Dr. Ing. Hartmut Junke WSTĘP Fizyczne oczyszczanie wody jest

Dr. Ing. Hartmut Junke
WSTĘP
Fizyczne oczyszczanie wody jest przedmiotem badań wielu uczonych od ponad 20 lat.
Podczas tego czasu udowodniono jego skuteczność. Czasami jednak jest ona kwestionowana i
odrzucana. Aby znaleźć tego przyczyny ważnym wydaje się być przeanalizowanie podstaw
fizycznych, które pozwolą wyjaśnić sposób działania procesu/ów fizycznego oczyszczania wody i
wyjaśnić sporne kwestie.
Istnieje wiele informacji dotyczących wysokiej skuteczności tego typu oczyszczania wody
pochodzących od uznanych instytucji m. in. Instytut Fizjologii Uniwersytetu Ludwika Maksymiliana
w Monachium. W tej instytucji, wymiana laserów rurowych spowodowana odkładaniem się
kamienia kotłowego podczas chłodzenia okazała się być do uniknięcia dzięki zastosowaniu
urządzenia do fizycznego oczyszczania wody. Uzyskane wyniki potwierdzają skuteczność wyżej
wymienionej metody, jednakże kwestia braku spodziewanych efektów także bywa podnoszona. W
większości przypadków zwykli użytkownicy nie znają nawet producenta urządzenia .
Po przeczytaniu publikacji naukowych również można odnieść wrażenie, że kwestionują one
skuteczność tej metody, jednak często nie podają one żadnych dowodów naukowych
uzasadniających krytykę fizycznego oczyszczania wody.
Celem stosowania tego typu oczyszczania jest usuniecie kamienia kotłowego. Z chemicznego
punktu widzenia kamień kotłowy to węglan wapnia (CaCO3). Jest to biała substancja krystaliczna,
trudno rozpuszczalna w wodzie. Wytwarza się jednak w wodzie nasyconej tlenkiem węgla(IV)
(przechodząc w wodorowęglan wapnia Ca(HCO3)2, co jest możliwe, gdyż dwutlenek węgla CO2
reaguje z wodą H2O tworząc kwas węglowy H2CO3) lub w roztworze chlorku amonu (przechodząc w
chlorek wapnia). W wysokich temperaturach, a także pod wpływem kwasów ulega on rozkładowi z
wydzieleniem dwutlenku węgla. W przyrodzie występuje w postaci minerałów: aragonitu i kalcytu
(główny składnik wapieni, marmuru i kredy).
Zatem nasuwa się pytanie: dlaczego wapno się wytrąca? Stężenie rozpuszczonego Ca(HCO3)2 nigdy
przecież nie osiąga wartości nasycenia, która, jeśli przekroczona, powodowałaby wytrącanie
rozpuszczonej substancji w postaci krystalicznej? Odpowiedzi na to pytanie mogą udzielić miejsca,
w których zarastają rurociągi. Są to przede wszystkim kolanka, rozgałęzienia i punkty końcowe (w
tym również krany). Dzieje się to zwłaszcza tam, gdzie jest styczność z ciepłą wodą, ale zauważyć
należy, że zbiorniki wody ciepłej są wolne od kamienia w przeciwieństwie do zawsze zakamieniałych
powierzchni, które ogrzewają wodę.
Zatem, dlaczego w tych punktach osadza się kamień?
Odpowiedź jest bardzo prosta: musi być gradient/różnica energii która prowadzi do otwarcia
struktur wodnych tzw. klatek dookoła rozpuszczonych jonów, które to reagują pomiędzy sobą. W
tym samym czasie zostaje naruszona równowaga węglanowo-wapniowa i zaczyna brakować CO2.
Wówczas związki zaczynają szukać punktu, w którym mogą zacząć krystalizować, tzw. jądra
krystalizacji. Punkty takie zawsze znajdują się na ścianach rur.
Wraz z trwającym odkładaniem się wapna powstaje skorupa nazywana kamieniem.
Składa się on z:
* węglanów wapnia i magnezu (CaCO3, MgCO3),
* siarczanów wapnia i magnezu (CaSO4, MgSO4),
* fosforanów wapnia i magnezu (Ca3(PO4)2, Mg3(PO4)2),
* krzemianów wapnia i magnezu (CaSiO2, MgSiO2),
* wodorotlenku magnezu Mg(OH)2.
Osadzanie się kamienia jest niekorzystne, ponieważ stwarza warunki korozyjne, a co za tym idzie
wpływa więc na szybsze niszczenie rur i urządzeń. Kamień, osadzając się na rurach, zmniejsza ich
przekrój, co jednocześnie powoduje zwiększenie prędkości wody – oba te czynniki wpływają na
większe opory przepływu. Większe opory przepływu oznaczają większe spadki ciśnienia. Może się
więc okazać, że woda nie dopływa w wystarczającym stopniu do wszystkich odbiorców. Poza tym
kamień ma małą przepuszczalność cieplną – osadzając się wewnątrz elementów instalacji
grzewczej obniża jej wydajność, ponieważ mniej ciepła może przeniknąć przez pokryte kamieniem
ścianki urządzeń. Warstwa kamienia kotłowego o grubości 1 mm powoduje zmniejszenie
wydajności o ok. 46%.
Analizując rury użytkowane przez wiele lat, można zauważyć, że kamień zaczyna osadzać się zawsze
na kolankach lub rozgałęzieniach i stamtąd rozrasta się w kierunku odcinków prostych. Z
chemicznego punktu widzenia, krystalizacja węglanu wapnia przebiega zgodnie z poniższym
równaniem:
Ca(HCO3)2 ↔ CaCO3 + H2O + CO2
Powyższa reakcja opisująca tworzenie kamienia może zachodzić także w drugą stronę, tj. kamień
może się rozpuszczać. Kierunek, w którym zachodzi reakcja (tworzenia kamienia lub jego
rozpuszczanie) zależy od tego w którą stronę zachwiana została równowaga węglanowowapniowa: w przypadku nadmiaru CO2, kamień jest rozpuszczany, w przeciwnym wypadku,
odkładany. Kierunek zachodzenia tych procesów zależy także od czynników fizycznych: ciśnienia i
temperatury.
Powszechnie wiadomo że, prawie wszystkie substancje stałe posiadają strukturę krystaliczną.
Kryształy, ze względu na układ wewnętrzny cząstek w sieci krystalicznej, można podzielić na 7
układów krystalograficznych, w których wyróżnia się 32 klasy krystalograficzne.
Węglan wapnia CaCO3 występuje w przyrodzie w dwóch postaciach krystalicznych: jako
heksagonalny kalcyt i aragonit, który ma budowę rombową. Osad węglanu wapnia wytrącony na
gorąco z rozcieńczonych roztworów wykazuje strukturę nietrwałego aragonitu i z biegiem czasu
przechodzi w kalcyt. Osad strącony na zimno jest bezpostaciowy i również stopniowo przechodzi w
kalcyt. Te struktury krystaliczne są różne, ale powiązane ze sobą. W takim przypadku (tj. gdy
struktura chemiczna jest taka sama) o tym jak krystalizuje węglan wapnia decydują warunki
termodynamiczne (ciśnienie, temperatura). Jak widać na przedstawionych poniżej rysunkach, w
przypadku obu sieci krystalicznych, jedna z osi jest dłuższa niż pozostałe. Oznacza to, że kryształ
rośnie w jednym z kierunków szybciej. Szybkość wzrostu jest anizotropiczna, tj. zależna od kierunku.
Oznacza to, że, jeśli kryształy mogą wzrastać w warunkach niezakłóconych, to krystalizują w formy
przypominające igły. Jeśli prędkość wzrostu jest taka sama we wszystkich osiach, krystalizują
wówczas w formy kuliste. W sieci krystalicznej kalcytu krystalizują także MgCO3 i FeCO3 (stąd ich
obecność w kamieniu kotłowym).
Sieć krystaliczna anhydrytu (bezwodny CaSO4) lub gipsu (CaSO4 · 2 H2O) odpowiada sieci
krystalicznej kalcytu.
Rysunek 1. Sieć krystaliczna aragonitu (układ rombowy)
Rysunek 2. Sieć krystaliczna kalcytu (układ trójkątny)
WODA
Aby zrozumieć ten proces należy zgłębić kilka informacji o wodzie. W rzucie na płaszczyznę
cząsteczka wody ma wygląd trójkąta równoramiennego z atomem tlenu w jednym narożniku
trójkąta i atomami wodoru w pozostałych dwóch. Boki tego trójkąta mają długości: 1,013 x 10 -10 m
(wiązanie H - O) oraz 1,63 x 10-10 m (średnie odległości między atomami wodoru). Kąt między
wiązaniami H - O ma wartość 104°27’, co odpowiada 1,82 rad.
W trzech wymiarach cząsteczka wody ma kształt tetraedru z atomem tlenu w środku i atomami
wodoru oraz wolnymi parami elektronowymi w wierzchołkach. Cząsteczki wody są nieliniowe, a
wiązania H–O są silnie spolaryzowane. Stąd też woda ma trwały moment dipolowy – czyli jest silnie
polarna. Na atomie tlenu znajdują się dwie wolne pary elektronowe. Oznacza to, że cząsteczka
wody może tworzyć cztery wiązania wodorowe: dwa przez tlen (a konkretnie przez jego wolne pary
elektronowe) i dwa przez atomy wodoru mogące oddziaływać z innymi wolnymi parami
elektronowymi. Te wiązania wodorowe są odpowiedzialne za łączenie się cząsteczek wody w
asocjaty i za powstawanie struktury lodu.
Rysunek 3. Struktura chemiczna cząsteczki wody
FIZYKA I CHEMIA
W wodzie poddanej fizycznemu oczyszczaniu wody zahamowana zostaje krystalizacja
węglanów (głównie kalcytu) w wyniku zainicjowania konkurencyjnego procesu, aktywacji
koloidalnego roztworu krzemionki, która następnie absorbuje jony wapnia, magnezu i innych metali
i wytrąca się jako bezpostaciowy skoagulowany aglomerat (aragonit). Prawdopodobnym
mechanizmem aktywacji krzemionki koloidalnej jest deformacja warstwy rozmytej pod wpływem
siły Lorentza, co prowadzi do zwiększonego stężenia kationów w warstwie absorpcyjnej ujemnie
naładowanej krzemionki.
Istnieje wiele zasad, o które opierają się urządzenia stosowane do fizycznego oczyszczania
wody: od magnesów umieszczanych wewnątrz rur po wstrzykiwanie zarodków kryształów do wody,
do których przyczepiają się powstające kryształy węglanu wapnia. Zarodek kryształu to próbka
monokryształu o określonej orientacji krystalograficznej, wykorzystywana w hodowli
monokryształów w celu nadania kryształowi pożądanej orientacji. Użyte w omówionej w tej pracy
metodzie, urządzenia zamieniają wodorowęglan wapnia Ca(HCO3)2 w elektrycznie i chemicznie
obojętny CaCO3 bezpośrednio w wodzie, a nie na powierzchni rur. Krąży on nadal w wodzie - tyle,
że w postaci mulistych osadów, a nie osadza się na ściankach instalacji w postaci kamienia
kotłowego. Można to osiągnąć tylko wtedy, jeśli krystalizacja nastąpi zanim woda będzie miała
kontakt ze ścianami rur, urządzeniami i zakończeniami sieci. By do tego doprowadzić, muszą być
spełnione dwa warunki:
1) Jądro krystalizacji musi być obecne w wodzie; jeśli nie jest obecne to należy je wytworzyć,
2) Równowaga węglanowo - wapniowa musi zostać naruszona aby z rozpuszczonego
wodorowęglanu wytworzył się stały węglan.
Doświadczenia pokazały, że wprowadzenie pola magnetycznego lub elektrycznego do wody
pozwala na uzyskanie wymaganych rezultatów, choć z różnym skutkiem. W tej pracy uwaga została
skupiona jedynie na wpływie pola elektrycznego.
W jaki sposób pole elektryczne może być generowane w rurach z różnych materiałów? Na kolejnym
rysunku przedstawiono podstawę procesu elektryzowania dielektryka na przykładzie kondensatora.
Jest to element elektryczny (elektroniczny), zbudowany z dwóch przewodników (okładek)
rozdzielonych dielektrykiem. Gdy do okładek kondensatora zostanie przyłożone napięcie, w
izolatorze (dielektryku) nastąpi rozdzielenie i przyciągnięcie ładunków przeciwnych do przyłożonych
do okładek. Innym przykładem elektryzowania ciał przez indukcję jest wprowadzenie dwóch
połączonych ze sobą powierzchni przewodnika prostopadle do pola elektrycznego: jedna z
powierzchni oddaje wtedy elektrony drugiej. Po rozdzieleniu tych powierzchni jedna z nich jest
naładowana dodatnio (niedobór elektronów), a druga ujemnie (nadmiar elektronów).
Rysunek 5. Separacja ładunków przez indukcję
Na rysunku 6. pokazano jak działa pole elektryczne w rurze metalowej (przewodzącej prąd) i rurze
niemetalowej (będącej izolatorem). Efekt końcowy jest taki sam: przy powierzchni rury gromadzą
się ładunki przeciwne do polaryzacji zwoju.
Rysunek 6. Mechanizm indukcji elektrycznej w rurach różnych typów
Jeśli cyklicznie będzie dokonywać się zmiany bieguny zwojów (naprzemiennie) lub będzie
przykładany biegun i rozładowywane uzwojenie (pulsacyjnie), to wytworzony zostanie tzw. prąd
przesunięcia między uzwojeniem a ścianą rury. W ten sposób zostanie wywołany prąd płynący od/z
ziemi do ścian rury, gdzie przewodnikiem będzie woda. Takie naprzemienne lub pulsacyjne
przykładanie napięcia do uzwojenia wywołuje naprzemienne lub pulsacyjne pole elektryczne
wzdłuż rury wraz z wirowym polem magnetycznym centrycznie wokół rury.
Ważnym aspektem staje się rozpuszczony w wodzie kamień kotłowy (rysunek 7). Rozpuszczony
kamień – wodorowęglan wapnia – dysocjuje do jednego, dodatnio naładowanego jonu Ca2+ i
dwóch jonów wodorowęglanowych HCO3-. Każdy z jonów otoczony jest „klatką” cząsteczek wody:
cząsteczki wody otaczają jon wapniowy w ten sposób, że atomy tlenu są skierowane w stronę jonu
wapniowego, natomiast wodoru skierowane są na zewnątrz. Jon wodorowęglanowy jest otoczony
cząsteczkami wody w ten sam sposób, z tym, że atomy tlenu są skierowane na zewnątrz. Każda z
tych grup utrzymywana jest siłami elektrostatycznymi i charakteryzuje się dodatnim bądź ujemnym
ładunkiem elektrycznym co przedstawiono schematycznie na rysunku 8.
Rysunek 7. Rozpuszczony i zawieszony kamień kotłow
Rysunek 8. Schemat rozpuszczonego w wodzie węglanu wapnia
Te „klatki” wodne powinny być postrzegane jako sfery o średnicy 1-2 nm z ok. 100-200
cząsteczkami wody otaczającymi jon. Masa każdej z grup (zarówno Ca2+ jak i HCO3-) wynosi 30-60 x
10-22 g. Jest to bardzo interesujące z punktu widzenia oczyszczania wody.
Wyindukowane zmienne pole elektryczne oddziałuje na jony i na grupy zawarte w wodzie
powodując poruszanie się ich w rurze we wszystkich kierunkach. Oscylacje pola elektrycznego
powodują oscylacje materii, które rozprzestrzeniają się osiowo (wzdłuż rury). Z fizycznego punktu
widzenia jest to podłużna fala mechaniczna. Obszary zwiększonego ciśnienia i ciśnienia ujemnego
przeplatają się, co powoduje lokalną adsorpcję CO2. Jeśli częstotliwość oscylacji jest odpowiednia,
wtedy „klatki” wodne wokół jonów ulegają rozpadowi co powoduje lokalny spadek stężenia CO2.
Równowaga węglanowo - wapniowa jest miejscami zaburzana. W tym samym czasie poszczególne
jony rozpuszczonego węglanu wapnia są uwalniane z „klatek” wodnych. Wówczas mogą się ze sobą
połączyć i tworzyć cząsteczki węglanu wapnia, które następnie służą jako jądra krystalizacji. Kolejne
cząsteczki są pochłaniane przez takie jądro i rozpoczyna się na nich krystalizacja węglanu wapnia.
Kryształy węglanu wapnia są elektrycznie obojętne i już nie reagują w wodzie. Ponadto, kryształy te
nie odkładają się na istniejących złogach na ściankach rur.
Aby opisany powyżej proces mógł zajść, musi być wywołane zmienne pole elektryczne w
określonym przedziale częstotliwości, który powoduje drgania rezonansowe „klatek” wodnych.
Ponieważ wody wodociągowe spełniające niemieckie wymagania są różne pod względem ilości
rozpuszczonych minerałów, pH i przewodności, różne są też warunki powstawania zmiennego pola
elektrycznego w rurze. Dodatkowym czynnikiem wpływającym na proces jest zmienna prędkość
przepływu wody. Urządzenia pracujące tylko z jedną częstotliwością, oczywiście może
przypadkowo zgrać się z częstotliwością rezonansową drgań, ale w większości przypadków będzie
pracowało nieefektywnie.
Testowane urządzenie Vulcan 5000.
Parametry techniczne testowanego urządzenia jak i efekt końcowy procesu są znane, zatem
sensownym jest, na podstawie tych informacji określenie teoretycznej i praktycznej efektywności
urządzenia.
Stosowane urządzenie wyposażone jest w dwa uzwojenia, które naprzemiennie otrzymują
impulsy zmieniane 10 razy na sekundę: 50 ms pulsacji i 50 ms braku pulsacji. Podczas gdy jeden ze
zwojów nie ma przyłożonego napięcia, drugi otrzymuje pulsacje o częstotliwości od 3 do 32 kHz.
Urządzenie to jest w stanie oczyszczać 5 m3 wody na godzinę. Oznacza to w przypadku rury ½ cala
szybkość przepływu wody 1,13 cm/ms, natomiast w przypadku rury 1-calowej: 0,28 cm/ms, a w
przypadku rury 2-calowej: 0,07 cm/ms. Co zatem z prędkością reakcji? Według Instytutu Maxa Borna w Berlinie prędkość tworzenia cząstek w wodzie z użyciem matrycy laserowej wynosi
od 10-20 x 10-15 s. Czas ten jest niewyobrażalnie mały w stosunku do czasu przebywania cząstek
wody w sekcji rury poddawanej działaniu urządzenia.
WARSTWY OCHRONNE I INKRUSTACJA
Wiadomo, że płynąca w rurach woda przyspiesza na zakrzywieniach rur. Płynie ona szybciej
po zewnętrznej niż po wewnętrznej stronie. Według uproszczonego równania Bernoulli’ego, suma
ciśnień statycznego (Pstat) i dynamicznego (Pdyn) jest stała:
Pstat + Pdyn = const
Powyższe równanie to jedno z podstawowych równań hydrodynamiki płynów idealnych,
sformułowane przez Daniela Bernoulliego w 1738 roku. Opisuje ono zachowanie gęstości energii
całkowitej na linii prądu. Obowiązuje w podstawowej wersji dla stacjonarnego przepływu
nieściśliwego płynu idealnego, a w wersji rozszerzonej dla idealnego płynu barotropowego. Wynika
ono z zasady zachowania energii i stanowić powinno jej zapis za pomocą parametrów
hydrodynamicznych.
W wodzie płynącej ciśnienie dynamiczne wzrasta, a ciśnienie statyczne spada. Oznacza to, że po
wewnętrznej stronie rury następuje niedobór CO2 i zostaje naruszona równowaga węglanowo wapniowa. Węglan wapnia ulega uwolnieniu, znajdując punkty krystalizacji po wewnętrznej stronie
rurociągu. W ten sposób warstwa kamienia rośnie odśrodkowo. Razem z węglanem odkładają się
również inne minerały. Z powodu zmian ciśnienia, podobna sytuacja występuje na
złączeniach/rozgałęzieniach rur. Parująca woda oraz ulatniający się z niej CO2 powoduje też
powstawanie kamienia na końcówkach kranów i pryszniców. Na powierzchniach grzewczych
usuwany jest CO2 z wody, co powoduje, że stają się one powierzchniami „wybieranymi” jako punkty
krystalizacji węglanu wapnia.
Woda wodociągowa, z założenia, jest wodą spełniającą normy wody przeznaczonej do picia.
Jest już wodą uzdatnioną. W Polsce najwyższa dopuszczalna twardość ogólna w wodzie do picia
wynosi 28°dH (stopni niemieckich). Taka wartość nie jest szkodliwa dla zdrowia, ale oznacza wodę
bardzo twardą, która powoduje liczne osady na bateriach, sanitariatach i kamień kotłowy w
instalacji. Średnia twardość wody wodociągowej w Polsce wynosi 18°dH, czyli z problemami
spowodowanymi twardą wodą spotyka się większość Polaków. Obecność kamienia kotłowego w
wodzie do picia jest bardzo ważnym aspektem z dwóch powodów: po pierwsze: woda dostarcza
organizmowi ludzkiemu związki wapnia i magnezu, a wiadomo, że do prawidłowego
funkcjonowania organizm ludzki potrzebuje nie tylko wody, ale również substancji w niej
rozpuszczonych. Po drugie: reszta wodorowęglanowa reaguje z metalem z którego zbudowane są
rury tworząc ochronną warstwę metal - wodorowęglan. Zjawisko to jest szczególnie ważne w
przypadku zastosowania rur miedzianych. Rysunek 9 a) obrazuje szczegóły warstwy ochronnej.
Widać na nich jak grupy kryształów pokrywają powierzchnię rury chroniąc ją przed korozją.
Rysunek 9. Ochronna warstwa rurociągu złożona z:
a) węglanu,
b) fosforanów oraz
c) złogi pyłu węglanowego.
Rysunek 9 b) przedstawia obraz z mikroskopu elektronowego sztucznie powstałej fosforanowej
warstwy ochronnej zabezpieczającą przed działaniem zjawiska korozji rur. Fosforany krystalizują w
podobne systemy kryształów jak węglany.
Z czasem jednak, pożądana warstwa węglanu wzrasta za bardzo ponieważ stanowi doskonały punkt
krystalizacji. Stopniowy wzrost powoduje zatykanie rur, począwszy od zakrętów i rozgałęzień. Jak
wspomniano wcześniej, proces odkładania się węglanu rozchodzi się wtedy na proste odcinki rur.
Dzieje się tak aż do czasu gdy w wodzie obecny jest węglan wapnia. Większość węglanu
transportowana jest przez rury i nie zdąża się osadzić.
W 100 m3 wody o twardości 28odH znajduje się około 45 kg węglanu wapnia.
Przekształcenie węglanu wapnia w sposób opisany wcześniej spowodowałoby, że zostałby on w
formie mikroskopijnych kryształów wymyty z rur, bez możliwości krystalizacji na ich ścianach.
Zastosowanie urządzenia do fizycznego oczyszczania wody pokazało, że kamień nie osadza się
nawet na grzałkach w bojlerach/podgrzewaczach wody. Zamiast tego, na dnie zbiornika gromadzi
się pył węglanowy (rysunek 9c), natomiast elementy grzejne (grzałki) pozostają czyste. Przykładowe
zastosowanie urządzenia pokazało, że w ciągu roku w bojlerze o pojemności 150 litrów zgromadziło
się około 2 kg pyłu węglanowego. Natomiast nie zaobserwowano wykształcenia się absolutnie
żadnego kamienia na grzałkach.
Urządzenie do fizycznego oczyszczania wody zostało także sprawdzone w wymiennikach ciepła w
sieciach ciepłowniczych po stronie wtórnej i również się sprawdziło: kamień się nie osadzał
(w ciągu 4 lat użytkowania ani razu nie czyszczono ścian rurociągów).
Instalacja urządzenia do fizycznego oczyszczania wody nie sprawia, że węglan wapnia znika, ale
czyni go „nieszkodliwym”. Krople wody spadając na powierzchnię, parują, pozostawiając na niej pył
węglanowy, który może być usunięty przy użyciu wilgotnej szmatki. Jeżeli jednak pył tego typu
będzie miał kontakt z powietrzem atmosferycznym i wilgocią dłuższy czas, może pod wpływem CO2
z powietrza ulec rozpuszczeniu w wodzie. W takim przypadku możliwa jest krystalizacja tworząca
„zwyczajny” kamień kotłowy.
USUWANIE ISTNIEJACEGO KAMIENIA I OCHRONA PRZED KOROZJĄ
Urządzenia wykorzystywane do fizycznego oczyszczania wody są również zdolne do
usuwania istniejącego kamienia oraz zapobiegania powstawaniu rdzy i korozji.
Równanie, którym opisano powstawanie kamienia jest reakcją odwracalną.:
Ca(HCO3)2 ↔ CaCO3 + H2O + CO2
Równowaga węglanowo - wapniowa gra tutaj kluczową rolę. Jeśli w roztworze jest nadmiar kwasu
węglowego, kamień ulega rozpuszczeniu. Każda krystalizująca cząsteczka węglanu uwalnia do wody
jedną cząsteczkę kwasu węglowego. Kwas węglowy stopniowo atakuje i rozpuszcza kamień
osadzony na rurach. W zależności od tego w jakim stopniu zakamienione są rury (zależy to od
twardości wody i czasu użytkowania rur), proces oczyszczania może trwać od pół roku do roku.
Należy zauważyć, że kamień jest usuwany, a warstwa ochronna rury nie ulega ponownemu
rozpuszczeniu. Oczywiście, na ponowne rozpuszczanie narażony jest także węglan wapnia, który
skrystalizował bezpośrednio w wodzie na skutek działania urządzenia. Kryształy te są jednak
znacznie mniej podatne na to zjawisko, gdyż ich struktura zawiera mniej defektów sieci krystalicznej
takich jak: wakanse, atomy międzywęzłowe, podstawienia atomów i cząstek, dyslokacje i defekty
warstwowe. Defektem sieci krystalicznej nazywamy niedoskonałości kryształów polegające na
punktowym lub warstwowym zerwaniu regularności ich sieci przestrzennej. Defekty występują
praktycznie we wszystkich rzeczywistych kryształach. Wynikają one z natury procesu krystalizacji.
Większa ilość defektów sieci krystalicznej w kamieniu zarastającym rury powoduje, iż ma on
większą powierzchnię i energię wewnętrzną i dlatego też jest najpierw „atakowany” przez
uwolniony CO2. Stopniowe rozpuszczanie kamienia zarastającego rury może czasem powodować
odrywanie się widocznych gołym okiem fragmentów kamienia zatrzymujących się następnie na
perlatorach.
Omawiane równanie prezentuje stan równowagi, jednak jak wiadomo, w naturze nie istnieje stała
równowaga lecz równowaga płynna (co oznacza, że w jednostce czasu tyle samo węglanu wapnia
się rozpuszcza co krystalizuje, nawet jeśli nie ma żadnego wpływu czynników zewnętrznych).
Oczywiście proces fizycznego oczyszczania wody nie spowoduje skrystalizowania całości Ca(HCO 3)2
w odcinku rury na który ma wpływ, a część rozpuszczonego węglanu przepłynie dalej. Jednakże
zaburzenie równowagi węglowodanowo - wapniowej powoduje, iż za miejscem, w którym
umieszczono urządzenie do fizycznego oczyszczania wody preferowany jest proces rozpuszczania,
zamiast procesu osadzania się węglanu wapnia na ściankach rur, w związku z czym rury za
urządzeniem nie zarastają. Dzięki temu, że na ścianach rur nie osadza się kamień kotłowy, możliwe
jest, iż warstwa złożona z węglanów metali, chroniąca rury przed korozją, stanie się grubsza.
Doświadczenie pokazuje, że pomimo obecności ochronnej warstwy węglanu metalu występuje
zjawisko korozji. Zachodzi ono w przypadku zarówno rur galwanizowanych jak i rur miedzianych.
Zatem jak to się dzieje?
Rysunek 10. Korozja elektrochemiczna żelaza
Na rysunku 10 przedstawiono proces korozji elektrochemicznej żelaza, w przypadku gdy na
elemencie żelaznym znajduje się kropla wody i zapewniony jest kontakt z powietrzem. Element
żelazny pełni rolę przewodnika elektryczności, zaś kropla wody elektrolitu. Brak kontaktu z tlenem
atmosferycznym w punkcie, w którym znajduje się kropla wody i kontakt z nim w miejscu, gdzie
kropli nie ma, wytwarza różnicę potencjałów. Brzeg kropli staje się katodą (nadmiar elektronów)
natomiast centrum kropli anodą (niedobór elektronów).
Na anodzie zachodzi reakcja utleniania metalu: Fe -> Fe2+ + 2eZaś na anodzie redukcji: 2 H2O + O2 +2e- -> 2 OHW przypadku elementów z miedzi mechanizm korozji jest podobny.
W przypadku rur, proces korozji przebiega podobnie, z tą różnicą, że zachodzi inny mechanizm
kontaktu tlenu z metalem. Schematycznie ten proces przedstawia rysunek 11. W przypadku, gdy
woda nie jest poddawana fizycznemu oczyszczaniu, węglan wapnia odkłada się nierównomiernie,
według zasad opisanych wcześniej. Między odcinkami o grubej warstwie kamienia a odcinkami bez
„miejsc zarośniętych” istnieje różnica w dostępie tlenu rozpuszczonego do powierzchni metalowej.
Umożliwia to korozję na tej samej zasadzie jak w przypadku kontaktu z powietrzem
atmosferycznym.
Rysunek 11. Korozja rury metalowej w przypadku kamienia kotłowego o różnej grubości
Udowodniono, że najczęściej rury korodują w pobliżu kolanek i rozgałęzień, ponieważ w tych
miejscach kamień gromadzi się w największej ilości.
Jeśli zostanie usunięty kamień pozostawiając jedynie warstwę ochronną, kontakt z tlenem
rozpuszczonym będzie taki sam na całym odcinku rurociągu i nie będzie mogła się wytworzyć
różnica potencjału, a tym samym korozja elektrochemiczna nie będzie mogła zajść. Jest to
szczególnie istotne w przypadku rur miedzianych, które w przypadku wody bogatej w tlen
rozpuszczony i o pH < 6,5 są szczególnie podatne na korozje, zwłaszcza korozję wżerową. Bardzo
ważnym aspektem jest równomierna warstwa ochronna w przypadku rur miedzianych, także ze
względu na to, że materiał z którego są zbudowane nie jest zazwyczaj zupełnie czysty
(zanieczyszczenia metalu ułatwiają korozję). Korozja miedzi ma też bardzo zły wpływ na zdrowie,
szczególnie dzieci, gdyż miedź korodująca rury przedostaje się do wody. Nie bez przyczyny miedź
nazywana jest „ołowiem XX wieku”.
PODSUMOWANIE
Skuteczność fizycznego oczyszczania wody wynika nie tylko z doświadczeń użytkowników,
ale ma również silne podłoże teoretyczne i praktyczne poparte fizyczno-chemicznymi dowodami.
Specyfika pracy omawianego urządzenia wskazuje na to, iż typowe testy laboratoryjne, zwłaszcza te
krótkie, często zawodzą lub dostarczają fałszywe rezultaty. Najlepiej byłoby opracować nową
procedurę testową, która dostarczyłaby ilościowe dowody przedstawionych w niniejszym
opracowaniu teorii. Obecnie przeprowadzamy testy na urządzeniach o wydajności 100 m3/h, 250
m3/h, 500 m3/h.