3.3.2 Proses Pembentukan Kerak

(1) Proses pembentukan skalaZat terlarut ada dalam bentuk ion, ion kompleks atau molekul tunggal dalam larutan encer dan tak jenuh. Selanjutnya, beberapa molekul tersebut bergabungbersama-sama dan membentuk inti kristal dalam larutan jenuh. Inti dilarutkan lagi ketika partikel yang ukuran lebih kecil dari ukuran kritis (critical nuclei), sementara itu tumbuh hingga kristal ketika ukuran melebihi ukuran kritis. Hal ini diperlukan beberapa periode induksi untuk membentuk kristal dalam larutan super jenuh. Periode induksi menjadi lebih lama dalam larutan saturated yang lebih rendah derajatnya dan lebih cepat dalam larutan dengan derajat kejenuhan yang lebih tinggi. Dalam kasus kalsium karbonat dan kalsium fosfat, peningkatan suhu air memperpendek periode induksi dan mempercepat deposisi kristal karena kelarutannya berkurang pada suhu yang lebih tinggi.Peningkatan laju aliran air memperpendek periode induksi karena meningkatkan frekuensi tumbukan molekul dalam larutan.Tingkat pertumbuhan kristal ditentukan oleh kemapuan difusi zat terlarut ke permukaan kristal dan kemapuan pengendapan zat terlarut di permukaan. Kekuatan yang memudahkan difusi zat terlarut adalah perbedaan konsentrasi zat terlarut antara permukaan kristal dan larutan. Faktor yang perlu diperhatikan dalam laju difusi zat terlarut adalah air laju alir. Tingkat kejenuhan adalah nol dalam larutan jenuh, positif dalam larutan jenuh atau negatif dalam larutan jenuh yang juga dinyatakan dalam persamaam longarithm dari aktivitas produk atau produk solusi-bility kation dan anion menyusun kristal dalam air. Karena fenomena pengendapan zat terlarut pada permukaan kristal sangat rumit, berbagai mekanisme deposisi atau pembentukan kerak. Kossel menyatakan teori mekanisme pembentukan kerak sebagai berikut:1 Adsorpsi zat terlarut pada permukaan kristal,2 Gerakan zat terlarut terserap pada permukaan kisi kristal yang disebut "kink" oleh difusi pada permukaan kristal,3 Kristalisasi pada saat teregang “kink”.

Gambar 3.37

mengilustrasikan perubahan dalam tingkat Satura-tion dari komponen kerak

I

(2)Proses kerja Inhibitor Kerak

a) After 2 minutes from crystal deposition (x 400) b) After 12 minutes from crystal deposition (x 400)

Inti kristal yang terbentuk hanya dalam solusi supersatu-rated. Pembentukan inti kristal dan kerak yang dihasilkan dicegah dengan mengontrol pH larutan dengan injeksi asam untuk menjaga komponen skala dalam kondisi jenuh. Dalam solusi jenuh, inhibitor skala yang digunakan untuk pencegahan skala. Skala yang paling populer di-hibitors adalah polifosfat, fosfonat dan polielektrolit berat molekul rendah (polimer) yang memiliki gugus karboksil, dll

c) Aggregation of calcium carbonate crystals in the absence of scale inhibitior(x 400 optical microscopic photograph)

d) Dispersion of calcium carbonate crystals by a scale inhibitor(x 400 optical microscopic photograph)

Macam macam inhibitor kerak memiliki kemampuan kation chelating yang membentuk kerak. Dosis yang dibutuhkan inhibitor untuk mengontrol pembentukan kerak biasanya sangat rendah dan non-stoikiometrik terhadap konsentrasi komponen kerak. Inhibitor selektif terhadap kerak dengan cara mengenali beberapa titik pertumbuhan aktif inti kristal atau kristal dan menghambat pertumbuhan kristal tersebut. Oleh karena itu non-Stoi-chiometric inhibitor dapat mengontrol pembentukan kerak. Mekanisme fungsional khas inhibitor skala yang ditunjukkan pada gambar (c)dan (d) . Kristal normal kalsium karbonat adalah jenis kubik seperti yang ditunjukkan dalam Photograph 3.11) a. Namun, bentuk kristal berubah (terdistorsi) seperti yang ditunjukkan dalam b 3.11 Photograph) dengan menambahkan inhibitor skala. Perubahan bentuk kristal disebabkan oleh adsorpsi inhibitor kerak pada titik pertumbuhan aktif pada permukaan kristal. Fungsi seperti inhibitor skala adalah disebut "efek distorsi kristal". Gambar c) menunjukkan agregasi kristal kalsium karbonat. Penggunaan inhibitor skala mencegah kristal dari agregasi dan membuat larutan dalam kondisi dispersi seperti yang ditunjukkan pada gambar d). Karena menyerap inhibitor kerak pada kristal dengan menggunakan beberapa gugus fungsional, sisa gugus fungsional yang terbebas dari adsorpsi, memberikan muatan listrik negatif terhadap kristal. Dengan demikian kekuatan memukul mundur listrik statis menjaga kristal dalam kondisi dispersi.

3.3.3 Jenis dan Pengaruh Inhibitor Skala

(1) Jenis inhibitor skalaBeberapa produk organik alami, seperti lignin dan tanin, telah dikenal untuk waktu yang lama sebagai inhibitor besaran terhadap kalsium karbonat, hidroksida seng dan sebagainya. Namun, produk-produk alami biasanya menunjukkan skala hambatan cukup dan stabil. 3.1 PolifosfatPolifosfat telah digunakan sebagai inhibitor kerak dalam sistem air pendingin yang paling sering dijumpai. Rosenstein22) meyakini polifosfat efektif menghambat pembentukan kerak untuk kalsium karbonat dengan cara menghambat deposisi kristalnya dalam konsentrasi rendah pada tahun 1936. Namun, efek pengahambatan pembentukan kerak pada polifosfat bekeja cukup baik dalam sistem pendinginan dengan waktu retensi yang lama atau suhu air yang tinggi agar dapat terhidrolisis menjadi ortofosfat. Baru-baru ini, beberapa produk organik sintetis, seperti polimer, fosfonat dan ester fosfat poliol, telah ditemukan efektif untuk pencegahan kerak dari kalsium karbonat, kalsium fosfat, dll semuanya hampir terhidrolisis dan menunjukkan efek penghambatan kerak dalam kondisi stabil.Inhibitor kerak ini populer adalah sebagai berikut:1 Fosfonat :Fosfonat Aminotrimethylene, 2-phos-phonobutane-1 ,2,4-tricarboxylates, dll

Scale

Effective inhibitor

Calcium carbonatePhosphonatesMaleic anhydride homopolymersAcrylic acid homopolymers

Calcium phosphateZinc phosphate

Acrylic acid copolymers and terpolymersMaleic anhydride copolymers

Magnesium silicate

Acrylic acid copolymers Acrylamide homopolymers Maleic anhydride copolymers

Calcium sulfate

PolyphosphatesPhosphonatesAcrylic acid homopolymers

2. Polimer:Acrylic acid homopolimer, kopolimer asam akrilat dan berbasis terpolimer, Anhy-maleatGambar. 3,38 Pengaruh inhibitor berbagai mencegah pengendapan kalsium karbonat , kopolimer anhidrida maleat berbasis, dll3. Miscellaneous :Natrium lignin sulfonat, dll

(2) Pengaruh inhibitor skalaJenis-jenis inhibitor efektif pada komponen berbagai skala yang tercantum dalam Tabel 3.18. Efek khas inhibitor berbagai kalsium karbonat, kalsium fosfat dan magnesium silikat ditunjukkan pada Gambar 3,38-3,40 masing-masing. Gambar 3.41 menunjukkan efek penghambat terhadap kalsium karbonat

 

 

3.4 Karakteristik Inhibitor Kerak dalam bentuk Polimer

Umumnya, polimer yang memiliki gugus karboksil digunakan sebagai inhibitor

kerak dalam sistem air pendingin. Kelompok karboksil memiliki kemampuan chelating cations yang dapat mengadsorbsi permukaan kristal kerak. Namun, heat exchanger menurunkan efisiensi termal. Kelompok-kelompok hidrofilik lainnya, seperti kelompok hidroksil dan kelompok sulfonat, hampir tidak meningkatkan kekuatan ikatan khelat polimer tetapi mereka tetap polimer dari pembentukan gel. Pengendalian rasio kelompok karboksilat dengan kelompok hidrofilik lainnya dalam polimer dan berat molekul sangat penting untuk memproduksi inhibitor polimer skala yang efektif yang memiliki ikatan khelat kekuatan tinggi dan kecenderungan rendah gel membentuk. polimer terkadang membentuk gel) saat kelebihan kation menggabungkan dengan polimer. Kekuatan ikatan khelat meningkat polimer sebagai molecu-lar meningkat berat molekul. Di sisi lain, polimer dengan berat molekul yang lebih tinggi lebih mudah membentuk gel bersama dengan kation di dalam air. Pembentukan gel mengurangi konsentrasi polimer efektif dalam air dan menurunkan efisiensi penghambatan kerak.

Gambar. 3.40 Pengaruh inhibitor terhadap berbagai kerak magnesium silikat pada permukaan perpindahan panas

Gambar. 3.41 Pengaruh inhibitor kerak polimer padakalsium dan fosfat dalam skala seng tabung penukar panas

3.3.5 Faktor-faktor yang Mempengaruhi Efek Inhibitor Kerak

(1) Kualitas airBanyak faktor, seperti konsentrasi ion pembentuk skala (ion kalsium, ion fosfat, dll), pHdan suhu air, berhubungan denganpembentukan kerak. Berbagai indeks mengenai hubungan antara faktor-faktor dan pembentukan kerak telah ditemukan dan digunakan untuk memprediksi pembentukan kerak berdasarkan S Langelier index. untuk kalsium karbonat, dan Green index18) dan s Kubo equation19) untuk kalsium fosfat yang dijelaskan secara rinci dalam Bagian ini. Gambar 3.42 menunjukkan hubungan yang khas antara pH pengendapan kritis (PHC) kalsium phos-Phate, hardness kalsium dan dosis kerak, dihitung dengan menggunakan persamaan Kubo '

Gambar. 3.42 Hubungan antara pH kritis deposisi kalsium fosfat, kalsium dan kekerasan dosis inhibitor kerak (polimer))

(2) Suhu airSecara umum, kelarutan komponen skala penurunan air pendingin berbanding terbalik dengan peningkatan suhu air. Oleh karena itu, jumlah kerak mulai meningkat ketika air suhu heat exhanger di dalam melebihi 40 C dan masalah skala kadang-kadang terjadi pada suhu 60 C atau lebih tinggi bahkan di bawah kendali inhiubitor kerak. Gambar 3.43 menunjukkan hubungan khusus antara jumlah kerak dan suhu air di dalam heat excahnger.

Gambar. 3.43 Pengaruh suhu air pada tingkat skala

(3) Air laju alirKetika aliran air meningkat, kecepatan pembentukan kerak berkurang. Gambar 3,44 menunjukkan pengaruh laju aliran air pada jumlah kerak. Semakin laju aliran meningkat, jumlah pertumbuhgan kerak menurun. Jumlah kerak pada tingkat aliran 0,5 m / s adalah sekitar setengah daripada tingkat aliran pada laju alir 0,2 m/s, bahkan dengan tanpa inhibitor kerak. Pengaruh inhibitor skala juga cenderung stabil pada laju alir yang lebih tinggi (lebih dari 0,3 m / s).

(4) Panas fluks dan suhu kulit tabung heat exchanger Pengurangan jumlah kerak hubungannya dengan laju aliran, yang ditunjukkan pada Gambar 3.44, yang menunjukkan akibat penurunan suhu kulit dari tabung penukar panas.Suzuki24) meneliti hubungan antara adhesi kerak dalam heat exchanger dan suhu kulit dihitung dari beberapa variabel yakni laju aliran air, inhibitorkerak, suhu air dan fluks panas. Dia melaporkan bahwa problem kerak yang sering terjadi di heat exchanger dimana suhu kulit di sisi air melebihi 90 C meskipun inhibitor kerak telah digunakan. Dia juga melaporkan bahwa fluks panas kritis dan suhu kulit untuk terjadinya masalah skala adalah 2 X104-3 X 104 kcal/m2 • h dan sekitar 60 C dalam pendinginan sistem air diatasi dengan inhibitor korosi polifosfat berbasis tanpa inhibitorkerak. Angka 3,45 dan 3,46 menunjukkan hubungan antara kecepatan aliran air, suhu air dan suhu kulit tabung heat exhanger. Dalam kasus heat exchanger dengan suhu air outlet 50 C dan fluks panas dari 50.000 kcal/m2 • h, suhu kulit di outlet air menurunkan dari 81 C sampai 69 C dengan meningkatkan air laju alir dari 0,2 m / s menjadi 0,5 m / s seperti yang ditunjukkan pada Gambar 3.45. Ini penurunan suhu kulit dari 12 C dianggap sebagai salah satu faktor untuk mengurangi jumlah kerak yang ditunjukkan pada Gambar 3.44. 

Gambar. 3.44 Pengaruh laju aliran air pada tingkat skala karbonat kalsium dan efek inhibitor skala

Gambar. 3.45 Hubungan antara kecepatan aliran air dan suhu kulit tabung penukar panas Pada saat ini, kontrol pH menjadi tidak popu-lar metode pengendalian skala di negara-negara memperoleh air tawar kekerasan yang rendah, seperti Jepang, Korea, dll, karena kelemahan. Namun, penggunaan gabungan inhibitor kerak bersama-sama dengan kontrol pH masih efektif dan ekonomis pada metode penghambatan kerak dalam kasus air pendingin dengan kekerasan (hardness) yang tinggi..

Gambar. 3.46 Hubungan antara fluks panas dan suhu kulit tabung penukar panas

(5) Waktu retensiInhibitor kerak mengurangi jumlah kerak dengan mengurangi laju pertumbuhan kristal kerak dan mendistribusikannya ke mikro mikro kristal yang tumbuh. Oleh karena itu, masing-masing inhibitor kerak memiliki waktu retensi kritis sirkulasi air pendingin untuk menjaga efektifitas hambatan pembentukan kerak. Kali ini retensi kritis bervariasi tergantung pada kualitas air. waktu retensi, biasanya 150 sampai 300 jam di bawah kondisi operasional normal dalam sistem sirkulasi air pendingin terbuka.

3.3.6 Metoda lain untuk mengontrol pembentuka kerak

(1) pH kontrolPengendalian pH air pendingin dengan injeksi asam. telah lama diterapkan untuk mencegah scaling kalsium karbonat, kalsium fosfat, dan sebagainya. Kelarutan dari komponen skala umumnya meningkat sebagai pH diturunkan. Selanjutnya , tingkat scaling dikurangi dengan menurunkan pH air. Namun, kelemahan dari metode kontrol pH adalah sebagai berikut:1 korosi percepatan oleh pH kelebihan re-produksi di bawah 6,5,2 memperkecil rentang pH kendali optimum 7,0-7,5 (untuk kontrol kerak dan korosi,)3 Bahaya dalam penanganan asam sulfat, asam hidro-klor dan sebagainya,4 biaya instalasi tinggi untuk sistem kontrol pH otomatis.

(2) Pengendalian kondisi operasional penukar panasjumlah kerak dipengaruhi oleh laju aliran air, suhu air, dll, dari penukar panas

seperti yang ditunjukkan dalam Gambar 3.43 dan 3.44. Penurunan suhu air stopkontak dengan meningkatkan laju aliran air dari penukar panas mengurangi tingkat scaling dengan mengurangi potensi scaling air dan meningkatkan efek inhibitor kerak. Namun, perubahan kondisi operasional terbatas pada kisaran yang tidak memberikan pengaruh serius pada kondisi sisi proses operasional heat exchnger. (3) Softening dan demineralisasi make up waterSulit untuk mencegah kerak ketika sangat tinggi kesadahan air, seperti 250 mg CaCO3 / l atau lebih, diberikan dan sistem air pendingin dioperasikan pada siklus tinggi konsentrasi, seperti 5 atau lebih tinggi. Dalam hal ini, air baku sering diperlakukan untuk mengurangi atau menghilangkan kesadahan dengan menggunakan resin pertukaran ion, membran reverse osmosis atau metode kapur dingin. Perlakuan kapur dingin sering diterapkan untuk make-up pengolahan air dalam ukuran besar membuka sirkulasi sistem pendingin air. Lime [Ca (OH) 2] dan soda abu (Na2CO3) yang digunakan untuk pengobatan ini. Ca (OH) 2 dan Na2CO3 bereaksi dengan kesdahan dalam air dan membentuk pengendapan kalsium karbonat (CaCO3) dan magnesium hidroksida [Mg (OH) 2] seperti yang ditunjukkan dalam persamaan berikut: Ca (HCO3) 2 + Ca (OH) 2 2CaCO3 + 2H2O............................... (3.44)

CaSO4 + Na2CO3 CaCO3 + Na2SO4............................... (3.45)CaCl2 + Na2CO3 CaCO3 + 2NaCl ..... (3.46)

Mg (HCO3) 2 + 2Ca (OH) 2 Mg (OH) 2 + 2CaCO3 + 2H2O ............................... (3.47)

MgSO4 + Na2CO3 + Ca (OH) 2 Mg (OH) 2 + CaCO3 + Na2SO4 .......................... ..... (3.48)

MgCl2 + Na2CO3 + Ca (OH) 2 Mg (OH) 2 + CaCO3 + 2NaCl .......................... ..... (3.49)

Setelah sedimentasi,karakteristik air masih meliputi kesadhan 50 sampai 80 mg CaCO3 l / dan pH meningkat menjadi sekitar 10. Jadi air yang diolah akan digunakan setelah menetralisirnya dengan asam. Demineralisasi atau pelunakan dengan menggunakan resin pertukaran ion atau membran reverse osmosis dapat secara sempurna menghilangkan kesadahan dalam air dan tidak menimbulkan masalah scaling. Namun, biaya pengelolaan metode tersebut jauh lebih tinggi dibandingkan dengan metode kapur dingin. Selain itu, ada air kesadahan memberikan laju korosi yang tinggi baja karbon di bawah perawatan berbasis fosfat. Oleh karena itu, air demineral atau soft biasanya disertakan ke dalam air sirkulasi pendingin sistem tertutup yang volume air blowdown mengandung inhibitor.