Водно-химический режим автомойки

Тихонов И. А.

В статье приводятся рассуждения по организации ВХР бесконтактной автомойки.

Для начала необходимо понять, какое качество воды действительно требуется для технических нужд автомойки. Какие примеси, содержащиеся в воде, могут быть причиной некачественной мойки автомобиля и как влияет химический состав воды на эффективность применения автомобильных моющих композиций?

Известно, что при высыхании воды после мойки на поверхности автомобиля могут оставаться белые разводы. Это происходит в том случае, если в воде содержится большое количество карбоната кальция. Давайте рассмотрим механизм образования данного налета.

Соли в воде изначально находятся в растворенном состоянии. Т.е. если в твердом состоянии мы наблюдаем натрий хлор, как всем известную поваренную соль, то в растворенном виде в воде содержаться катионы натрия и анионы хлора. Для того чтобы катион соединился с анионом и выделился из воды в твердом состоянии требуется перенасытить раствор по этой соли.

Дело с карбонатом кальция обстоит несколько иначе по сравнению с остальными солями. Растворимость карбоната кальция определяется углекислотным равновесием. Чем больше в воде катиона водорода (кислоты), тем выше концентрация карбоната кальция может быть в воде. Но в растворенном состоянии в воде преимущественно будет не карбонат кальция, а бикарбонат кальция. Растворение карбоната кальция как осадочной породы и перевод его в растворенную форму бикарбоната кальция происходит за счет того, что в воду попадает углекислый газ. Диоксид углерода взаимодействует с водой и образуется угольная кислота (Н₂СО₃), которая диссоциирует на катион водорода (Н⁺) и анион бикарбоната (НСО₃^—).

СО₂ + Н₂О = Н₂СО₃ = Н⁺ + НСО₃^—

Катион водорода растворяет карбонат кальция с образованием бикарбоната кальция. При этом один анион бикарбоната от гидролиза углекислоты, а второй от карбоната кальция.

СаСО₃ + Н⁺ + НСО₃^— = Са(НСО₃)₂

Данный процесс обратим. При удалении из воды углекислоты начинает образовываться твердый карбонат кальция. Определенной концентрации углекислоты в воде соответствует определенная концентрация бикарбоната кальция. Это называется углекислотный баланс воды. Когда данный баланс находится в равновесии индекс насыщения (Ланжелье) такой воды равен нулю.

Если внешние условия изменяются и диоксид углерода начинает удаляться из воды, то, соответственно, начинает образовываться твердый карбонат кальция.

При бесконтактной мойке автомобиля происходит интенсивное удаление диоксида углерода при распылении воды. Соответственно, создаются условия для выпадения карбоната кальция. Данное обстоятельство становится критичным в теплое или даже жаркое время года на солнце. Когда аэрированная вода на поверхности автомобиля быстро высыхает. При этом весь карбонат кальция выпадает на поверхности лакокрасочного покрытия и оставляет белые разводы. Для пресной воды (солесодержание до 1000 мг/л) содержащиеся в ней остальные соли не дадут такого неприятного эффекта. Из собственного опыта. Вода с жесткостью 6,0 мг-экв/л и щелочностью (НСО₃) 4,5 мг-экв/л дает устойчивый белый налет при мойке автомобиля на солнце даже без использования бесконтактной технологии.

Негативно на качество мойки может сказаться содержание в воде органического вещества. Как правило, почти всё органическое вещество в воде поверхностных источников представлено гумусовыми кислотами. Их концентрация характеризуется таким показателем как окисляемость. Для питьевой воды окисляемость должна быть не более 5,0 мгО₂/л. Для этого воду из поверхностного источника подвергают коагуляции. Чем выше окисляемость, тем больше вероятность некачественной мойки автомобиля по причине повышенного наличия в ней гумусовых кислот.

Если автомойка использует питьевую воду центрального водоснабжения, то как правило у нее низкая окисляемость и углекислотный баланс смещен в сторону растворения карбоната кальция. Т.е. углекислоты в воде содержится больше чем растворенного бикарбоната кальция. Вода коррозионно активна. Это происходит из-за того, что в процессе коагуляции в воде идет гидролиз солей алюминия по первой ступени с образованием либо серной, либо соляной кислоты (в зависимости от коагулянта – хлорид или сульфат алюминия) и часть бикарбонатов переходит в углекислый газ. При этом образовавшиеся в результате гидролиза соляная или серная кислоты переходят в соли кальция замещая бикарбонат, который перешёл в углекислоту.

В результате вода, прошедшая коагуляцию, имеет склонность к коррозии с водородной деполяризацией, т.к. углекислоты в воде теперь несколько больше, чем требуется для поддержания углекислотного равновесия существующего количества кальция.

Поэтому при использовании такой воды на автомойке, при умеренной жесткости воды, вероятность образования белого налета высока только в летний период. При этом отсутствует вероятность налета гумуса различного состава.

Если использовать воду из минерализованной артезианской скважины вероятность налета карбоната кальция чрезвычайно высока, но в артезианской воде, вследствие отсутствия контакта с атмосферным воздухом, отсутствует органическое вещество. Вода из поверхностного источника не прошедшая коагуляцию и осветление может вызывать и минеральные, и органические отложения на лакокрасочной поверхности автомобиля.

Существует еще один момент. Как химический состав воды влияет на приготовление моющего раствора? Мне удалось найти только общие рекомендации по этому вопросу. Т.е. для жесткой воды необходимо использовать шампуни с комплексообразователями. По аналогии с качественным стиральным порошком. При применении комплексообразователей соли жесткости входят в состав комплексона и тем самым повышают свою растворимость, но все равно имеют возможность выпадения в осадок только при более высоких концентрациях. Поэтому в состав шампуней должны входить фосфаты. Тогда кальций из воды будет удаляться в виде образования твердого гидроксилапатита, что должно настораживать в случае применения аппаратов бесконтактной мойки повышенного давления. Даже не являясь специалистом в данном вопросе понятно, что данные добавки довольно спорное решение и скорее требуются как вынужденная мера в случае использования для мойки жесткой воды. Это примерно также как в водоподготовке для паровых котлов. Комплексоны не являются заменой основной водоподготовки, а применяются только на стадии корректировки уже подготовленной воды.

В результате на основе представленных рассуждений можно дать несколько рекомендаций по разработке и ведению ВХР бесконтактных автомоек.

1. Исходную воду необходимо подвергнуть Na – катионированию. В результате вода будет умягчена. В ней вместо двух и трехвалентных катионов будет содержаться только одновалентный катион натрия. Натриевые соли не дадут налета или осадка на поверхности автомобиля после мойки даже в условиях интенсивного отгона углекислоты и быстрого высыхания воды. По крайне мере для воды с общим солесодержанием не более 1000 мг/л (пресная).
2. Для удаления органических кислот удобно использовать системы обратноосмотического обессоливания воды (обратный осмос). Во избегании быстрого засорения мембран обратного осмоса солями жесткости воду перед обратным осмосом следует умягчать.
3. Если воду предварительно не подвергали коагулированию и осветлению необходимо перед системой умягчения воды установить фильтры с песком и активным углем. Это продлит срок использования катионита и мембран обратного осмоса. Возможно потребуется дозирование гипохлорита натрия перед фильтром с загрузкой из кварцевого песка или аналогом.

Давайте рассмотрим каждый пункт по отдельности.

Стандартная схема Na – катионирования удобна в случае ее применения на автомойках, т.к. не требует очистки сточных вод. Умягченная вода используется на мойке и после отстойников сливается в канализацию. В отстойник также сливается вода в процессе регенерации катионита. В результате происходит естественное разбавление концентрированных по солям стоков регенерации установки умягчения, и в том случае, если солесодержание исходной воды менее 500 мг/л солесодержание сточной воды после смешения стоков регенерации и стоков мойки составит не более 1000 мг/л. Что соответствует нормативным требованиям. В зависимости от состава исходной воды это соотношение может меняться, но для большинства поверхностных вод с умеренной жесткостью это соотношение будет поддерживаться. Для исходной воды с жесткостью 4 мг-экв/л удельный расход поваренной соли, затрачиваемый для получения 1 кубического метра умягченной воды, составит около 0,5 кг, или 500 грамм/м³ (500 мг/л) (в случае грамотного ведения процесса умягчения и небольшого содержания натрия в исходной воде). Т.е. солесодержание смешанных стоков будет в два раза больше солесодержания исходной воды. Фактически в данном случае не будет требоваться утилизация сточных вод, что делает использование Na – катионитового умягчения воды очень удобным процессом для получения умягченной воды на автомойках.

Контроль за ведением процесса Na – катионитового умягчения воды просто и оперативно можно осуществлять при помощи методики описанной в статьях:

И.А. Тихонов, Простой способ узнать, работает ли установка Na – катионирования воды или нет. Журнал С.О.К. №12 (228) декабрь 2020

И.А. Тихонов, Способ контроля процесса Na – катионирования воды.  Журнал С.О.К. №03 (231) март 2021

Использование данного способа контроля не требует специальной подготовки операторов. На данный способ контроля получен патент на изобретение № 2744346 «Способ контроля работы установки Na – катионирования воды» от 15.09.2020 г. Данный способ контроля успешно внедрен в нескольких паровых котельных г. Саратова, а также на бесконтактной автомойке в городе Энгельс (Саратовская область).

Важно отметить, что при отсутствии контроля за умягчением воды, при недостаточном количестве регенераций, установка Na – катионирования начинает работать в режиме Ca, Mg – катионирования. Т.е. накопленные на катионите соли жесткости при отсутствии регенерации начинают обмениваться с ионами натрия исходной воды. В результате жесткость воды после такой установки «умягчения» становится даже больше исходной жесткости. К примеру, при жесткости исходной воды равной 4,0 мг-экв/л жесткость «умягченной» воды при недостаточной регенерации с определенной периодичностью доходит до 6,5 мг-экв/л. В этом случае вообще лучше работать без установки умягчения. Поэтому качественный контроль установки умягчения есть главное условие успешного ВХР автомойки, как, впрочем, и других потребителей, требующих умягченную воду.

Для полного удаления органики из воды, а также уменьшения солесодержания воды удобно использовать системы обратноосмотического обессоливания воды. Для данных целей достаточно использовать самые низкоселективные обратноосмотические мембраны. В любом случае уменьшение солесодержания фильтрата после обратного осмоса по отношению к исходной воде будет говорить о полном удалении органики из воды. Даже самые маленькие органические кислоты значительно больше отдельных ионов. Тем более, что использование высокоселективных мембран приведет к получению фильтрата обратного осмоса со значением рН ниже чем 6,0 (для большинства поверхностных вод гидрокарбонатного типа). При этом производители автошампуней допускают использование воды с диапазоном рН от 6,0 до 9,0.

Использование низкоселективных мембран будет требовать меньшего давления для осуществления процесса обратноосмотического разделения воды. Можно использовать относительно дешевые мембраны, аналоги мембран известных фирм. Только необходимо учесть, что диапазон значений рН моющего раствора мембран-аналогов должен быть 2,0-11,0, (а не 1,0 – 12,0 для дорогих мембран известных производителей). Это говорит о том, что дешевые мембраны будут деградировать после химических моек осмоса гораздо быстрее, чем дорогие мембраны. Это требует качественной предварительной подготовки воды перед обратным осмосом. В случае с автомойкой это требование в любом случае должно выполняться (Коагуляция-осветление, умягчение).

В данном случае можно сказать, что контроль качества фильтрата установки обратного осмоса должен осуществляться по электропроводности фильтрата и исходной воды. Уменьшенное значение электропроводности (солесодержания) фильтрата по отношению к исходной воде уже говорит о качественной работе осмоса в данном случае. При этом важно убедиться в отсутствии подмеса, что может происходить и внутри корпуса обратноосмотических мембран. По моему мнению, для целей автомойки, говорить о некой высокой селективности обратноосмотических установок (96-99 %) не имеет необходимости, т.к. к фильтрату (пермеату) для целей мойки не предъявляется требования как к дистилляту, или к питательной воде паровых котлов высокого давления. Но только в том случае, если перед осмосом осуществляется умягчение воды.

Подводя итог: использование Na – катионитового умягчения предварительно подготовленной (осветленной) воды с последующим обратноосмотическим обессоливанием позволяет получить подготовленную воду для проведения качественной бесконтактной мойки автомашин. При этом образующиеся сточные воды системы водоподготовки не будут требовать дополнительной очистки перед сбросом в канализацию. В любом случае (есть водоподготовка или нет) будет требоваться коагуляции и отстаивания сточной воды после мойки автомобилей.

Крайне интересным представляется использование оборотной системы водопотребления. Этому будет посвящена отдельная статья.