Вода для заливки льда

Иван Тихонов

Аннотация

В статье рассматривается, каким образом примеси в воде могут влияют на качество льда. Конечно не льда для напитков, а льда для проведения спортивных мероприятий.

 

Анализ существующих схем подготовки воды для заливки льда приводит к следующему выводу: чем ниже солесодержание воды и концентрация содержащихся в ней газов, тем выше качество получаемого льда. Для этих целей повсеместно применяется технология обратноосмотического обессоливания воды. Допустимо для заливки льда использовать пресную воду, т.е. воду с солесодержанием до 1000 мг/л, но обязательно прошедшую предварительное осветление и умягчение. Системы дегазации необходимо применять в любом случае. Давайте разберемся почему должны выполняться вышеприведенные условия для получения качественного льда.

Вода – это совокупность одинаковых молекул (Н2О), связанных определенным образом. Связь между молекулами воды определяется магнитным моментом каждой молекулы воды. Кислород имеет небольшой поверхностный отрицательный заряд, а два водорода небольшой положительный заряд. Это происходит из-за того, что несмотря на то, что двухвалентный кислород присоединяет два одновалентных водорода, и полностью компенсируется сила ковалентной взаимосвязи, еще остается некомпенсированной электроотрицательность данных элементов. Электроотрицательность – это способность (сила) элементов притягивать к себе электроны. Электроотрицательность кислорода – 3,44 больше чем водорода — 2,2. Поэтому кислород старается притянуть к себе общие с водородом электроны с большей силой чем водород. Очевидно, что кислороду в молекуле воды без разницы какие электроны притягивать, «своего» водорода или «чужого». В результате одна молекула воды притягивается к другой. Но притяжение между молекулами воды значительно меньше, чем сила притяжения ковалентной связи внутри молекулы воды. Поэтому возникает непрерывная известная всем своей жидкой формой вода.

В результате молекула воды Н2О проявляет физическое и химическое взаимодействие. Физическое взаимодействие обусловлено сильными дипольными (магнитными) свойствами молекулы воды. Химическое взаимодействие обусловлено тем, что молекула воды, собственно говоря, является неорганическим химическим соединением. Это говорит о том, что в воде происходят физико-химические процессы.

На рисунке 1 представлен процесс растворения в воде поваренной соли (NaCl). В «сухом» состоянии поваренная соль имеет твердую кристаллическую форму. Но если добавить воду, то начнется процесс диссоциации (растворения) соли в воде. Происходит следующее.  Имеющие небольшой поверхностный заряд молекулы воды начинают взаимодействовать с молекулой NaCl. Необходимо понимать, что с солью взаимодействуют не только близлежащие молекулы воды, а вообще все молекулы воды данного объема, в котором происходит растворение. Это как перетягивать канат со слоном. Если против слона один или несколько человек, то слон выиграет. Но если против слона сто человек, то слон скорее всего уступит. Так и в воде. Взаимодействовать с молекулой NaCl будут одновременно все молекулы воды данного объема. Несмотря на то, что ковалентная связь в молекуле NaCl значительно сильнее чем поверхностная связь молекул воды, тем не менее общими усилиями молекулы воды могут компенсировать часть ковалентной связи молекулы поваренной соли. В результате соль диссоциирует в объеме молекул воды на два иона. Катион натрия, заряженный положительно, и анион хлора, заряженный отрицательно. Ионы постоянно сохраняют силу притяжения между собой, но при этом, часть этой силы компенсируют молекулы воды. Поэтому ионы приобретают способность отдельно (не в паре) перемещаться по всему объему воды при этом обеспечивая равновесное состояние всего объема воды. Ионы NaCl своего рода определенным образом структурируют молекулы воды вокруг себя.

Рисунок 1

На рисунке 1 схематично показано каким образом происходит ориентирование молекул воды вокруг катиона Na и аниона Cl. Очевидно, что близлежащие молекулы воды будут находится в наибольшем зацеплении с ионами по сравнению с остальными молекулами воды. Близлежащие к иону молекулы воды образуют так называемую первичную гидратную оболочку. Молекулы воды в этой оболочке довольно жестко связаны с ионом и имеют некую льдоподобную структуру. Чем дальше от иона, тем меньше сила притяжения молекул воды к иону. Поэтому следующие гидратные оболочки все меньше и меньше связаны с ионом. Но тем не менее они связаны. Все молекулы воды объема, в котором растворена поваренная соль участвуют во взаимодействии. Явно выделяют еще вторичную гидратную оболочку. Тем не менее все молекулы воды участвуют в растворении. Поэтому можно говорит о третьей четвертой и т.д. гидратных оболочках, как о способе формирования молекул воды вокруг иона. Или точнее надо говорить не о третичных и последующих гидратных оболочках, а о неком градиенте силы воздействия молекул воды на конкретный ион. Чем дальше молекула воды от иона, тем меньше она с ним связана.

На рисунке 1 видно, как гидратные оболочки катиона могут накладываться на гидратные оболочки аниона. Поваренная соль находится в растворенном состоянии. Если измерить электропроводность данного объема воды, то она будет одинакова во всех точках данного объема. Это говорит о том, что катион и анион находятся одновременно в каждой точке данного объема воды. Что в свою очередь говорит о стремлении молекул воды обеспечить некое равновесное состояние, о попытке полностью компенсировать заряд ионов обеспечивая его равномерное распределение в своем объеме. Если объема (количества молекул) воды недостаточно, то не происходит диссоциация кристалла соли на ионы. Эта способность определяется такой характеристикой соли как растворимость. К примеру, в 1 кг воды при 25 0С невозможно растворить более 0,35 кг поваренной соли.

Теперь вернемся к воде для заливки льда. Очевидно, что чем однороднее структура кристаллов льда, тем прочнее лед. Различные посторонние включения разрушают однородность льда и ухудшают его рабочие характеристики. Включениями могут быть твердые механические частицы или взвешенные вещества, органические кислоты и коллоидные примеси, неорганические химические соединения и растворенные в воде газы. Для удаления взвешенных веществ можно применить фильтрацию начиная от насыпных песчаных фильтров и заканчивая полипропиленовыми фильтрами с рейтингом до 1 мкм. Для удаления коллоидных примесей и органических кислот можно применять коагуляцию воды с последующим фильтрованием. На неорганических соединениях остановимся подробнее.

Неорганические соединения в воде содержаться в виде ионов. При замерзании воды, количество активных «жидких» молекул воды становится меньше и постепенно достигается предел растворимости для конкретной соли присутствующей в воде. В результате во льду не существует ионов, там существуют твердые кристаллические соединения соли, которые в жидкой воде существовали в виде катионов и анионов. Неравномерность замерзания приведет к тому, что сгустки кристаллов соли будут концентрироваться конкретно в том месте, где всех дольше оставалось состояние жидкой воды. Поэтому такой лед будет неравномерный и, соответственно, относительно хрупкий. Если вода для заливки льда изначально была пресная, то содержание соли в ней относительно невелико и для многих целей такая вода вполне допустима. Но есть одно существенное «но». Когда замерзший лед под действием приложенных к нему сил начинает таять в виде тонкой пленки, то соли натрия типа NaCl, Na2SO4, NaHCO3 сразу переходят в растворенное состояние, не вызывая твердых образований на поверхности льда. Соли Сa(HCO3)2 и СaSO4, перейдя в твердое состояние в процессе заморозки льда, так и останутся в твердом состоянии при обратном оттаивании, при этом значительно ухудшая характеристики поверхности льда. Поэтому воду для заливки льда необходимо подвергать Na – катионированию. В результате в воде все двух и трехвалентные катионы будут замещены на одновалентные легкорастворимые катионы натрия. Для получения льда высокого качество используют системы обратноосмотического обессоливания воды. Данные системы до 99 % уменьшают минерализацию воды, тем самым позволяя получить однородный без каких-либо включений лед.

Остается еще один вопрос. Как из воды удалить все присутствующие в ней газы. При замерзании пузырьки газа значительно увеличат хрупкость льда разрушая его однородность. Если говорить о поверхностном незагрязнённом источнике водоснабжения имеющим постоянный контакт с атмосферой, то в воде такого источника содержаться три газа: кислород, диоксид углерода и азот. При нормальном атмосферном давлении и температуре +20 0С в дистиллированной воде содержится 9 мг/л кислорода, 14,8 мг/л азота и 0,5 мг/л диоксида углерода. Хотя для реальных поверхностных источников водоснабжения содержание кислорода будет несколько меньше, а диоксида углерода несколько больше из-за протекания процессов постоянного окисления органического вещества. Для подземных источников, не имеющих контакта с атмосферой в воде может присутствовать сероводород или аммиак, что потребует предварительной специфической водоподготовки.

Удалить из воды кислород и диоксид углерода можно химическим способам. Для этого в подготовленную воду (прошедшую минимум умягчение и как дополнение осмос) дозируют каустик и бисульфит натрия. Каустик свяжет углекислый газ в бикарбонат натрия, а бисульфит натрия свяжет кислород в сульфат натрия. Но что делать с азотом? Необходимо отметить, что химические методы связывания растворенных газов значительно увеличивают итоговое солесодержание воды. К примеру, для удаления 1 мг/л кислорода требуется 7 мг/л бисульфита натрия. В результате, если в воде содержится 8 мг/л кислорода, то общее солесодержание воды после химической деаэрации вырастет на 7*8 = 56 мг/л. Это обстоятельство обесценивает применение обратного осмоса. Поэтому для целей полной дегазации лучше использовать два метода. Термический метод или абсорбцию газов через мембранный контактор. В первом случае нагрев воды в виде тонкой пленки до 100 0С обеспечит полную дегазацию воды. Очевидно, что данный метод довольно сложный и затратный применительно для целей заливки льда. Дегазированную воду надо хранить без контакта с атмосферой, при этом снижая ее температуру до технологических параметров заливки льда. Применение мембранного контактора газ-жидкость работающего в вакуумном режиме позволит удалить из воды все растворенные газы. Чем ниже вакуум, тем ниже остаточная концентрация газов в обработанной воде. Хочу обратить внимание, что если дегазировать не умягчённую воду, то карбонат кальция будет активно осаживаться в процессе дегазации воды в виде тонкой твердой нерастворимой в воде пленки.

Современные технологии подготовки воды позволяют получать воду очень высокого качества на компактных полностью автоматизированных установках не требующего постоянного обслуживающего персонала и обеспечить наибольшую эффективность от эксплуатации как самой установки водоподготовки, так и всего производственного комплекса в целом.

Share
Top