach przemysłowych. W krajach zindustrializowanych ta liczba może wzrosnąć nawet do 80%. Znaczna część tej wody jest używana do procesów chłodzenia, gdzie systemy przepływowe i wieże chłodnicze wykorzystują ją do chłodzenia krytycznych procesów, takich jak skraplanie w elektrowniach, systemach rafinacji ropy naftowej i zakładach chemicznych oraz w systemach klimatyzacji indywidualnej/HVAC (ogrzewania, wentylacji, klimatyzacji).
W związku z rosnącym zapotrzebowaniem na wodę w skali globalnej znaczny nacisk położono na rozwój technologii ograniczających zużycie wody i usprawniających recykling zasobów wodnych.
Wraz ze znacznym rozwojem przemysłowym, osiągnięto niewielki postęp w technologiach, zmniejszających wpływ na środowisko zrzutów z procesów przemysłowych, które zakłócają delikatną równowagę składników odżywczych w dolnym biegu rzeki.
Nowe metody badawcze stosowane w ciągu ostatnich 10 lat zaowocowały nowatorskim postrzeganiem chemii w systemach chłodzenia wody i postępem w projektowaniu chemicznym. To nowe podejście do inżynierii warstw pasywnych w systemach wodnych pozwala firmom wyeliminować używanie nadmiaru biogenów, takich jak fosforany, metale ciężkie, np. cynk, oraz stosowania szkodliwych kwasów. Może to również poprawić bezpieczeństwo operatora, zwiększyć tempo produkcji i pozwala ponownie wykorzystać wodę w systemach chłodzenia.
Od czasu wprowadzenia regulacji i odrzucenia sposobu uzdatniania wody chłodzącej na bazie chromu sześciowartościowego, w przemyśle stosuje się technologie na bazie fosforanów w celu zahamowania procesu osadzania i korozji w systemach wody chłodzącej. Cząsteczki na bazie fosforanów w różnych formach chronią zasoby operacyjne zakładów produkcyjnych przed awarią, jednocześnie umożliwiając tym zakładom zmniejszenie zużycia wody o 75–90%.
Jednak technologia bazująca na fosforanach wiąże się z wieloma wyzwaniami. Bez dodatku zaawansowanych dyspergatorów polimerowych materiały te mogą powodować awarie zasobów produkcyjnych w wyniku osadzania się, ograniczania przepływu i korozji poosadowej. W polimerach tych dokonano znacznych ulepszeń, w tym opracowano specjalne dyspergatory terpolimerowe, takie jak wiodąca w branży technologia polimerów odpornych na stres (ang. Stress Tolerant Polymer – STP).
Technologia ta, w połączeniu z polimerami takimi jak wzmocniony czynnik alkaliczny (ang. Alkaline Enhanced Chemistry – AEC), jest liderem w redukcji poziomu fosforanów, w niektórych przypadkach nawet do 60%. Jednak nawet niewielka ilość fosforanów pozostająca w skoncentrowanych strumieniach zrzutu wody chłodzącej może stać się problemem.
Oprócz wyzwań związanych z kontrolą procesu osadzania, fosforan może mieć znaczący wpływ na środowisko i ekologię w dolnym biegu rzeki. Fosforan jest składnikiem odżywczym ograniczającym wzrost biologiczny, dlatego jego nadmiar w wodzie może powodować dodatkowy wzrost organizmów biologicznych, które nie rozwijałyby się bez obecności fosforanu.
Jednym z największych problemów odnotowywanych obecnie w rejonie Wielkich Jezior, jest intensywny wzrost glonów spowodowany obecnością nadmiaru fosforanów. Glony mogą być szkodliwe dla innych organizmów i negatywnie wpływać na otaczającą ekologię. Stwierdzono, że pół kilograma fosforu może wytworzyć do 230 kg mokrych glonów. Rozrost glonów może oddziaływać na zdolność zakładu produkcyjnego do oczyszczania wody przed odprowadzeniem jej do środowiska i skutkować karami oraz potencjalnymi stratami w produkcji.
Ze względu na tak znaczący wpływ na środowisko, organy zajmujące się regulacjami ograniczają lub są w trakcie ograniczania limitów zrzutu fosforu z zakładów. Limity zrzutu są tak niskie, że stosowanie materiałów na bazie fosforanów w systemach wody chłodzącej jest nieskuteczne i nie pozwala osiągnąć pożądanej wydajności. Aby sprostać zmieniającym się wymogom przemysłu i eliminacji fosforu z systemów wody chłodzącej, firmy zajmujące się uzdatnianiem wody opracowywały i wdrażały rozwiązania niebazujące na fosforze. Istnieje kilka różnych metod o zróżnicowanych korzyściach, które można zastosować w celu przestrzegania ograniczeń dotyczących zrzutów fosforu. Najpopularniejsza z nich polega na wykorzystaniu cynku w połączeniu z polimerem kwasu karboksylowego, co eliminuje konieczność stosowania fosforu. Cynk, po raz pierwszy zastosowany ponad 30 lat temu, jest dobrze znanym i powszechnie stosowanym czynnikiem hamującym korozję. Niestety, może on powodować problemy z osadzaniem się i stanowi jedno z głównych zanieczyszczeń uznawanych za szkodliwe dla środowiska. Ogólnie rzecz biorąc, metoda ta działa dobrze, ale ma istotne wady dotyczące środowiska.
W ostatnich kilku latach wiele firm zaczęło stosować chlorek cyny (cynę) w połączeniu z kwasem poliasparaginowym, glukarowym lub sacharowym. Cyna, zwykle podawana na 2–3 razy wyższym poziome niż dla cynku, przy znacznie wyższych kosztach, może zapewnić poprawę kontroli korozji w porównaniu z systemem nieuzdatnionym, ale tylko w wodach bez obecności utleniacza, jak podchloryn lub brom.
Utleniacze te są powszechnie podawane w sposób ciągły do systemów wody chłodzącej w celu kontroli życia biologicznego. Materiały cynowe mają wiele stanów utlenienia, a w systemie wody chłodzącej z obecnymi utleniaczami cyna szybko utlenia się do postaci nierozpuszczalnej i wytrąca się w wodzie, czyniąc ją nieprzydatną do kontroli korozji. Ponadto cyna ma stały iloczyn rozpuszczalności podobny do soli fosforanu wapnia, co oznacza, że może powodować osadzanie się i awarie, podobnie jak materiał na bazie fosforanu.
Ostatnim problemem materiałów cynowych jest to, że mogą one powodować bezpośrednią korozję galwaniczną w zasobach produkcyjnych, takich jak wymienniki ciepła. Wiele firm próbowało stosować kwasy karboksylowe do sekwestracji cyny i utrzymania jej w stanie rozpuszczalnym, co sprawdza się w czystych, opracowanych produktach chemicznych.
Jednak po wprowadzeniu produktu do systemu wody chłodzącej, kwas karboksylowy uwalnia cynę, na którą oddziałują utleniacze i metale systemowe.
Jak więc firmy mogą realizować cele w zakresie zrównoważonego rozwoju i ochrony środowiska, korzystając z opłacalnego rozwiązania? Poprzez korzystanie z nowych technologii opartych na specjalnie opracowanych warstwach.
Zamiast rozwijania anodowych lub katodowych środków antykorozyjnych, które skutecznie kontrolowałyby komórkę korozyjną, zespół SUEZ zdefiniował na nowo znane mechanizmy kontroli korozji. Wykorzystując szereg technik rozpoznających każdą powłokę antykorozyjnej warstwy pasywnej (o grubości <150 nm) na powierzchni metalu, zespół poświęcił 15 lat na opracowanie metod i środków chemicznych, aby stworzyć wytrzymałą, ochronną warstwę w roztworze wodnym, niehamującą przepływu ciepła i cieńszą niż w poprzednich technologiach opartych na fosforanach.
Opracowana przez SUEZ technologia tworzenia warstwy E.C.O. (ang. Engineered carboxylate oxide) pozwala klientom spełniać zmieniające się przepisy o ochronie środowiska lub osiągać wyższe normy i podejmować znaczące kroki w kierunku osiągnięcia celów zrównoważonego rozwoju. Ta pozbawiona fosforu technologia, choć może zawierać jego śladowe ilości, redukuje toksyczność w środowisku wodnym, zmniejsza szkodliwy rozwój glonów i ich zakwity oraz umożliwia ponowne wykorzystanie wody.
Zapewnia ona również te same standardy wydajności i ochrony, jakich oczekują operatorzy systemów wody chłodzącej od tradycyjnych środków chemicznych.
Warstwa E.C.O. wykorzystuje technologię polimerową opartą wyłącznie na polimerach zawierających węgiel, wodór i tlen (CHO). W systemie wody chłodzącej technologia CHO gruntuje powierzchnię metalu i pomaga w tworzeniu pasywnej warstwy tlenku metalu, a następnie pomaga chronić tlenek metalu za pomocą ochronnej, dynamicznej, heterogenicznej warstwy pokrywającej.
Tworzenie warstwy trwa od kilku minut do kilku godzin, a nie dni lub tygodni, ponadto jej grubość jest samoistnie ograniczona. Oznacza to, że warstwa ochronna nigdy nie wzrośnie do poziomu, w którym osadzanie mogłoby spowodować problemy produkcyjne. Jej grubość pozostaje na poziomie 20–50 nm.
W niektórych zastosowaniach, w celu zwiększenia ochrony antykorozyjnej, stosuje się opatentowany katalizator tworzenia warstwy powierzchniowej (SFFC). Katalizator ten jest skierowany tylko na powierzchnię metalu (nie znajduje się w warstwie pokrywającej) i pomaga wytworzyć silniejszą pasywną warstwę tlenku metalu w korozyjnych warunkach wodnych. Zwykle podawany na poziomie o 92% niższym niż cynk i o 96% niższym niż cyna, SFFC jest doskonałym wyborem dla ekologicznego, niewymagającego fosforu sposobu uzdatniania.
W niektórych zastosowaniach udokumentowano, że żywotność zasobów (czas do momentu awarii) może być 10–20 razy dłuższa dzięki lepszej ochronie antykorozyjnej warstwy E.C.O. W przeciwieństwie do technologii wykorzystującej cynę, jest ona w 100% stabilna względem halogenu/utleniacza, więc niezależnie od ilości podchlorynu lub utleniacza podawanego w celu kontroli wzrostu biologicznego, będzie nadal działać i zapobiegać szkodliwej korozji i osadzaniu.
Technologia ta pozwala zakładom produkcyjnym zminimalizować ilość fosforu odprowadzanego do odpływów, co z kolei zapobiega niekorzystnemu rozwojowi glonów i eutrofizacji zasobów słodkowodnych. Dzięki temu zakłady mogą spełniać zmieniające się przepisy dotyczące odprowadzania fosforu lub osiągać wyższe normy i zapobiec kosztownemu osadzaniu się związków na bazie fosforanów.
Suez Water Technologies & Solutions
Michał Strzałkowski
tel. 504 819 800 michal.strzalkowski@suez.com
