ترجمه: محمدحسین نشاطی

در این مقاله پیشرفت‌های ‌مربوط به تصفیه آب در گردش باز، شامل تغییر از تصفیه با فسفات/فسفونات به مواد شیمیائی تمام پلیمری کنترل پوسته و خوردگی؛ انتخاب بیوسیدهای اکسیدکننده و غیر اکسیدکننده برای به حداقل رساندن رسوبات بیولوژیکی؛ و ابزار آنالیتیکی پیشرفته برای کنترل دقیق شیمیایی آب خنک‌کاری بررسی شده است.

گروه رسانه‌ای پردازش- در صنعت فولادبه دلیل تولید بسیار زیاد حرارت و انتقال انرژی در کوره بلند، کوره بازی اکسیژنی (کنورتر) و کوره قوس‌الکتریکی، فرآیندهای تکمیل کاری فولاد و غیره، آب برای خنک‌کاری بسیار مهم است. بسیاری از مبدل‌های حرارتی بر خنک‌کاری به صورت مستقیم یا غیرمستقیم از سیستم‌های گردشی باز، یعنی شبکه های بر پایه برج خنک کننده متکی هستند. پوسته کردن، رسوب‌گذاری بیولوژیکی و خوردگی در این سیستم‌های خنک‌کاری می‌توانند مشکلات جدی ایجاد کنند و حتی ممکن است بر تولیدکارخانه تأثیر بگذارند.این مقالهبه بررسی پیشرفت‌ها و تحولات پیشتاز در تصفیه آب خنک‌کاری باگردش باز، به ویژه در ارتباط با جلوگیری ازخوردگی و پوسته می‌پردازد. همچنین تکنولوژی به‌سازی شده ای برای تصفیه آب بازیافتی از فرآیندهای پاشش (اسپری) مستقیم نیز بررسی شده است. این تکنولوژی می‌تواند صرفه جویی قابل‌توجهی را در هزینه کارخانه ارائه دهد.

مثلث پوسته کردن/خوردگی/رسوب‌‌‌گذاری بیولوژیکی

ناخالصی‌ها و میکروارگانیزم‌های موجود در آب (و در هوایی که وارد برج‌های خنک کننده می‌شوند) ازطریق مکانیزم‌هایمتنوعیبر تشکیل پوسته،خوردگی و رسوب‌گذاری بیولوژیکی تأثیر می‌گذارند.این مسائلمشکل ساز غالباًدرهم تنیده اند،همانطورکه در شکل (۱) نشان داده شده است.

     برای مثال، تشکیل پوسته و رسوبات بیولوژیکی، علاوه بر محدود کردن انتقال حرارت، می‌توانند باعث خوردگی زیر رسوبی و خوردگی شکافی هم بشوند.خوردگی، به نوبه خود،می‌تواند محصولاتی ایجاد کندکه ممکن است در جای دیگری رسوب کنند.

تکامل مهارکننده پوسته/خوردگی

همانطورکه شکل (۱) نشان می‌دهد، خوردگی، رسوبگذاری بیولوژیکی و تشکیل پوسته ممکن است تحت تأثیر عوامل دیگری قرار گیرند. روش‌های تصفیهبرای کنترل پوسته و خوردگیدر مقیاس بزرگی با هم تکامل یافته اند که در بخش زیر مورد بررسی قرار خواهند گرفت. مورد مهم این بحث، مرور مختصر اصول اساسی خوردگی است.      تمام مکانیزم‌های خوردگی از نظر ماهیت الکتروشیمیایی هستند، گرچه برخی، همانند خوردگی فرسایشی، تحت تأثیر عوامل مکانیکی نیز قرار دارند. شکل (۲) نموداری از مکانیزم خوردگی اولیه فولاد کربنی در آب هوادهی شده را ارائه می‌دهد.

     آهن در آند اکسیده می‌شود وبه صورت یون آهن دو ظرفیتی (Fe^+۲) وارد محلول می‌گردد. این فرآیند الکترون‌هایی را آزاد می‌نماید که ازطریق فلز به کاتد منتقل می‌شوند، در آنجا الکترون‌ها اکسیژن محلول را به یون‌های هیدروکسیل (OH^–) احیا می‌کنند. یون‌هایهیدروکسیل سپس با یون‌های آهن حل شده برای تکمیل مدار الکتریکی واکنش نشان می‌دهند و محصول اولیهFe(OH)_۲ را تشکیل می‌دهند، که همچنان اکسید می‌شود تا در نهایت زنگ، با فرمول پایه Fe_۲O_۳∙xH_۲O تشکیل شود. خوردگی کنترل نشده اکسیژن می‌تواند باعث آسیب شدید در شبکه های لوله کشی گردد و همچنین رسوباتی را ایجاد کند که ممکن است به صورت جزئی یا کامل از جریان جلوگیری نمایند. سایر واکنش‌های کاتدیک هم امکان پذیر است. یکی از رایج‌ترین آنها خوردگی در محلول‌های اسیدی است، که در آن واکنش کاتدی به صورت زیر است:

۲H⁺ + ۲e^– → H_۲↑                                                 (معادله ۱)

     این مکانیزم خوردگی را می‌تواندر آزمایشگاه با قرار دادن یک میله آهن در محلول اسید هیدروکلریک به راحتی نشان داد.تقریباً بلافاصله، حباب‌های هیدروژن شروعبه ظهور می‌کننددر حالی کهفلز به سرعت حل می‌شود.

     وظیفه مهارکننده های خوردگیکند کردنواکنش‌هادر آند، کاتد یاگاهی هر دو می‌باشد.این موضوع اکنونبه بحث در موردیک روش کار بسیارمتداول از قرن گذشتهکشیده می‌شود که از نظر ماهیت ساده بود اما کنترل خوب پوسته و خوردگی را نیز فراهم می‌کرد. مسائل زیست محیطیمستلزم کنار گذاشتن این تکنیک بود کهبه تغییر اساسی در روش تصفیه کشیده شد و اکنون با تحول در حال وقوع دنبال می‌شود.

روزهای خوب گذشته

در سال‌های منتهی به دهه ۱۹۷۰، رایج ترین روش برای محافظت در برابر خوردگی از فولاد کربنی بر پایه مواد شیمیائی کرومات با تغذیه اسید سولفوریک برای کنترل پوسته بود. این روش کار پوسته کردن کربنات کلسیم (CaCO_۳) توسط واکنش اسیدسولفوریک با یون‌های بی کربنات (HCO_۳^–) برای تبدیل یون‌ها به CO_۲ را که به صورت گاز رها می‌شوند و تمایل به پوسته کردن محلول را کاهش می‌دهند، مهار کرد. معادله ۲ نماینده این مواد شیمیائی است:

    (معادله ۲)                     H_۲SO_۴ + ۲NaHCO_۳ → ۲CO_۲ ↑ + Na_۲SO_۴ + ۲H_۲O

     دامنه معمول کنترل pH در حدود ۶٫۵ تا ۷٫۰ بود.ترکیب دومدر فرمولاسیون، کرومات دی سدیم (Na_۲Cr_۲O_۷)، یون‌هایکرومات رافراهم می‌کند که با فولاد کربنی واکنش نشان می‌دهند تالایه محافظی شبیه فولاد ضد زنگ، به ویژه در آب خنک‌کاری  اشباع از اکسیژن تولید شدهتوسط برج‌های خنک کنندهایجاد کند.روش‌های کار با کرومات‌اسید در بسیاری از کاربرد ها عملکرد به شدت خوبی داشتند، و کنترل مواد شیمیائی کاملاً ساده بود.

     برای مبدل‌های حرارتی با لوله های آلیاژ مس، مواد شیمیائی تکمیلی آزول (azole) برای محافظت از این فلزات رایج بود و هنوز هم هست. این مقاله مواد شیمیائی آزول را به طور عمیقی بررسی نمی‌کند، اما به طور خلاصه آزول ها نوعی ترکیبات آلی (حلقه بنزن در هسته) با گروه‌های عاملی نیتروژن هستند.

     گروه‌های نیتروژن به مس متصل می‌شوند، با حلقه های آلی صفحه مانند، لایه ای تک مولکولی را روی سطح فلز برای محافظت آن از محیط تشکیل می‌دهند. انواعی آزول، با گروه‌های جانبی مختلفی برای بهبود خواص اتصال و همچنین افزایش مقاومت آزول در برابر تخریب توسط سایر مواد شیمیایی مانند بیوسیدهای اکسیدکننده توسعه داده شده اند.