Nghiên cứu pha chế dung dịch tẩy cặn hệ thống trao đổi nhiệt, điều hoà nhiệt độ, két nước ôtô, lò hơi, bằng chất tẩy sinh học không ăn mòn kim loại, thân thiện môi trường

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT - HĐBM: Chất hoạt động bề mặt - LAS: Leanler ankylbenzen sunfonic - DBNS: Natri Đibutyl Naphtalen Sulfonat - EDTA: Etylen Diamin Tetra Axetic dạng mu

Bộ CÔNG thương Trường đại học công nghiệp hà nội

ô tô, lò hơi, bằng chất tẩy sinh học không ăn mòn

kim loại, thân thiện môi trường

Đề tài nghiên cứu KHCN cấp Bộ m∙ số: 121.10.RD/HĐ-KHCN

Cơ quan chủ quản : Bộ Công Thương

Cơ quan chủ trì : Trường Đại học Công nghiệp Hà Nội

Chủ nhiệm đề tài : ThS Hoàng Thanh Đức

8872

Hà nội 12/2010

Bộ CÔNG thương Trường đại học công nghiệp hà nội

**********

Những người tham gia thực hiện:

ThS Nguyễn Thế Hữu ThS Ngụ Văn Quang

TS Phạm Duy Nam

KS Nguyễn Hoàng Quõn

Chủ nhiệm đề tài

ThS Hoàng Thanh Đức

MỤC LỤC

Trang

MỞ ĐẦU 6

Chương 1 TỔNG QUAN VỀ CHẤT TẢY CẶN VÀ PHƯƠNG PHÁP TẨY CẶN 9

1.1 Sự hình thành cặn bên trong các thiết bị trao đổi nhiệt 9

1.2 Thành phần cấu tạo, tính chất của cặn trong các thiết bị trao đổi nhiệt 9

1.3 Sự ảnh hưởng của lớp cặn đến công suất của các thiết bị trao đổi nhiệt 11

1.4 Các phương pháp làm sạch lớp cặn của các thiết bị trao đổi nhiệt 14

1.5 Các loại chất tẩy rửa cáu cặn cho các thiết bị trao đổi nhiệt 15

1.5.1 Chất tẩy cặn axit vô cơ 15

1.5.2 Chất tẩy cặn kiềm 17

1.5.3 Chất tẩy cặn hữu cơ, sinh học 17

1.6 Phương pháp đánh giá ăn mòn kim loại của môi trường ăn mòn 20

1.6.1 Đánh giá ăn mòn bằng xác định tốc độ ăn mòn theo phương pháp khối lượng 20

1.6.2 Đánh giá ăn mòn bằng cách xác định tốc độ ăn mòn theo phương pháp điện hóa 21

Chương 2 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU VÀ THỰC NGHIỆM 22

2.1 Nghiên cứu lựa chọn một số chất hữu cơ, sinh học để pha chế chất tẩy cặn cho các thiết bị trao đổi nhiệt 22

2.1.1 Tính chất và ứng dụng của axit Lactic 23

2.1.2 Tính chất và ứng dụng của axit Sulfamic 25

2.2 Nguyên liệu và Hóa chất sử dụng 26

2.3 Tính chất và đặc tính kỹ thuật của các hóa chất sử dụng để pha chế chất tẩy cặn sinh học 27

2.4 Pha chế chất tẩy cặn 29

2.4.1 Khảo sát, xác định nồng độ của dung dịch axit Lactic 29

a Pha chế các mẫu dung dịch axit nồng độ từ 29

b Xác định nồng độ của axit Lactic khi hòa tan cặn ở nhiệt độ thường 29

c Xác định nồng độ của axit Lactic khi hòa tan cặn ở nhiệt độ 70-80oC 29

2.4.2 Khảo sát xác định nồng độ của dung dịch axit Sulfamic 30

a Xác định nồng độ của dung dịch axit sulfamic ở nhiệt độ phòng 30

b Xác định nồng độ của axit Sulfamic khi hòa tan cặn ở nhiệt độ 70-80oC 30

c Xác định khả năng hòa tan cặn của dung dịch axit Sulfamic khi pha chế thêm

chất ức chế ăn mòn kim loại 30

2.4.3 Kiểm tra mức độ ăn mòn kim loại của dung dịch axit Sulfamic theo phương pháp khối lượng 31

a Chuẩn bị dung dịch axit: 31

b Chuẩn bị mẫu 31

c Tiến hành thí nghiệm 31

2.4.4 Pha chế dung dịch chất tẩy cặn 32

2.4.5 Xác định khả năng hòa tan cặn của dung dịch chất tẩy đã pha chế 33

a Xác định khả năng hòa tan cặn của các dung dịch chất tẩy cặn ở nhiệt độ phòng trong trường hợp khuấy dung dịch tẩy 33

b Xác định khả năng hòa tan cặn của các dung dịch chất tẩy cặn trong trường hợp ngâm tĩnh cặn ở nhiệt độ phòng 33

c Xác định khả năng hòa tan cặn của dung dịch chất tẩy cặn ở nhiệt độ 70-80oC 34

2.5 Kiểm tra, đánh giá ăn mòn kim loại của dung dịch tẩy cặn đã pha chế 34

2.5.1 Kiểm tra ăn mòn kim loại của dung dịch tẩy cặn ở nhiệt độ phòng 34

2.5.2 Kiểm tra, đánh giá mức độ ăn mòn kim loại của dung dịch tẩy cặn ở nhiệt độ 70-80oC 34

a Chuẩn bị mẫu 34

b Tiến hành thí nghiệm 35

2.6 Thử nghiệm thực tế tẩy cặn trên các thiết bị trao đổi nhiệt 35

2.6.1 Tẩy cặn của két nước ô tô 35

2.6.2 Tẩy cặn của lò hơi tại Trung tâm Hóa Thực Vật - Viện Hóa học Công nghiệp Việt Nam 35

a Tẩy cặn ở nhiệt độ thường 36

Chương 3 KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU XÁC ĐỊNH QUY TRÌNH, CÔNG THỨC PHA CHẾ CHẤT TẨY CẶN BẰNG AXIT LACTIC VÀ PHỤ GIA 37

3.1 Kết quả nghiên cứu lựa chọn các chất để pha chế chất tẩy cặn 37

3.2 Kết quả xác định công thức pha chế chất tẩy cặn 39

3.2.1 Kết quả khảo sát, xác định nồng độ của dung dịch axit Lactic 39

3.2.2 Kết quả khảo sát, xác định nồng độ của dung dịch axit Sulfamic 42

3.2.3 Xác định ăn mòn kim loại của dung dịch axit Sulfamic 45

3.3 Kết quả xác định khả năng hòa tan cặn của các công thức chất tẩy cặn 52

a Kết quả xác định khả năng hòa tan cặn của các dung dịch chất tẩy cặn ở

nhiệt độ phòng trong trường hợp ngâm tĩnh 52

b Kết quả xác định khả năng hòa tan cặn của các dung dịch chất tẩy cặn trong trường hợp ngâm kết hợp khuấy ở nhiệt độ phòng 53

c Kết quả xác định khả năng hòa tan cặn của các dung dịch chất tẩy cặn ở nhiệt độ cao 70-80oC 55

3.4 Kết quả kiểm tra, đánh giá ăn mòn kim loại của dung dịch tẩy cặn 56

a Kiểm tra mức độ ăn mòn kim loại của dung dịch tẩy cặn ở nhiệt độ phòng 56 b Kiểm tra mức độ ăn mòn kim loại của dung dịch tẩy cặn ở nhiệt độ 80oC 58

3.5 Kết quả thử nghiệm thực tế tẩy cặn của thiết bị lò hơi, kết nước ô tô 59

3.5.1 Tẩy cặn của két nước ô tô 60

3.5.2 Thử nghiệm tẩy cặn của lò hơi nước tại Trung tâm Hóa Thực Vật - Viện Hóa học Công nghiệp Việt Nam 60

a Tẩy cặn ở nhiệt độ thường 61

b Tẩy cặn ở nhiệt độ cao 61

3.6 Tính toán giá thành cho dung dịch chất tẩy cặn đã xác lập công thức 61

KẾT LUẬN 63

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT

- HĐBM: Chất hoạt động bề mặt

- LAS: Leanler ankylbenzen sunfonic

- DBNS: Natri Đibutyl Naphtalen Sulfonat

- EDTA: Etylen Diamin Tetra Axetic dạng muối dinatri

- ASTM: Tiêu chuẩn kiểm tra đánh giá chất lượng vật chất của Mỹ (American

Society for Testing and Materials)

- iăn mòn: Dòng ăn mòn

- Eăn mòn: Điện thế ăn mòn

- Rp : Điện trở phân cực

- Văn mòn: Tốc độ ăn mòn

- Păn mòn : Chiều sâu lớp ăn mòn

DANH MỤC CÁC BẢNG

Trang Bảng 1.1 Tổn hao năng lượng do cặn gây lên cho thiết bị 13

Bảng 2.1 Thành phần các chất trong một số mẫu cặn của lò hơi và két nước làm mát của xe ô tô 26

Bảng 3.1 Kết quả xác định nồng độ của axit Lactic ở nhiệt độ phòng 39

Bảng 3.2 Kết quả xác định nồng độ của axit Lactic ở nhiệt độ 70-80oC 40

Bảng 3.3 Kết quả xác định nồng độ của axit Sulfamic ở nhiệt độ phòng 41

Bảng 3.4 Kết quả xác định nồng độ của axit Sulfamic ở nhiệt độ 70- 80oC 42

Bảng 3.5 Kết quả khảo sát ảnh hưởng của chất ức chế ăn mòn đến khả năng hòa tan cặn của axit Sulfamic 43

Bảng 3.6 Kết quả xác định tốc độ ăn mòn thép CT-3 của dung dịch axit Sulfamic khi không có chất ức chế ăn mòn 45

Bảng 3.7 Kết quả xác định tốc độ ăn mòn đồng của dung dịch axit Sulfamic khi không có chất ức chế ăn mòn 46

Bảng 3.8 Kết quả xác định tốc độ ăn mòn nhôm của dung dịch axit Sulfamic khi không có chất ức chế ăn mòn kim loại 47

Bảng 3.9 Kết quả xác định tốc độ ăn mòn thép CT-3, đồng và nhôm của dung dịch axit Sulfamic khi có chất ức chế ăn mòn 48

Bảng 3.10 Kết quả xác định khả năng hòa tan cặn của các dung dịch chất tẩy

trong trường hợp ngâm tĩnh ở nhiệt độ phòng 52

Bảng 3.11 Kết quả xác định khả năng hòa tan cặn của các dung dịch chất tẩy ở nhiệt phòng trường hợp khuấy 53

Bảng 3.12 Kết quả xác định khả năng hòa tan cặn của các dung dịch chất tẩy ở nhiệt 70-80oC 54

Bảng 3.13 Kết quả kiểm tra ăn mòn thép CT-3 của dung dịch chất tẩy 56

Bảng 3.14 Kết quả kiểm tra ăn mòn đồng của dung dịch chất tẩy 57

Bảng 3.15 Kết quả kiểm tra ăn mòn nhôm của dung dịch chất tẩy 57

Bảng 3.16 Kết quả kiểm tra ăn mòn kim loại của dung dịch tẩy cặn 58

Bảng 3.17 Giá thành của dung dịch chất tẩy cặn 60

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Trang Hình 3.1 Đồ thị thể hiện khả năng hòa tan cặn của dung dịch axit Lactic theo nồng độ ở nhiệt độ phòng 40

Hình 3.2 Đồ thị thể hiện khả năng hòa tan cặn của dung dịch axit Lactic theo nồng độ ở nhiệt độ 70-80oC 41

Hình 3.3 Đồ thị thể hiện khả năng hòa tan cặn của axit Sulfamic theo nồng độ nhiệt độ phòng 42

Hình 3.4 Đồ thị thể hiện khả năng hòa tan cặn của axit Sulfamic theo nồng độ ở nhiệt độ 70-80oC 43

Hình 3.5 Đồ thị thể hiện khả năng hòa tan cặn của axit Sulfamic theo nồng độ khi pha thêm chất ức chế ăn mòn và lắng cặn 44

Hình 3.6 Tốc độ ăn mòn thép CT-3 theo nồng độ axit Sulfamic 45

Hình 3.7 Tốc độ ăn mòn đồng theo nồng độ axit Sulfamic 46

Hình 3.8 Tốc độ ăn mòn nhôm theo nồng độ axit Sulfamic 47

Hình 3.9 Đồ thị thể hiện khả năng hòa tan cặn của các mẫu chất tẩy trong trường hợp ngâm tĩnh ở nhiệt độ phòng 52

Hình 3.10 Đồ thị thể hiện khả năng hòa tan cặn của các mẫu chất tẩy trong trường hợp khuấy dung dịch tẩy ở nhiệt độ phòng 53

Hình 3.11 Đồ thị thể hiện khả năng hòa tan cặn của các mẫu chất tẩy trong điều kiện nhiệt độ 70-80oC 55

MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của đề tài

Đóng cặn là hiện tượng kết tủa muối, oxit của Canxi, Mage, Silic bám trên bề mặt các thiết bị trao đổi nhiệt như điều hòa nhiệt độ, dàn sinh hàn, bên trong nồi hơi, lò hơi nước, thiết bị chưng cất nước Hiện tượng đóng cặn xảy

ra thường xuyên khi các thiết bị này hoạt động, lớp cặn sẽ ngày càng dày lên

và bám chắc vào bề mặt của thiết bị Lớp cặn này gây ảnh hưởng rất lớn đến hiệu suất làm việc của thiết bị, làm giảm hiệu suất truyền dẫn nhiệt, làm tăng

sự tiêu hao nhiên liệu và năng lượng của thiết bị Đồng thời, sự đóng cặn còn làm tăng khả năng ăn mòn kim loại và giảm tuổi thọ của thiết bị [ 1,2,3 ]

Để cho thiết bị làm việc có hiệu quả và an toàn, người ta phải thường xuyên làm sạch lớp cặn tạo thành Một trong những biện pháp thuận tiện và hiệu quả để tẩy sạch lớp cặn là dùng chất tẩy cặn Chất tẩy cặn cho các thiết bị trao đổi nhiệt hiện nay thường được pha chế bằng axit vô cơ, vì vậy thường gây ăn mòn thiết bị, gây ô nhiễm môi trường và không sử dụng được cho các thiết bị chế tạo bằng các kim loại đắt tiền như bạc, đồng, nhôm Việc tẩy cặn cho các thiết bị cao cấp như điều hòa nhiệt độ, két nước ôtô, thiết bị cất nước vẫn phải sử dụng chất tẩy cặn nhập khẩu, được pha chế bằng chất tẩy

là axit hữu cơ, sinh học Những chất tẩy cặn nhập khẩu loại này có giá thành cao và không chủ động được nguồn hàng

Chất tẩy cặn hữu cơ, sinh học có ưu điểm là dễ sử dụng, khả năng tẩy sạch cao, không gây ăn mòn thiết bị và không gây ô nhiễm môi trường [4,5,6] Ở nước ta hiện nay vẫn chưa có một cơ sở nào pha chế, sản xuất được chất tẩy cặn bằng các chất hữu cơ, sinh học Nguồn cung sản phẩm tẩy cặn loại này chủ yếu là nhập ngoại, với giá thành cao Việc nghiên cứu pha chế chất tẩy cặn bằng chất tẩy hữu cơ, sinh học không ăn mòn kim loại, không gây ô nhiễm môi trường, có giá thành thấp trong tình hình hiện nay sẽ đáp ứng nhu cầu sử dụng, tiết kiệm ngoại tệ và chủ động được nguồn hàng, là điều rất cấp thiết

2 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài

Việc nghiên cứu xác lập quy trình công nghệ pha chế chất tẩy cặn bằng axit sinh học, hữu cơ sẽ tạo ra được sản phẩm chất tẩy cặn mới, có các đặc tính ưu việt hơn các chất tẩy cặn hiện đang sử dụng pha chế từ axit vô cơ Đề tài sẽ góp phần tạo ra quy trình công nghệ, quy trình sản xuất chất tẩy cặn sinh học, không độc hại, dễ sử dụng, không ăn mòn kim loại và thân thiện với môi trường Từ đó chủ động được việc sản xuất chất tẩy cặn bằng chất tẩy sinh học phục vụ cho nhu cầu sử dụng

Việc nghiên cứu pha chế được dung dịch chất tẩy cặn bằng chất tẩy sinh học sẽ cho giá thành hạ, đáp ứng được nhu cầu sử dụng trong tình hình hiện nay, góp phần tiết kiệm được ngoại tệ, giảm thiểu ô nhiễm môi trường

3 Mục tiêu của đề tài

- Xác lập được quy trình, công thức pha chế dung dịch chất tẩy cặn bằng chất tẩy là axit Lactic và các phụ gia, dùng cho các thiết bị trao đổi nhiệt như lò hơi, két nước ô tô, cánh tản nhiệt của máy điều hòa nhiệt độ, với giá thành hạ, không ăn mòn thiết bị

- Pha chế thử 20 lít dung dịch tẩy cặn cho các thiết bị trao đổi nhiệt như điều hòa nhiệt độ, két nước ôtô, lò hơi bằng axit Lactic, axit Sulfamic và phụ gia

4 Nội dung nghiên cứu

- Xác lập quy trình công nghệ, công thức pha chế dung dịch chất tẩy cặn bằng chất tẩy là axit sinh học, hữu cơ như axit Lactic, Sulfamic và các phụ gia, sử dụng cho các thiết bị trao đổi nhiệt như điều hòa nhiệt độ, két nước ô tô, lò hơi

- Đánh giá khả năng tẩy sạch cặn canxi cacbonat, mage cacbonat của dung dịch tẩy cặn pha chế được Kiểm tra mức độ ăn mòn kim loại của dung dịch tẩy cặn pha chế được

- Pha chế 20 lít dung dịch tẩy cặn cho các thiết bị trao đổi nhiệt như: Lò hơi, điều hòa nhiệt độ, két nước ôtô, bằng axit Lactic và các phụ gia

5 Phương pháp nghiên cứu

- Nghiên cứu tìm hiểu về các loại chất tẩy cặn và phương pháp tẩy cặn canxi cacbonat, mage cacbonat cho các thiết bị trao đổi nhiệt bằng dung dịch chất tẩy cặn

- Nghiên cứu tính chất, tác dụng của axit Lactic và axit Sulfamic với các chất trong thành phần của cặn để tìm ra chất hòa tan, tẩy sạch cặn trong các thiết bị trao đổi nhiệt

- Tiến hành thực nghiệm khảo sát, xác định công thức, quy trình pha chế dung dịch tẩy cặn bằng axit sinh học Lactic kết hợp với axit hữu cơ Sulfamic và phụ gia để thu được chất tẩy có khả năng tẩy cặn tốt nhất

- Tiến hành các thí nghiệm lặp lại để xác định khả năng hòa tan, tẩy sạch cặn và kiểm tra mức độ ăn mòn kim loại của dung dịch tẩy pha chế được

6 Sản phẩm tạo ra của đề tài

Đề tài tạo ra quy trình công nghệ chế tạo chất tẩy cặn mới, cho các thiết

bị trao đổi nhiệt bằng các chất hữu cơ, sinh học Sản phẩm chất tẩy cặn có các đặc tính kỹ thuật ưu việt hơn những sản phẩm tẩy cặn hiện đang sử dụng, pha chế từ axit vô cơ, từ kiềm

Sản phẩm chất tẩy cặn được pha chế bằng axit Lactic, Sulfamic là những axit sinh học và axit hữu cơ và được kết hợp với các phụ gia để tăng cường khả năng hòa tan cặn và phòng chống ăn mòn kim loại Do đó có tác dụng tẩy sạch cặn cao, không độc hại, an toàn cho người khi sử dụng, không

ăn mòn thiết bị, có thể phân hủy sinh học khi thải ra môi trường, cho nên không gây ô nhiễm môi trường Gía thành sản phẩm tẩy cặn của đề tài pha chế được thấp hơn so với sản phẩm nhập ngoại

Chương 1

TỔNG QUAN VỀ CHẤT TẨY CẶN, PHƯƠNG PHÁP TẨY CẶN

CHO CÁC THIẾT BỊ TRAO ĐỔI NHIỆT

1.1 Sự hình thành cặn bên trong các thiết bị trao đổi nhiệt

Trong thực tế, nước sử dụng cho nồi hơi, két nước ô tô, máy cất nước, nồi đun nước , cho dù đã được xử lý khá tốt nhưng vẫn có một lượng nhỏ các muối canxi, mage, silicat, oxit sắt hòa tan [1,2,8] Trong quá trình làm việc, do tác dụng của nhiệt, các chất này sẽ kết tủa và bám dính vào bề mặt của thiết bị Kết tủa sẽ ngày càng dày lên theo thời gian làm việc của thiết bị, tạo thành lớp chất rắn bao phủ khắp bề mặt của thiết bị, kết tủa này thường

gọi là cặn Lớp cặn có ảnh hưởng rất lớn đến sự trao đổi nhiệt của thiết bị,

làm giảm hiệu suất trao đổi nhiệt, gây ăn mòn kim loại và tiêu hao năng lượng Việc xử lý lớp cặn không kịp thời sẽ làm giảm rất lớn hiệu suất làm việc của thiết bị và có thể dẫn đến nổ nồi hơi, đường ống [1,2,7,8] Để giải quyết vấn đề cặn trong các thiết bị trao đổi nhiệt người ta thường có một số biện pháp sau:

+ Tẩy lớp cặn bằng các chất tẩy cặn hay bằng cơ học theo định kỳ sử dụng, đây là điều kiện bắt buộc trong hồ sơ kiểm định đối với lò hơi nước, kết nước ô tô và một số thiết bị trao đổi nhiệt bằng hơi nước khác

+ Phòng chống sự tạo thành cặn bằng cách sử dụng chất chống lắng cặn, sử dụng vật liệu chống bám cặn

+ Phòng chống sự tạo thành cáu cặn bằng cách xử lý và nâng cao chất lượng nước cấp cho các thiết bị trao đổi nhiệt Trong thực tế để đạt được hiệu quả cao nhất người ta phải kết hợp cả ba biện pháp này [9,10]

1.2 Thành phần cấu tạo và tính chất của lớp cặn trong các thiết bị trao đổi nhiệt

Một số nghiên cứu [10] đã cho thấy, tùy theo chất lượng nguồn nước cấp

mà thành phần của cặn kết tủa trong các thiết bị trao đổi nhiệt, thường bao gồm: Oxit silic (dạng SiO3-2): 11-19%

Oxit sắt Fe2O3 (có thể tồn tạiở dạng Fe(OH)3.nH2O): 12-42%

Oxit canxi: 17- 32%, oxit mage: 4-12%

Canxi cacbonat CaCO3: 41- 54%, mage cacbonat MgCO3: 21-47% Muối sunphat tính theo SO4 và SO3: 3-26%

Và một số các chất kết tủa khác như Serpentin 3MgO.SiO2.H2O chiếm khoảng 3-13%, Buruxit Mg(OH)2 khoảng 6-10%

Nói chung cặn trong các thiết bị trao đổi nhiệt, lò hơi có thành phần chủ yếu vẫn là các muối của Canxi, Mage do nước cứng gây nên, nước có độ cứng càng cao thì sự tạo cặn càng nhiều

Cặn tạo thành trong các thiết bị trao đổi nhiệt là chất rắn có màu xám trắng hay màu vàng nâu, không tan trong nước và trong các dung môi hữu cơ: etanol, axeton, benzen, ete Một số dung dịch axit vô cơ như axit Clohidric HCl, axit Flohidric HF và một số axit hữu cơ, sinh học như axit Sulfamic, axit Lactic có thể phản ứng với các chất trong thành phần của cặn, tạo thành các chất dễ tan trong nước, hòa tan và tẩy sạch lớp cặn bám trên thiết bị

* Một số phản ứng của dung dịch axit với các thành phần của cặn:

1, Phản ứng của dung dịch axit HCl với các chất trong thành phần của lớp cặn tạo thành các muối clorua tan trong nước

Mg(OH)2 + 2HCl MgCl2 + 2H2O

2, Phản ứng của dung dịch axit HF với thành phần oxit silic của cặn

SiO3-2 + 2HF H2SiO3 + F2

3, Phản ứng của dung dịch axit hữu cơ Sulfamic với các chất trong thành phần của cặn tạo thành muối sulfamat canxi, mage tan trong nước:

CaCO3 + 2NH2HSO3 Ca(NH2SO3)2 + H2O + CO2

MgCO3 + 2NH2HSO3 Mg(NH2SO3)2 + H2O + CO2

Fe(OH)3 + 3NH2HSO3 Fe(NH2SO3)3 + 3H2O

CaO + 2NH2HSO3 Ca(NH2SO3)2 + H2O

MgO + 2NH2HSO3 Mg(NH2SO3)2 + H2O

4, Phản ứng của dung dịch axit sinh học Lactic với các chất trong thành phần của cặn tạo thành muối lactat canxi, lactat mage tan trong nước [15,16]:

CaCO3 + 2C3H6O3 Ca(C3H5O3)2 + H2O + CO2 MgCO3 + 2C3H6O3 Mg(C3H5O3)2 + H2O + CO2

1.3 Sự ảnh hưởng của lớp cặn đến công suất của các thiết bị trao đổi nhiệt [4]

Cáu cặn nước có ảnh hưởng rất lớn đến công suất và hiệu quả làm việc

của thiết bị Cáu cặn làm tiêu hao nhiên liệu, năng lượng và làm giảm tuổi thọ của thiết bị do bị ăn mòn bởi cáu cặn, do máy phải làm việc ở nhiệt độ, áp suất và cường độ cao hơn [4]

* Đối với thiết bị ngưng, dàn ống sinh hàn: Khi có cáu cặn, thiết bị

sẽ làm việc kém hiệu quả, các thông số của hệ thống sẽ thay đổi theo chiều hướng không tốt như:

- Năng suất lạnh của hệ thống giảm, tổn thất tiết lưu tăng

- Nhiệt độ cuối quá trình nén tăng

- Công nén tăng, mô tơ có thể quá tải

- Độ an toàn giảm do áp suất phía cao áp tăng, rơ le HP có thể tác động ngừng máy nén, van an toàn có thể hoạt động

* Đối với thiết bị lạnh, hệ thống điều hòa nhiệt độ: Khi hệ thống giải

nhiệt bị bẩn, thường gây nên hiện tượng áp suất đẩy quá cao, sự truyền nhiệt

bị giảm đi, dẫn đến máy tiêu hao nhiều năng lượng và hiệu quả điều chỉnh nhiệt độ không khí của máy không đạt Máy phải làm việc nhiều, chất lỏng làm mát và các chi tiết của máy sẽ ở trong điều kiện nhiệt độ cao hơn bình thường, dẫn đến máy sẽ nhanh chóng bị hỏng

* Khi lò hơi có cặn bám: Sẽ gây ra tiêu hao, tổn thất năng lượng và ăn

mòn các ống hơi, cản trở quá trình sinh hơi Lớp cặn bám trở thành yếu tố cách nhiệt, làm chậm quá trình truyền nhiệt, giảm đáng kể hiệu suất lò hơi Các loại cặn bám khác nhau sẽ gây ra các ảnh hưởng khác nhau đến hiệu suất của lò hơi Khả năng cách nhiệt của cặn bám làm tăng nhiệt độ của kim loại chế tạo lò hơi và làm hỏng ống do quá nhiệt

* Đối với thiết bị được gia nhiệt bằng hơi nước: Cặn làm kéo dài thời

gian gia nhiệt, làm tổn hao năng lượng, kéo dài chu trình máy và làm giảm năng suất của máy

* Đối với thiết bị được làm mát bằng nước: Cáu cặn sẽ làm cho máy

thường xuyên phải làm việc ở nhiệt độ cao hơn thiết kế, bơm làm mát phải tăng lưu lượng, hiệu suất của thiết bị giảm

Người ta đã tính được hệ số tổn hao năng lượng do cáu cặn gây ra như sau: Khi cáu cặn bám dày 1mm thì hệ số truyền nhiệt giảm 10-15%, do vậy mức năng lượng hao phí là 7,5% – 8 % công suất máy Khi cáu cặn bám dày 3

mm thì hệ số truyền nhiệt giảm 50-60%, do vậy mức năng lượng hao phí có thể đạt tới 35%-40% [4]

Giả sử với một thiết bị có công suất 100 Kw/h, thiết bị làm việc 20 giờ/ngày, một tháng thiết bị làm việc 26 ngày, nếu thiết bị được vận hành tốt,

sử dụng nước làm mát tốt, thì sau 12 tháng cáu cặn sẽ đóng dày 1 mm Sau 12

tháng thiết bị làm vệ sinh tẩy cặn một lần Người ta có thể xác định được mức

tổn hao năng lượng do cáu cặn gây nên như sau [4]:

Bảng 1.1 Tổn hao năng lượng do cặn gây lên cho thiết bị

Mức tổn hao mỗi giờ là (Kw)

Mức tổn hao mỗi ngày (Kw)

Mức tổn hao cả tháng (Kw)

Như vậy một năm thiết bị sẽ tổn hao 25350 Kw do cáu cặn Tính trung

bình theo năng lượng điện mỗi Kw là 1500đ/Kw, thì mỗi năm tổn thất kinh tế

do cặn gây nên sẽ là: 25350 Kw x 1.500đ/Kw = 38.025.000đồng Để giảm

thiểu tổn hao năng lượng do cáu cặn gây nên, ta phải thường xuyên vệ sinh

làm sạch cáu cặn cho thiết bị Giả sử sau 6 tháng ta tiến hành tẩy rửa cáu cặn

một lần thì mỗi năm với một thiết bị có công suất 100Kw/h ta có thể tiếp kiệm

được số tiền là:

38.025.000đ – (325+650+975)Kw x 1500đ = 35.100.000 đồng

Một số nghiên cứu mới đây [4,5] đã chỉ ra rằng: Khi két nước ô tô bị

bám cặn thì sức truyền nhiệt kém làm cho nhiệt độ của máy, bơm nước và các

thiết bị trong khoang máy đều tăng cao dẫn đến máy làm việc tổn hao năng

lượng Khi lượng cáu cặn bám dày 1mm thì tổn hao năng lượng đối với ô tô,

máy công trình và các động cơ đốt trong khác là: 7,5%-8% Với cáu cặn bám dầy 2 mm thì tổn hao là 20 – 25%

Theo quy tắc Thumb [1] nếu lớp cặn bám dày 1mm ở trong thành nồi hơi sẽ tăng tiêu thụ nhiên liệu lên 5 - 8 %

1.4 Các phương pháp làm sạch lớp cặn của các thiết bị trao đổi nhiệt

Theo định kỳ làm việc, các thiết bị trao đổi nhiệt phải thường xuyên vệ sinh làm sạch cặn và cáu bẩn Có thể có một số phương pháp để làm sạch cáu cặn trong các thiết bị trao đổi nhiệt:

1, Làm sạch bằng cơ học như: Cọ rửa, mài, cạo, đánh bóng…

2, Làm sạch bằng phương pháp hóa học như:

- Tẩy cặn bằng dung dịch kiềm: Ở phương pháp này người ta sử dụng hỗn hợp dung dịch gồm NaOH 2-3% và Na3PO4 5% ngâm cáu cặn ở nhiệt độ 90-100oC, áp suất 1,3 at, trong thời gian 24-48 giờ để cho lớp cặn mền và bong ra khỏi bề mặt nồi hơi hay đường ống [1,9]

- Tẩy cặn bằng dung dịch axit loãng: Với phương pháp này người ta sử dụng chất tẩy được pha chế bằng dung dịch axit HCl 10-15% và các chất ức chế ăn mòn, chất hoạt đông bề mặt Lớp cặn được ngâm trong chất tẩy ở nhiệt

độ thường hay nhiệt độ cao cho đến khi tan hết Tẩy cặn bằng phương pháp này tương đối đơn giản, thời gian ngắn, tuy nhiên có thể gây ăn mòn thiết bị

- Tẩy cặn bằng chất hữu cơ, sinh học: Hiện nay, ở nước ta đã bắt đầu sử dụng chất tẩy cáu cặn được pha chế bằng những axit hữu cơ, sinh học nhập khẩu từ nước ngoài [4,5,6,7] cho nồi hơi và các thiết bị trao đổi nhiệt Chất tẩy cặn bằng axit hữu cơ, sinh học có nhiều ưu điểm hơn chất tẩy cặn bằng dung dịch axit vô cơ và dung dịch kiềm, như khả năng tẩy sạch tốt, thời gian tẩy cặn ngắn, không ăn mòn kim loại và không gây ô nhiễm môi trường Khi tẩy cặn bằng chất tẩy sinh học, người ta thường bơm tuần hoàn dung dịch chất tẩy chảy qua bề mặt lớp cáu cặn, hoặc ngâm cáu cặn trong dung dịch chất tẩy

ở nhiệt độ thường hay ở nhiệt độ khoảng 70-80oC, trong thời gian khoảng

24-32 giờ, tùy theo độ dày lớp cáu cặn

3, Tẩy cặn bằng phương pháp sóng siêu âm: Ở phương pháp này người

ta phải sử dụng máy phát sóng siêu âm để bắn phá, làm bong lớp cáu cặn trên

bề mặt của thiết bị, sau đó dùng nước rửa sạch lớp cáu cặn đã bị bong ra Phương pháp tẩy cặn bằng sóng siêu âm là một phương pháp hiện đại, có hiệu quả cao và có một số ưu điểm hơn các phương pháp tẩy cặn khác như: Thời gian tẩy nhanh, thao tác đơn giản, mức độ tẩy sạch cao, có thể tẩy được lớp cặn rất dày, không gây ăn mòn thiết bị, không ô nhiễm môi trường Tuy nhiên tẩy cặn bằng phương pháp sóng siêu âm có những nhược điểm [6]:

+ Không làm sạch được toàn bộ hệ thống mà chỉ những khu vực có lắp đặt thiết bị siêu âm

+ Việc phá vỡ cáu cặn xong lại gây tắc ở các bầu lọc

+ Chi phí lắp đặt thiết bị nhiều tiền, tốn nhiều điện năng

+ Không làm vỡ được những cáu cặn hữu cơ, rong rêu, vi sinh, gỉ sắt + Có thể gây nguy hiểm cho người vận hành và người ở xung quanh + Giá thành của thiết bị phát sóng rất cao, nhiều nơi chưa chế tạo được

1.5 Các loại chất tẩy rửa cáu cặn cho các thiết bị trao đổi nhiệt

Hiện nay người ta thường sử dụng một số chất tẩy cặn cho các thiết bị trao đổi nhiệt như lò hơi, máy cất nước, két nước ô tô, điều hòa nhiệt độ, thiết

bị ngưng, thiết bị sinh hàn:

1.5.1 Chất tẩy cặn axit vô cơ

Chất tẩy cặn axit vô cơ có thành phần chất tẩy chính là dung dịch các axit vô cơ và các phụ gia: Ức chế ăn mòn, ức chế lắng cặn, chất hoạt động bề mặt, chất khử

- Thành phần của chất tẩy cặn axit vô cơ thường là dung dịch axit HCl hàm lượng 10-15% và axit HF hàm lượng 0,5-1,5% Dung dịch axit HCl có tác dụng hoà tan các muối CaCO3, CaSO4, MgCO3, MgSO4, Fe2O3 trong thành phần của lớp cặn Dung dịch axit HF hòa tan thành phần cặn oxit silic SiO2

- Phụ gia ức chế ăn mòn có tác dụng ngăn cản phản ứng ăn mòn của các axit HCl, HF với kim loại chế tạo thiết bị Các chất sử dụng làm phụ gia

ức chế ăn mòn kim loại trong chất tẩy cặn axit thường là: Urotropin, Thioure

và một số sản phẩm ngưng tụ giữa Benzylamin với Urotropin [10,11] Hàm lượng của chất phụ gia ức chế ăn mòn trong chất tẩy cặn axit chiếm khoảng 1-5% về khối lượng

- Phụ gia ức chế lắng cặn có tác dụng liên kết hoặc tạo phức với các ion

Ca2+, Mg2+ tạo thành trong quá trình hòa tan cặn Các phức với ion Canxi và Mage này sẽ không thể kết tủa bám trở lại trên bề mặt của thiết bị để tạo thành lớp cặn mới Chất ức chế lắng cặn được dùng trong dung dịch tẩy cặn axit thường là: EDTA, axit Citric, axit Acrylic, polyacrylic hay polyacrylat [14,17] Chất ức chế lắng cặn chiếm tỷ lệ 0,1-0,5% khối lượng dung dịch chất tẩy cặn

- Chất hoạt động bề mặt là những chất thấm ướt và tẩy rửa, có tác dụng làm cho dung dịch axit thấm sâu vào trong lớp cặn, tới bề mặt tiếp xúc giữa lớp cặn với thiết bị, làm cho cặn nhanh chóng bị hòa tan Chất hoạt động bề mặt còn có tác dụng tẩy rửa cáu bẩn, tạo nhũ tương, tạo bọt làm ngăn cản sự đóng cặn trở lại trong quá trình hòa tan cặn Chất hoạt động bề mặt được sử dụng trong chất tẩy cặn axit là: Leanler ankylbenzen sunfonic (LAS) hoặc Natri đibutyl naphtalen sulfonat (DBNS), với tỷ lệ 0,5-1,5% khối lượng của chất tẩy cặn

Ngoài ra trong thành phần của chất tẩy cặn axit còn có thể có chất khử với tỷ lệ từ 0,5-1,5% Chất khử có tác dụng chống đông đặc và kết tủa cặn, đồng thời còn làm giảm tốc độ ăn mòn kim loại do axit gây lên Người ta thường sử dụng các chất: Hidroxylamin sunfonat, Formandehit, Etylenglicol

để làm chất khử trong dung dịch tẩy cặn [12,13]

Hiện nay chất tẩy cặn axit vẫn được sử dụng khá phổ biến, để tẩy cáu cặn cho các thiết bị trao đổi nhiệt như lò hơi, hệ thống giải nhiệt, đường ống hơi nước…Tuy nhiên chất tẩy cặn axit vô cơ thường gây ăn mòn kim loại khá lớn, nhất là đối với những kim loại màu như đồng, nhôm, thiếc…Ngoài ra còn

gây ô nhiễm môi trường Dung dịch tẩy cặn axit vô cơ có thể gây nguy hiểm cho người trong khi thao tác

1.5.2 Chất tẩy cặn kiềm

Chất tẩy cặn kiềm được pha chế bằng các chất kiềm, có thể được bổ sung thêm chất tẩy rửa Chất tẩy cặn kiềm có tính năng tẩy sạch kém, chủ yếu dùng để vệ sinh các thiết bị có ít cáu cặn, lớp cặn mỏng Qúa trình tẩy cặn phải thực hiện ở nhiệt độ và áp suất cao mới cho hiệu quả tẩy sạch

Chất tẩy cặn kiềm được pha chế bằng các chất kiềm NaOH hay KOH

và Natri phốt phát Na3PO4 hay Natri Tripoly phốt phát Na5P3O10 cùng với chất hoạt động bề mặt Các chất kiềm và muối phốt phát dưới tác dụng của nhiệt độ sẽ tác dụng với các chất oxit, muối trong thành phần của cặn, làm tan rữa kết cấu lớp cặn Thành phần của chất tẩy cặn kiềm bao gồm: NaOH 2-3%,

Na3PO4 3-5% hoặc Na5P3O10 2-3% và 1% chất hoạt động bề mặt [2,9,13] Chất hoạt động bề mặt thường được sử dụng là Leanler ankylbenzen sunfonic (LAS) hoặc Natri đibutyl naphtalen sulfonat (DBNS)

Trong thực tế chất tẩy cặn kiềm ít được sử dụng hơn chất tẩy cặn axit vì phải tiến hành ở nhiệt độ cao 90-100oC, khả năng tẩy sạch cặn kém và thời gian tẩy cặn kéo dài hơn Tuy nhiên chất tẩy cặn kiềm có ưu điểm là không gây ăn mòn kim loại và có giá thành thấp

1.5.3 Chất tẩy cặn hữu cơ, sinh học

Chất tẩy cặn pha chế bằng các axit sinh học, axit hữu cơ, thường gọi là

chất tẩy cặn sinh học Loại chất tẩy cặn này đã được các nước như Mỹ,

Australia, Trung Quốc nghiên cứu chế tạo và sử dụng nhiều trong thực tế những năm gần đây để thay thế chất tẩy cặn kiềm và axit vô cơ Trên thị trường hiện nay đang lưu hành chất tẩy cặn sinh học do Mỹ và Australia sản xuất, có các tên thương mại là DYNAMIC DESCALER, RYDLYME, LibbSafe

7900 Chất tẩy cặn sinh học không ăn mòn kim loại chế tạo thiết bị, không gây nguy hiểm cho người sử dụng, thân thiện với môi trường Mặt khác chất tẩy cặn sinh học còn có thể tái chế sau khi đã dùng tẩy cặn [5,6,12 ]

Chất tẩy cặn sinh học được pha chế bằng các axit sinh học, axit hữu cơ như: Axit Lactic, axit Citric, Sulfamic và các chất phụ gia để tăng cường khả năng hòa tan cáu cặn và chống ăn mòn kim loại

Do có nhiều ưu điểm hơn chất tẩy cặn axit vô cơ và kiềm, cho nên hiện nay chất tẩy cặn sinh học đang được ưa chuộng để tẩy cặn cho tất cả những thiết bị trao đổi nhiệt, nhất là các thiết bị trao đổi nhiệt cao cấp, được chế tạo bằng các kim loại đắt tiền như đồng, nhôm, kẽm

Tính chất, thành phần của một số chế phẩm chất tẩy cặn sinh học

do Mỹ sản xuất:

* Chất tẩy cặn Rydlyme [5,6]:

Chất tẩy cặn Rydlyme là một chế phẩm tẩy cáu cặn bằng axit hữu cơ, sinh học do tập đoàn Apex Engineering Products Corporation của Mỹ sản

sắt trong các thiết bị: Làm lạnh, bộ trao đổi nhiệt, sinh hàn, bình ngưng, máy chưng cất nước, lò hơi, máy điều hòa nhiệt độ…

Chất tẩy cặn Rydlyme an toàn, không độc hại, không gây nguy hại cho người khi tiếp xúc, không cháy, không giải phóng khí độc, không ăn mòn kim loại và tự phân huỷ khi thải ra môi trường

Rydlyme có các tính năng thấm ướt, xâm nhập mạnh để hòa tan cáu cặn trong thời gian ngắn Rydlyme có thể sử dụng được trong ngành thực phẩm, dược phẩm [ 5,6 ]

Thành phần, tính chất của chất tẩy cặn Rydlyme khi ở dạng đậm đặc:

- Tan tốt trong nước, trong ancol, aceton

- Thành phần axit hữu cơ, sinh học (ở dạng đặc: 80 - 90%)

- Có mùi: Chua nhẹ

- Không bắt lửa, không kích thích da, mắt, không ăn mòn kim loại, cao

su, nhựa, kính, phân hủy sinh học khi thải ra môi trường

- Khi sử dụng pha trong nước đạt nồng độ là 30-40%

- Hòa tan tối đa 540g CaCO3/1 lit 90%, hay 180g CaCO3/1 lit dd 30%

Dynamic Descaler là tên thương mại của chế phẩm tẩy cặn sinh học do

hãng Precision Dynamics Inc, Texas, Hoa Kỳ sản xuất Dynamic Descaler có khả năng tẩy sạch gỉ, cặn vôi, bùn, cặn Canxi cacbonat, Mage cacbonat cặn oxit silic và các chất hữu cơ bám trong nồi hơi, thiết bị trao đổi nhiệt, bộ tản nhiệt điều hòa nhiệt độ, thiết bị gia nhiệt bằng hơi nước… [13]

Chất tẩy cặn Dynamic Descaler có thành phần và tính chất giống với

chất tẩy cặn Rydlyme, khi ở dạng dung dịch đậm đặc có các tính chất:

- Dạng chất: Chất lỏng màu vàng nâu nhạt

- Tỷ trọng: 1,045

- Độ pH: Nhỏ hơn 3

- Nhiệt độ sôi: 101oC

- Tỷ lệ thành phần axit hữu cơ, sinh học: 80 - 90% (khi ở dạng đặc)

- Tan tốt trong nước, trong ancol, aceton

- Có mùi : Chua nhẹ

- Không bắt lửa, không kích thích da, mắt, không ăn mòn kim loại, cao

su, nhựa, kính, phân hủy sinh học

- Khi sử dụng: Pha với nước đạt nồng độtừ 25%-40%

- Hòa tan (tối đa 540g CaCO3/1lit nồng độ 90%, tương đương với 180g CaCO3/1 lit dung dịch tẩy 30% khi sử dụng)

* Chất tẩy cặn Libb Safe 7900 [14]

Chất tẩy cặn Libb Safe 7900 là chế phẩm tẩy rửa cáu cặn nước, dạng bột do công ty LIBB sản xuất theo công nghệ của Australia Libb Safe 7900

có tác dụng tẩy sạch các cáu cặn muối cứng, gỉ sét và protein đóng kết trong các đường ống tháp giải nhiệt, hệ thống trao đổi nhiệt, nồi hơi nước, lò hơi

Libb Safe 7900 có thành phần chính là axit Sulfamic Không ăn mòn kim loại,

không kích thích da khi tiếp xúc khô, không có mùi khó chịu Khi sử dụng chất tẩy cặn được hòa tan trong nước tạo thành dung dịch có nồng độ chất tẩy

1.6 Phương pháp đánh giá ăn mòn kim loại của môi trường ăn mòn

Để đánh giá mức độ ăn mòn kim loại hay đánh giá ảnh hưởng của môi trường ăn mòn đến độ bền chống ăn mòn của kim loại, người ta thường đánh giá thông qua giá trị tốc độ ăn mòn kim loại của môi trường ăn mòn Tốc độ

ăn mòn càng lớn thì mức độ ăn mòn của môi trường ăn mòn càng lớn Có nhiều cách để xác định tốc độ ăn mòn [23]:

- Phương pháp khối lượng

- Phương pháp phân tích nồng độ kim loại bị hoà tan vào môi trường ăn mòn và suy ra tốc độ ăn mòn kim loại

- Phương pháp điện hoá

1.6.1 Đánh giá ăn mòn bằng cách xác định tốc độ ăn mòn theo phương pháp khối lượng

Tốc độ ăn mòn kim loại do môi trường ăn mòn gây ra được tính theo lượng kim loại bị mất đi, ứng với một đơn vị thời gian và đơn vị diện tích mẫu Tốc độ ăn mòn được xác định theo công thức sau:

t S

m t

∆m - độ giảm khối lượng mẫu sau thời gian ngâm (gam);

S - diện tích bề mặt mẫu (m2 hay mm2);

t - thời gian ngâm mẫu hay thời gian ăn mòn (giờ);

m0 - là khối lượng mẫu kim loại trước thí nghiệm (gam);

m - là khối lượng (gam) mẫu kim loại sau thời gian thí nghiệm t giờ Gía trị tốc độ ăn mòn càng lớn thì tính ăn mòn của môi trường càng cao

Từ giá trị tốc độ ăn mòn kim loại xác định được qua thực nghiệm, người ta có

thể đánh giá được môi trường ăn mòn đó là: Ăn mòn rất chậm, ăn mòn chậm,

ăn mòn, ăn mòn nhanh, ăn mòn rất nhanh

Tốc độ ăn mòn còn được đánh giá qua chiều sâu lớp kim loại bị ăn mòn (chiều dày lớp kim loại bị mất đi tính trung bình trong một năm) P(mm/năm)

1.6.2 Đánh giá ăn mòn bằng cách xác định tốc độ ăn mòn theo phương pháp điện hóa

Để xác định tốc độ ăn mòn người ta thường sử dụng phép đo đường cong phân cực theo phương pháp dòng tĩnh hoặc thế tĩnh Từ phép đo đường cong phân cực có thể xác định được các giá trị thế ăn mòn Eăn mòn, dòng ăn mòn iăn mòn và điện trở phân cực Rp, từ đó ta có thể xác định được tốc độ ăn mòn Văn mòn

Tốc độ ăn mòn được xác định từ thế, dòng ăn mòn và điện trở phân cực bằng phương pháp ngoại suy đường cong Tafel hoặc phần mềm FRA “Fit and Simulation” xử lý số liệu trên phổ tổng trở điện hóa đo được

Từ giá trị tốc độ ăn mòn xác định được, sẽ đánh giá được mức độ ăn

mòn kim loại của môi trường ăn mòn là: ăn mòn rất chậm, ăn mòn chậm,

ăn mòn, ăn mòn nhanh hay ăn mòn rất nhanh

Chương 2

PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU VÀ THỰC NGHIỆM

2.1 Nghiên cứu lựa chọn một số chất hữu cơ, sinh học để pha chế chất tẩy cặn cho các thiết bị trao đổi nhiệt

Nói chung thành phần của tất cả các loại cặn nước hình thành trong các thiết bị trao đổi nhiệt như lò hơi, đường ống hơi nước, két nước ô tô… đều bao gồm các chất: Canxi cacbonat, Mage cacbonat, Canxi sulfat, Mage sulfat, oxit sắt Fe(OH)3.H2O, oxit silic SiO2 (mục 1.2) Dưới tác dụng của nhiệt, các chất này tích tụ và kết tủa, bám chặt vào bề mặt của thiết bị tạo thành lớp rắn chắc Trong thực tế, để hòa tan nhanh chóng lớp cặn này, người ta thường sử dụng chất tẩy cặn axit vô cơ có thành phần chính là dung dịch axit HCl nồng

độ 10-15% Tuy nhiên dung dịch axit HCl ở nồng độ 10-15% lại gây ăn mòn các kim loại sắt, đồng, nhôm, kẽm rất lớn và có thể còn gây tác động xấu đến các vật liệu khác như nhựa, cao su…

Nếu sử dụng chất tẩy là dung dịch kiềm gồm NaOH và Na3PO4 thì tác dụng hòa tan lớp cặn không cao, thường phải tiến hành ở điều kiện nhiệt độ,

áp xuất cao, thời gian tẩy sạch cặn rất lâu [1] Do vậy chất tẩy cặn kiềm rất ít được sử dụng để tẩy cặn cho các thiết bị trao đổi nhiệt

Chất tẩy cặn bằng dung dịch axit hữu cơ, axit sinh học có nhiều ưu điểm hơn chất tẩy cặn bằng axit vô cơ và kiềm như: Không ăn mòn kim loại

và các vật liệu chế tạo thiết bị, không độc hại và không gây ô nhiễm môi trường do có thể phân hủy sinh học khi thải ra môi trường Thời gian hòa tan, tẩy rửa cáu cặn khá nhanh, dễ thao tác sử dụng Tuy nhiên để có thể hòa tan, tẩy sạch được hết cáu cặn một cách hiệu quả, người ta phải lựa chọn và pha chế kết hợp các axit hữu cơ, axit sinh học với nhau và với các chất phụ gia một cách thích hợp

Từ việc nghiên cứu tính chất, tác dụng của các axit sinh học và axit hữu

cơ, chúng tôi đã nhận thấy, trong số các axit sinh học và axit hữu cơ có axit Lactic và Sulfamic là những axit có thể phản ứng, tác dụng mạnh với các

muối cacbonat, sunfat của canxi, mage và oxit sắt Các chất này là thành phần chính của lớp cặn trong các thiết bị trao đổi nhiệt Axit Lactic là một axit sinh học, không độc hại đối với sức khỏe con người và vật nuôi, có thể phân hủy sinh học khi thải ra môi trường, vì vậy không gây độc hại và ô nhiễm môi

trường [15,16,17] Axit Lactic không ăn mòn các kim loại sắt, đồng, nhôm, kẽm, [15,16,17] Axit Sulfamic là một axit hữu cơ (amin axit) ít độc hại,

được sử dụng nhiều trong hoá dược, ít ăn mòn kim loại, có thể phân hủy sinh học ở nồng độ loãng vì vậy cũng không gây ô nhiễm môi trường [17,21]

Chúng tôi đã lựa chọn axit Lactic kết hợp axit Sulfamic, làm thành phần chất tẩy để hòa tan, tẩy sạch cáu cặn Lựa chọn EDTA, Urotropin làm phụ gia chống lắng cặn và bảo vệ ăn mòn kim loại EDTA là một polyamino axit không độc hại, được sử dụng trong dược phẩm và thực phẩm Urotropin

là một amin hữu cơ ít độc hại, được sử dụng làm thuốc trị bệnh đường ruột cho vật nuôi [17,18] Sử dụng chất hoạt động bề mặt Leanler ankylbenzen sunfonic (LAS) làm phụ gia thấm ướt để rút ngắn thời gian và tăng cường khả năng hòa tan cặn Sử dụng Etylenglycol làm chất khử để chống kết tinh, đông đặc và kết tủa dung dịch tẩy cặn LAS và Etylenglycol đều là những chất không độc hại và dễ phân hủy sinh học khi thải ra môi trường, được sử dụng trong mỹ phẩm, làm chất giặt rửa trong sinh hoạt

2.1.1 Tính chất và ứng dụng của axit Lactic [15,16,17]

Axit Lactic có công thức cấu tạo là:

Axit Lactic được điều chế bằng cách lên men các chất đường hoặc điều chế theo phương pháp hóa học Axit Lactic là sản phẩm trung gian quan trọng của quá trình trao đổi chất ở cơ thể động, thực vật và vi sinh vật Trong công nghiệp axit Lactic được sản xuất bằng phương pháp lên men Lactic hay bằng tổng hợp hóa học

* Phương pháp sinh học: C6H12O6 lên men 2CH3CHOH-COOH

Axit lactic

Trong phương pháp này người ta sử dụng loại khuẩn Lactobaccillus

denbruckii để lên men tạo axit Lactic ở nhiệt độ 50oC, trong thời gian 7-10 ngày, pH của môi trường luôn phải giữ ở 4-6 Để quá trình lên men tạo axit Lactic đạt hiệu quả cao, các vi khuẩn hoạt động tốt, người ta phải thường xuyên trung hòa axit Lactic tạo thành trong dịch lên men, bằng CaCO3 và CaO để tạo lactat canxi Sau đó thu lại axit Lactic bằng cách cho lactat canxi phản ứng với axit Sunfuric:

C6H12O6 lên men 2C3H6O3

CaCO3 + 2C3H6O3 H2O + CO2 + Ca(C3H5O3)2

Ca(C3H5O3)2 + H2SO4 CaSO4↓ + 2CH3CHOH-COOH

* Phương pháp tổng hợp hóa học: Tổng hợp từ Axetal dehit theo hai giai đoạn:

và vải mà không làm hỏng da và vải

Axit Lactic không ăn mòn kim loại do phản ứng rất kém với các kim loại Trong một số lĩnh vực phòng chống ăn mòn kim loại, axit Lactic còn được sử dụng làm chất ức chế ăn mòn kim loại [23] Phân hủy sinh học khi thải ra môi trường sau một thời gian ngắn

Trên thị trường hiện nay đã có các loại axit Lactic kỹ thuật, axit Lactic thực phẩm, dược phẩm Axit Lactic kỹ thuật thường có nồng độ ≥80%, axit Lactic dược phẩm và thực phẩm có nồng độ trên 90%

* Phản ứng của axit Lactic:

Dung dịch axit Lactic loãng có thể phản ứng mạnh với các oxit, hydroxit sắt, muối cacbonat của Canxi, Mage để tạo muối canxi lactat, mage lactat dễ tan trong nước:

CaCO3 + 2C3H6O3 Ca(C3H5O3)2 + H2O + CO2 MgCO3 + 2C3H6O3 Mg(C3H5O3)2 + H2O + CO2

2.1.2 Tính chất và ứng dụng của axit Sulfamic [17,20,21]

* Tính chất: Axit Sulfamic còn gọi là Aminosulfonic axit, có công thức cấu tạo là:

công thức phan tử là H2NSO3H, khối lượng phân tử M=97,1 g/mol

- Là chất rắn kết tinh màu trắng, tỷ trọng là: 2,1 Nhiệt độ nóng chảy là

205oC, tan vừa phải trong nước

- Là một axit vừa phải, K a = 1,01x10-1, dung dịch 1% có pH = 1,18

- Không bay hơi, không mùi, rất ít ăn mòn kim loại

- Phân hủy sinh học ở nồng độ loãng khi thải ra môi trường

* Ứng dụng:

- Axit Sulfamic có độc tính thấp LD50 = 3160 mg/kg, được sử dụng trong hóa dược để tổng hợp thuốc kháng sinh, tổng hợp các chất có vị ngọt Được sử dụng trong sản xuất giấy, thuốc nhuộm, thuốc diệt cỏ, chất chữa cháy

- Dùng làm chất tẩy rửa cáu cặn, gỉ sét và làm sạch bề mặt gốm sứ, kim loại Axit Sulfamic có độc tính thấp, không bay hơi và ít ăn mòn kim loại, thường được dùng để thay thế axit HCl làm chất tẩy cặn trong các thiết bị trao đổi nhiệt như: Lò hơi, bộ phận làm mát, điều hòa nhiệt độ, két nước ôtô

* Phản ứng của axit Sulfamic: Axit Sulfamic có thể phản ứng mạnh với các muối canxi cacbonat và canxi sunfat, mage cacbonat và mage sulfat, oxit sắt, tạo thành các muối tan trong nước Do đó dung dịch axit Sulfamic có thể hòa tan, tẩy sạch lớp cáu cặn của các thiết bị trao đổi nhiệt

2NH2HSO3 + CaCO3 Ca(NH2SO3)2 + H2O + CO2 2NH2HSO3 + MgCO3 Mg(NH2SO3)2 + H2O + CO2 3NH2HSO3 + Fe(OH)3 Fe(NH2SO3)3 + 3H2O

2.2 Nguyên liệu và Hóa chất sử dụng

- Axit Lactic C3H6O3 loại kỹ thuật, tinh khiết

- Axit Citric C6H5O7 loại kỹ thuật

- Axit Sulfamic loại kỹ thuật

- LAS: Leanler ankylbenzen sunfonic loại kỹ thuật

- EDTA: Etylen Diamin Tetra Axetic dạng muối dinatri loại kỹ thuật

- Urotropin (Hecxametylentetramin) loại kỹ thuật

- Etylenglicol loại kỹ thuật

- Canxi cacbonat CaCO3, Mage cacbonat MgCO3

- Oxit sắt Fe2O3, Hidroxit sắt Fe(OH)3

- Canxi sunfat CaSO4, Mage sunfat MgSO4

- Cặn của lò hơi, của đường ống hơi nước, cặn bên trong két nước ô tô

- Các mẫu kim loại thép CT-3, đồng M1, nhôm D16

* Các mẫu cặn của lò hơi, két nước ôtô và thùng đun nước nóng, có

thành phần các chất được phân tích xác định như bảng 2.1

Bảng 2.1 Thành phần các chất trong một số mẫu cặn của lò hơi và két nước

làm mát của xe ô tô tải

TT Thàn phần

% các chất

Cặn lò hơi của nhà máy Giấy

Cặn két nước làm mát của ô tô tải

Cặn lò hơi của Viện HHCN VN

1, Axit Lactic kỹ thuật:

- Khối lượng phân tử M = 90,08g/mol

- Dạng bề ngoài: Chất lỏng màu vàng nâu nhạt, có mùi chua nhẹ

- Độ độc: Độc tính rất thấp, LD50 : 4875 mg/kg đối với chuột

2, Axit Sulfamic kỹ thuật

- Khối lượng phân tử: 97,09 g/mol

- Dạng bề ngoài: Chất rắn kết tinh màu trắng

- Tỷ trọng: 2,126

- Nhiệt độ nóng chảy: 205oC

- Độ tan trong nước: 18% ở 20oC

- Hàm lượng Sulfamic: 99,5%

- Độ độc: Độc tính thấp, LD50 = 3160 mg/kg đối với chuột

- Thành phần tạp chất: - Sulfat (SO4): 0,02% Max

- Amoniac (NH3): 0,02% Max

3, Urotropin kỹ thuật

- Công thức phân tử: (CH2)6N4, khối lượng phân tử: 140,1g/mol

- Dạng bề ngoài: Chất rắn kết tinh màu trắng, có mùi amin nhẹ

- Tỷ trọng: 1,27 ở 25oC, pH dung dịch 10%: 8,5-9,0

- Tan tốt trong nước, etanol, clorofom, không tan trong ete

- Hàm lượng: 99,5%

- Độ độc LD50 = 590 mg/kg đối với chuột

4, EDTA Etylendamin Tetraacetic Acid

- Công thức phân tử: C10H16N2O8 Khối lượng phân tử: M=292,2

- Độ độc LD50 đối với chuột = 2200 mg/kg

5, Leanler ankylbenzen sunfonic (LAS)

- Công thức phân tử: C2H6O2, hàm lượng C2H6O2 ≥ 99,5

- Dạng bề ngoài: Chất lỏng không màu, vị ngọt, tan nhiều trong nước

- Tỷ trọng: 1,13g/cm3

- Nhiệt độ sôi: 197-198oC

- Độ độc LD50 đối với người = 786 mg/kg

2.4 Pha chế chất tẩy cặn

2.4.1 Khảo sát, xác định nồng độ của dung dịch axit Lactic

a Pha chế các mẫu dung dịch axit nồng độ từ 15-80%:

Từ axit Lactic công nghiệp hàm lượng ≥80%, tiến hành pha chế các mẫu dung dịch M1 - M10 có nồng độ axit từ 15% đến 80% Cân chính xác lượng axit Lactic 80% cho vào cốc hoặc bình định mức, cân chính xác lượng nước cất (hoặc nước sinh hoạt sạch) cho vào cốc hoặc bình, khuấy cho axit tan đều trong nước, tạo thành dung dịch đồng nhất, màu vàng nâu, trong suốt

b Xác định nồng độ của axit Lactic khi hòa tan cặn ở nhiệt độ phòng

- Cách tiến hành: Đong chính xác 300ml dung dịch axit Lactic đã pha

chế theo các nồng độ khác nhau, cho vào cốc thủy tinh dung tích 500ml Cân chính xác từng lượng cặn của lò hơi hoặc nồi đun nước, cho từ từ vào cốc axit, khuấy nhẹ và theo dõi hiện tượng cặn tan Trong quá trình hòa tan cặn, theo dõi hiện tượng sủi bọt và kiểm tra độ pH của dung dịch axit, khi độ pH của dung dịch axit đo được bằng 3-4, cặn cho vào không thấy hiện tượng sủi bọt và tan thì ngừng không cho cặn vào Khuấy và theo dõi hiện tượng cặn tan trong 1-2 giờ nữa để xác định lượng cặn tan Ghi tổng số lượng cặn đã hòa tan

và thời gian hòa tan lượng cặn đó Làm lặp lại thí nghiệm để xác định chính xác lượng cặn hòa tan được trong dung dịch axit và thời gian tan hết lượng cặn đó

c Xác định nồng độ của axit Lactic khi hòa tan cặn ở nhiệt độ 70-80 o C

Xác định nồng độ của axit Lactic khi hòa tan cặn ở nhiệt độ cao, cũng tiến hành tương tự như xác định nồng độ của axit Lactic khi hòa tan cặn ở nhiệt độ phòng Nhưng trong trường hợp này, cốc dung dịch axit được đun nóng cách thủy trên bếp điện hoặc trong bể điều nhiệt, để duy trì nhiệt độ của dung dịch axit luôn ở 70-80oC Ghi lượng cặn và thời gian hòa tan lượng cặn Mỗi thí nghiệm làm lặp lại 2 đến 3 lần để lấy kết quả chính xác nhất

2.4.2 Khảo sát, xác định nồng độ của dung dịch axit Sulfamic

a Xác định nồng độ của dung dịch axit sulfamic khi hòa tan cặn ở nhiệt

độ phòng

- Cách tiến hành: Pha chế các mẫu dung dịch axit Sulfamic có các nồng

độ: 3%, 5%, 10%, 15% và 20% Sau đó đong chính xác 300ml dung dịch axit Sulfamic đã pha chế ở mỗi nồng độ, cho vào cốc thủy tinh dung tích 500ml, lắp máy khuấy Cân chính xác từng lượng cặn và cho dần vào dung dịch axit kết hợp với khuấy nhẹ dung dịch axit Trong quá trình hòa tan cặn, cần quan sát hiện tượng sủi bọt và kiểm tra pH của dung dịch Khi giá trị pH của dung dịch axit đo được bằng 2-3 và hiện tượng sủi bọt không còn mãnh liệt nữa, khi đó chỉ cho thêm từng lượng nhỏ (khoảng 0,5g cặn) vào, khuấy nhẹ và quan sát sự tan cặn Khi thấy cặn không tan được nữa, pH của dung dịch bằng 4-5 thì ngừng không cho thêm cặn vào Khuấy dung dịch thêm 1 giờ nữa và kiểm tra cặn còn trong dung dịch axit Tính tổng số gan cặn đã hòa tan trong dung dịch axit, thời gian tan hết cặn Làm lặp lại thí nghiệm 2 đến 3 lần và lấy kết quả chính xác nhất

b Xác định nồng độ của dung dịch axit Sulfamic khi hòa tan cặn ở nhiệt

độ 70-80 o C

Cách tiến hành xác định nồng độ của dung dịch axit Sulfamic ở nhiệt

độ 70- 80oC cũng giống như xác định ở nhiệt độ phòng Nhưng trong trường hợp này cốc chứa dung dịch axit được đun cách thủy sao, cho nhiệt độ của dung dịch axit luôn giữ ở 70-80oC

c Xác định khả năng hòa tan cặn của dung dịch axit Sulfamic khi pha chế thêm chất ức chế ăn mòn kim loại

- Cách tiến hành: Axit Sulfamic được pha với nước cất thành các dung

dịch 3%, 5%, 10%, 15% và 20%, mỗi dung dịch axit được pha chế thêm 1% chất ức chế ăn mòn kim loại Urotropin và 0,5% chất ức chế lắng cặn EDTA Tiến hành xác định lượng cặn hòa tan cặn trong các dung dịch axit tương tự như trường hợp không có chất ức chế ăn mòn kim loại ở điều kiện nhiệt độ phòng

2.4.3 Kiểm tra mức độ ăn mòn kim loại của dung dịch axit Sulfamic theo phương pháp khối lượng

a Chuẩn bị dung dịch axit:

- Môi trường ăn mòn là dung dịch axit Sulfamic ở các nồng độ: 3%, 5%, 10%, 15% và 20%, trong trường hợp có và không có chất ức chế ăn mòn kim loại Urotropin nồng độ 1%

- Pha chế các dung dịch axit Sulfamic bằng cách cân chính xác lượng axit Sulfamic công nghiệp trên cân điện tử, sau đó pha với nước cất để đạt nồng độ cần thử nghiệm

- Trong trường hợp môi trường ăn mòn là các dung dịch axit Sulfamic

có chất ức chế ăn mòn kim loại, thì pha thêm 1% Urotropin hàm lượng 99,5% vào các dung dịch axit Sulfamic nồng độ 3%, 5%, 10%, 15%, 20%

b Chuẩn bị mẫu [25,26]:

- Sử dụng các mẫu thép CT-3 ở dạng tấm, có kích thước 50x50x2mm,

có thành phần: Fe: 99,36; C: 0,15%; Mn: 0,42%; S: 0,037%; và P: 0,024% Các mẫu đồng M1 ở dạng tấm có kích thước 50x25x2 mm, có thành phần Cu

≥ 99,7% và các mẫu nhôm D16 cũng ở dạng tấm cùng có kích thước 50x25x2

mm, có thành phần Al ≥ 99,4%,

- Đánh sạch và mài nhẵn bóng bề mặt các mẫu thép, đồng, nhôm bằng máy mài và giấy ráp, sau đó rửa sạch và lau khô, theo như tiêu chuẩn ASTM G1-90, ASTM 31-72 [25,26]

c Tiến hành thí nghiệm

- Rót dung dịch axit Sulfamic có và không có chất ức chế ăn mòn vào

các cốc có ký hiệu riêng từng nồng độ, với thể tích bằng nhau khoảng 200 ml

- Mẫu thép, đồng, nhôm sau khi chuẩn bị, đem cân xác định khối lượng

trên cân điện tử, đo kích thước bằng thước cặp 1/10 mm, sau đó nhúng ngập trong các dung dịch axit, bằng cách treo lơ lửng, theo như tiêu chuẩn ASTM 31-72 về thử nghiệm ức chế ăn mòn

- Ngâm các mẫu kim loại trong thời gian 24 giờ và 48 giờ sau đó vớt ra, dùng bàn chải rửa sạch bằng nước máy, rửa lại bằng cồn và bằng nước cất, lau

và sấy khô, rồi đem cân và tính các giá trị ∆m, tốc độ ăn mòn Mỗi thí nghiệm làm lặp lại 3 lần và lấy kết quả trung bình

Tốc độ ăn mòn thép CT-3, đồng và nhôm xác định theo công thức:

t S

m t

P = 8,76

d

ρ (mm/năm)

Trong đó: ∆m : Độ giảm khối lượng mẫu sau thời gian ngâm (gam hay mg)

S : Diện tích bề mặt mẫu (m2 hay cm2, mm2)

t : Thời gian ngâm mẫu hay thời gian ăn mòn (giờ)

m0 : Là khối lượng mẫu kim loại trước thí nghiệm (gam)

m : Là khối lượng (gam) mẫu kim loại sau thời gian thí nghiệm t giờd: Là khối lượng riêng của mẫu kim loại (g/cm3)

Từ các giá trị tốc độ ăn mòn hay chiều sâu ăn mòn để đánh giá sự ăn mòn Dựa vào thang phân loại độ bền chống ăn mòn của vật liệu kim loại, đánh giá mức độ ăn mòn thép, đồng, nhôm của dung dịch axit

2.4.4 Pha chế dung dịch chất tẩy cặn

Từ kết quả khảo sát, xác định nồng độ của axit Lactic, axit Sulfamic và kết quả kiểm tra mức độ ăn mòn kim loại của dung dịch axit Sulfamic Chọn nồng độ của axit Lactic là 25% và 30%, nồng độ axit Sulfamic là 5% và 10%

để pha chế một số dung dịch chất tẩy cặn, hòa tan cặn tốt nhất mà không gây ăn mòn kim loại Sử dụng Urotropin làm phụ gia ức chế ăn mòn kim loại, EDTA làm phụ gia ức chế lắng cặn, Etylenglyco làm chất khử và sử dụng LAS làm chất thấm ướt, pha chế 4 công thức dung dịch chất tẩy cặn M1-M4

* Quy trình pha chế: Cân, đong chính xác lượng axit Lactic đổ vào

cốc thủy tinh hay thùng nhựa, sau đó cân hoặc đong chính xác lượng nước

sạch cần thiết cho vào cốc hay thùng nhựa, khuấy nhẹ cho axit tan đều trong nước Lần lượt cân lượng axit Sulfamic, chất ức chế ăn mòn Urotropin, chất

ức chế lắng cặn EDTA cho vào dung dịch axit Lactic, khuấy nhẹ cho đến khi tan hết axit Sulfamic, Urotropin và EDTA Cuối cùng cân chất HĐBM cho vào dung dịch, khuấy cho tan hết, kết quả thu được một dung dịch chất lỏng màu vàng nhạt trong suốt

2.4.5 Xác định khả năng hòa tan cặn của các dung dịch chất tẩy cặn đã pha chế

a Xác định khả năng hòa tan cặn của các dung dịch chất tẩy cặn ở nhiệt

độ phòng trong trường hợp khuấy dung dịch tẩy

- Cách tiến hành: Đong chính xác 1 lít dung dịch chất tẩy cặn đã pha

chế theo các công thức M1, M2, M3, M4 và dung dịch tẩy cặn Mss (Mss do công ty cổ phần công nghệ Hóa chất và Môi trường Việt Nam cung cấp), cho vào cốc thủy tinh dung tích 2 lít có lắp máy khuấy Cân chính xác từng lượng cặn của lò hơi, két nước ô tô, đã được đập thành những mảnh vụn có kích thước 0,3-0,5cm2, cho từ từ vào dung dịch chất tẩy, khuấy đều dung dịch tẩy Theo dõi hiện tượng tan cặn và độ pH của dung dịch tẩy Khi pH của dung dịch đo đuợc bằng 3-4, cặn cho vào không còn hiện tượng sủi bọt và tan nữa thì dừng cho cặn vào, khuấy nhẹ dung dịch tẩy trong khoảng 1 giờ nữa để cho cặn tan hết Tính thời gian và tổng số gam cặn đã hòa tan được trong dung dịch chất tẩy Làm thí nghiệm lặp lại với lượng cặn bằng và lớn hơn so với lượng cặn đã thí nghiệm, để xác định được chính xác lượng cặn có thể hòa tan được trong dung dịch chất tẩy cặn

b Xác định khả năng hòa tan cặn của các dung dịch chất tẩy cặn trong trường hợp ngâm tĩnh cặn ở nhiệt độ phòng

- Cách tiến hành: Đong chính xác 1lít dung dịch các chất tẩy cặn đã

pha chế (M1-M4) và mẫu so sánh Mss, mỗi mẫu cho vào 3 cốc thủy tinh dung tích 2 lít, có ký hiệu riêng từng mẫu Cân chính xác những lượng cặn ít hơn, bằng và lớn hơn lượng cặn hòa tan được trong trường hợp khuấy dung dịch