UKLANJANJE RASTVORENOG KISEONIKA IZ VODE UZ POMOĆ KATALIZATORA

Transcript

1 UKLANJANJE RASTVORENOG KISEONIKA IZ VODE UZ POMOĆ KATALIZATORA Uvod Kod aplikacija koje zahtevaju koriščenje vode sa niskim koncentracijama rezidualnog kiseonika, za proces degazacije najčešće se koriste termički ili vakumski sistemi. Međutim, njihov najveći nedostatak leži u činjenici da imaju velike operativne troškove i da su glomazne konstrukcije. Kao alternativni metod za otklanjanje kiseonika je uz pomoć katalizatora, gde se u vodu ubacuje vodonik radi tretmana iste. Ova voda se potom propušta kroz posudu sa premazom od paladijum-katalitičke smole, što rezultira potpunim kvantitativnim uklanjanjem rastvorenog kiseonika, u skladu sa sledećom jednačinom: 2H2 + O2 2H2 O Primenom ove metode je moguće postići da koncentracije rezidualnog kiseonika budu manje od 10 μg/l pri čemu se primenjuju steheometrijske količine vodonika. U skoro svim postrojenjima širom sveta, koja primenjuju ovu tehnologiju, koriste se Lewatit katalizatori. Prednosti katalitičke redukcije U poređenju sa energetski intenzivnim procesom vakumske degazacije, operativni troškovi su do 70% niži. Osnovni razlog za ovo je relativno niska cena vodonika, koga treba dodavati u malim dozama: pri koncentracijama od 8g kiseonika po kubnom metru vode potrebno je dodati samo 1g vodonika. Proces je ekološki čist i ne zahteva primenu dodatnih hemikalija. Voda predstavlja jedini proizvod reakcije. Zato je sistem idealan za uklanjanje kiseonika iz voda u kojima nema mineralnih soli. Proces može da se odvija pri različitim temperaturama pri čemu ne dolazi do smanjenja efikasnosti. Mineralne soli ne remete katalitičku reakciju. Izuzev pumpi za napojnu vodu, sistem ne sadrži mobilne delove i gotovo ne zahteva nikakve troškove održavanja. Struktura katalizatora Katalizator je paladijum anjonska jonoizmenjivačka smola na bazi stirena i divinilbenzena. Oni se proizvode u obliku gela i makroporoznoj formi.

2 Proces premazivanja ima za rezultat disperziju paladijuma po spoljnim delovima posuda u vidu metalnih naslaga, tj ekstremno finih čestica prečnika 2-4 nanometara. Reaktanti vodonik i kiseonik mogu brzo da prodru na aktivna mesta a kataliza će imati visok stepen efikasnosti. Mehanizam reakcije Reakcija započinje na poprečnom preseku spoljne posude, na površini paladijumskog sloja. Metalna površina apsorbuje vodonik, tako da H-H veza slabi, što ima za posledicu formiranje vodoničnih radikala [H ], koji tada stupaju u reakciju sa rastvorenim kiseonikom, reakcija je predstavljena sledeći način: 1. H2 + Pd 0 Pd 0 + 2H 2. 2H + O-O 2HO-OH 3. 2H + 2HO-OH 2H2O

3 Difuzija molekularnog vodonika na površinu metala klastera praćeno reakcijom sa rastvorenim kiseonikom Katalizatori za uklanjanje kiseonika Navedeni katalizatori mogu da budu primenjeni kod velikog broja aplikacija. Lewatit K 3433 Tip: slabo bazan, makroporozan, slobodna forma Primena: kotlovska napojna voda, voda za injektovanje na naftnim platformama, proizvodnja napitaka

4 Lewatit K 6333 Tip: jako bazni gel, u vidu hlorida Primena: kotlovska napojna voda Lewatiti K 7333 Tip: jako bazni gel, u vidu hidroksida Primena: proizvodnja ultra čiste vode Koncept postrojenja Postrojenje za otklanjanje kiseonika uz pomoć katalizatora sastoji se od izvora vodonika, uređaja za distribuciju vodonika u gasovitom obliku, sistema za mešanje gasovitog vodonika i posude za katalizu. U industrijskim postrojenjima statičan mikser je postavljen vertikalno iznad uređaja za distribuciju gasovitog vodonika u smeru toka napojne vode, kao što je prikazano na sledećem dijagramu. Vodonik se prvo ravnomerno rasprši po vodi u vidu mehurića koji izlaze iz uređaja za distribuciju gasa i nakon toga ih statički mikser potpuno rastvori. Voda iza miksera ne bi trebalo da sadrži mehuriće, kako bi se omogućilo da se katalitički proces odvija optimalno. Kapaciteti za skladištenje vodonika Katalitička aktivnost smole potiče od njene sposobnosti da apsorbuje vodonik sa površine fino raspršenog paladijuma. Maksimum aktivnosti se ostvaruje kada se katalizator natopi vodonikom. Pošto je ovo potrebno izvesno vreme, posmatraju se kašnjenja do 20 min. tokom faze startovanja sistema, pre nego što zaostali (rezidualni) kiseonik dostigne nivo <50μg/l u tretiranoj vodi.

5 Suprotno, ukoliko dođe do prestanka u snabdevanju vodonikom, katalitička aktivnost će se posmatrati izvesno vreme dok koncentracije kiseonika u tretiranoj vodi ne počnu da se povećavaju. Jedan kubni metar katalizatora može da apsorbuje 5-6g vodonika. Kako 1g vodonika može da redukuje 8g kiseonika, bilo bi potrebno 6m 3 vode pri koncentraciji od 8g kiseonika/m 3 vode (8mg/l) da se vodonik ispere iz 1 m 3 katalizatora. Tokom startovanja sistema se preporučuje injektovanje 50% steheometrijskog viška vodonika tokom prvih 30 minuta, kako bi se ubrzao proces natapanja katalizatora. Tokom gašenja se preporučuje ispiranje dodatnim 5-10 zapremina vode kroz smolu, da bi se sav vodonik isprao sa površine paladijumskog sloja. Operativni podaci Katalizatori se isporučuju u zrnastoj formi (granule) prečnika između mm. Kada sloj smole ima prečnik veći od 500 mm tada njegova visina treba da iznosi najmanje 900 mm. Od suštinskog je značaja da gasoviti vodonik bude kompletno rastvoren pre nego što voda prođe kroz katalitičku posudu, tj statički mikser mora da bude adekvatno projektovan. Pritisak u sistemu od najmanje 1.7 bara je neophodan pri temperaturi od 25º C kao i 2.2 bara pri temperaturi od 5º C kako bi se vodonik održao u rastvoru. Generalna preporuka je da pritisak u sistemu iznosi između bara. Sadržaj paladijuma u katalizatoru iznosi 1g/l. Prilikom startovanja postrojenja sa novim katalizatorom minimalni gubici paladijuma (1-2 mg/l smole) se posmatraju tokom prvih sati rada. Dalji gubici se ne mogu detektovati. Podaci o performansama Kao što je prikazano na sledećem dijagramu, koncentracija zaostalog kiseonika zavisi od koncentracije influenta i LHSV (brzina tečnosti po času). Generalna preporuka je da sistem radi pri maksimaumom LHSV od 80 kada je potrebno da koncentracija rezidualnog kiseonika bude manja od 20μg/l.

6 Alternativni agensi za redukciju Hidrazin ili mravlja kiselina koji u odsustvu katalizatora sporo reaguju sa kiseonikom, mogu da se koriste kao alternativni reagensi za redukciju umesto vodonika: N2H4 + O2 2H2 O + N2 2HCO2 H + O2 2H2O + 2 CO2 Prednost ovih reagenasa u odnosu na vodonik je u činjenici da se oni rastvaraju u vodi pod dejstvom atmosferskog pritiska. Međutim, njihova slaba efikasnost najčešće utiče da ne budu primenjeni u industrijske svrhe. Deaktivacija katalizatora Nepovratna deaktivacija katalizatora može da se nastane usled kontaminacije živom, kadmijumom i sulfidima. Deaktivaciju takođe mogu da izazovu kontaminacija huminskom kiselinom ili bakterije sa smole. Najbolji način da se utvrdi da li će huminska kiselina da izazove probleme je da se nekoliko hiljada zapremina ispiranja propusti kroz 100 ml katalizatora radi deoksidacije.

7 Tada rastvor kiseonikom zasićene vode koja sadrži 15 mg hidrazina/l treba propustiti kroz smolu pri LHSV 80 zapremina ispiranja/h. Ukoliko se koncentracija zaostalog kiseonika smanji na nivo <20μg/l u roku od 5 minuta onda može da se smatra da nije došlo do ozbiljne kontaminacije smole. Ukoliko se nivo koncentracije smanjuje sporo ili se uopšte ne smanjuje, došlo je do kontaminacije i voda prvo mora prethodno da se tretira propuštanjem kroz sloj odgovarajućeg apsorbera, npr Lewatit MP 62 WS ili aktivnog uglja. Primene Katalitički metod za uklanjanje rastvorenog kiseonika iz vode ima različitu primenu npr za procesnu vodu u hemijskoj industriji, kotlovsku napojnu vodu, u sistemima daljinskog grejanja, za ultra finu vodu, kod proizvodnje napitaka i za vodu za injektovanje na naftnim platformama.