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 налёта.
Соли в воде изначально находятся в растворённом состоянии. То есть, если в твёрдом состоянии мы наблюдаем всем известный «натрий хлор» (NaCl) — поваренную соль, то в растворённом виде в воде содержатся катионы натрия и анионы хлора. Для того, чтобы катион соединился с анионом и выделился из воды в твёрдом состоянии, требуется перенасытить раствор по этой соли.
Однако с карбонатом кальция (CaCO3), по сравнению с остальными солями, дело обстоит несколько иначе. Растворимость карбоната кальция определяется углекислотным равновесием. Чем больше в воде катиона водорода Н+ (то есть фактически кислоты), тем выше концентрация карбоната кальция может быть в воде. Но в растворённом состоянии в воде преимущественно будет не карбонат кальция, а бикарбонат кальция — Ca(HCO3)2. Растворение карбоната кальция, как осадочной породы, и перевод его в растворённую форму бикарбоната кальция происходит за счёт того, что в воду попадает углекислый газ (диоксид углерода, CO2). Диоксид углерода взаимодействует с водой и образуется угольная кислота Н2СО3, которая диссоциирует на катион водорода Н+ и анион бикарбоната НСО3-:
CO2 + Н2О = Н2СО3 = Н+ + НСО3-.
Катион водорода растворяет карбонат кальция с образованием бикарбоната кальция. При этом один анион бикарбоната получается от гидролиза углекислоты, а второй — от карбоната кальция:
СаСО3 + Н+ + НСО3- = Са(НСО3)2.
Данный процесс обратим. При удалении из воды углекислоты начинает образовываться твёрдый карбонат кальция. Определённой концентрации углекислоты в воде соответствует определённая концентрация бикарбоната кальция. Это называется «углекислотный баланс воды». Когда данный баланс находится в равновесии, то индекс насыщения (индекс Ланжелье) такой воды равен нулю.
Если внешние условия изменяются, и диоксид углерода начинает удаляться из жидкости, то, соответственно, начинает образовываться твёрдый 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 тёплое или даже жаркое время года на солнце. Когда аэрированная вода на поверхности автомобиля быстро высыхает, 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 опыта автора: вода с жёсткостью 6,0 мг-экв/л и щёлочностью (НСО3) 4,5 мг-экв/л даёт устойчивый белый налёт при мойке автомобиля на солнце даже без использования бесконтактной технологии.
Негативно на качество мойки может сказаться также и 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 неё низкая окисляемость, и углекислотный баланс смещён в сторону растворения карбоната кальция. То есть углекислоты в воде содержится больше, чем растворённого бикарбоната кальция. Вода — коррозионно-активна. Это происходит из-за того, что в процессе коагуляции в воде идёт гидролиз солей алюминия по первой ступени с образованием серной либо соляной кислот (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, поскольку углекислоты в воде теперь несколько больше, чем требуется для поддержания углекислотного равновесия существующего количества кальция.
Поэтому при использовании такой воды на автомойке, при умеренной жёсткости воды, вероятность образования белого налёта высока только в летний период. При этом отсутствует вероятность налёта гумуса различного состава.
Если использовать воду из минерализованной артезианской скважины, вероятность налёта карбоната кальция чрезвычайно высока, но в артезианской воде, вследствие отсутствия контакта с атмосферным воздухом, практически полностью отсутствует органическое вещество. Вода из поверхностного источника, не прошедшая коагуляцию и осветление, может вызывать и минеральные, и органические отложения на лакокрасочной поверхности автомобиля.
Имеется ещё одна проблема. Как химический состав воды влияет на приготовление моющего раствора?
Автору удалось найти только общие рекомендации по этому вопросу. То есть для жёсткой воды необходимо использовать шампуни с комплексообразователями — по аналогии с качественным стиральным порошком. При применении комплексообразователей соли жёсткости входят в состав комплексона и тем самым повышают свою растворимость, но всё 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 твёрдого 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 требуются скорее как вынужденная необходимость в случае использования для мойки жёсткой воды. Это примерно так же, 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 чего вода будет умягчена. В ней вместо двухи трёхвалентных катионов будет содержаться только одновалентные катионы натрия. Натриевые соли не дадут налёта или осадка на поверхности автомобиля после мойки даже в условиях интенсивного «отгона» углекислоты и быстрого высыхания воды — по крайней мере, для воды с общим солесодержанием не более 1000 мг/л (пресная вода).
2. Для удаления органических кислот удобно использовать системы обратноосмотического обессоливания воды (обратный осмос). Во избежание быстрого засорения мембран обратного осмоса солями жёсткости 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 углём. 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.
Фото1. Двухступенчатая установка Na-катионирования воды с кондуктометрическим контролем умягчённой воды
Стандартная схема Na-катионирования удобна в случае её применения на автомойках, так как не требует очистки сточных вод. Умягчённая 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 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 жёсткостью это соотношение будет поддерживаться. Для исходной воды с жёсткостью 4 мг-экв/л удельный расход поваренной соли, затрачиваемый для получения 1 м³ умягчённой воды, составит около 0,5 кг или 500 г/м³ (500 мг/л) в случае грамотного ведения процесса умягчения и небольшого содержания натрия в исходной воде. То есть 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 умягчённой воды на автомойках.
Фото 2. Система кондуктометрического контроля умягчённой воды
Контроль за ведением процесса Na-катионитового умягчения воды просто и оперативно можно осуществлять при помощи методики, описанной в статьях автора [1, 2].
Использование данного способа контроля не требует специальной подготовки операторов. На этот способ контроля автором статьи получен патент [3]. Данный способ контроля успешно внедрён в нескольких паровых котельных города Саратова, а также на бесконтактной автомойке в городе Энгельсе (Саратовская область).
Важно отметить, что при отсутствии контроля за умягчением воды, при недостаточном количестве регенераций, установка Na-катионирования начинает работать в режиме Caи Mg-катионирования. То есть накопленные на катионите соли жёсткости при отсутствии регенерации начинают обмениваться с ионами натрия исходной воды. В результате жёсткость воды после такой установки «умягчения» становится даже больше исходной жёсткости. Например, при жёсткости исходной воды, равной 4,0 мг-экв/л, жёсткость «умягчённой» воды при недостаточной регенерации с определённой 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 умягчённую воду.
Для полного удаления органики из воды, а также уменьшения солесодержания воды удобно использовать системы её обратноосмотического обессоливания. 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 приведёт 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 дешёвые 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 дешёвые 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 мнению автора, для целей автомойки говорить о некоей высокой селективности обратноосмотических установок (96–99%) нет необходимости, так как к фильтрату (пермеату) для целей мойки не предъявляются такие 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, можно констатировать, что использование Na-катионитового умягчения предварительно подготовленной (осветлённой) воды с последующим обратноосмотическим обессоливанием позволяет получить подготовленную воду для проведения качественной бесконтактной мойки автомашин. Образующиеся при этом сточные воды системы водоподготовки не будут требовать дополнительной очистки перед сбросом в канализацию. В любом случае (есть водоподготовка или нет) будет требоваться коагуляция и отстаивание сточной воды после мойки автомобилей.
Крайне интересным представляется использование оборотной системы водопользования. Этому будет посвящена отдельная статья.
