Influence of foreign salts to the CaCO₃-CO₂-H₂O system and antiscalants on the adherence of calcium carbonate on the stainless steel

Influence des sels étrangers au système CaCO₃-CO₂-H₂O et des inhibiteurs d’entartrage sur l’adhérence du carbonate de calcium à de l’acier inoxydable

Laboratoire de Traitement des Eaux Naturelles, Centre des Recherches et Technologies des Eaux, Technopôle de Borj-Cédria, BP 273 Soliman, 8020, Tunisia

^* Corresponding author: mohamed.tlili@certe.rnrt.tn

Received: 15 February 2010
Accepted: 29 March 2010

Abstract

The main purpose of this work was to study the effect of foreign salts, frequently present in natural waters, and inhibitory substances on the scaling of the stainless steel. Scaling tests were made by using the precipitation method based on the dissolved-CO₂ degasification coupled with weight method. It was shown that the presence of foreign salts slightly decreases the total precipitate CaCO₃ quantity and favoured its incrustation on the walls instead of its formation in the bulk-solution. Nevertheless, this effect is strongly dependent on the salt. In presence of MgCl₂, Na₂SO₄ and MgSO₄, the precipitation ratios on the stainless steel surface passes from 48% (in absence of salts) to ∼100%. For the same ionic strengths, this precipitation ratio does not exceed 66% in presence of NaCl. Analysis results show that Mg²⁺ and SO₄²⁻ act by partially inhibiting the homogeneous precipitation and strongly favoring the heterogeneous one. On the other hand, it was shown that inhibitory substances such as Na₅P₃O₁₀ and Polyacrylate molecules unexpectedly favored the incrustation of the stainless steel surface.

Résumé

L’entartrage se dit du recouvrement d’une surface, d’un dépôt incrustant d’origine minérale. Il s’agit d’un phénomène largement répandu et inévitable pour les circuits d’eau domestique, industrielle ou d’irrigation et pour les systèmes de refroidissement. En Tunisie, le carbonate de calcium est l’élément perturbateur principal dans les installations d’eau. Dans ce travail, les effets de sels étrangers au système calco-carbonique et fréquemment présents dans les eaux naturelles (NaCl, MgCl₂, Na₂SO₄, MgSO₄) et de deux inhibiteurs d’entartrage sur la formation et l’adhérence du carbonate de calcium sur des parois en acier inoxydable et en solution ont été étudiés moyennant la méthode du dégazage contrôlé du CO₂ dissous, associée à une méthode de pesée. L’analyse des résultats obtenus montre que l’augmentation de la force ionique (de 0,015 à 0,03 et 0,045 M) par ajout de sels dans les solutions de travail (NaCl, MgCl₂, Na₂SO₄ et MgSO₄), diminue la quantité totale précipitée et accroît son incrustation sur les parois en faveur de sa formation en solution. Ceci a été observé pour tous les sels utilisés ; cependant, les ions Mg²⁺ et SO₄²⁻ présentent un effet spectaculaire comparés aux ions Na⁺ et Cl⁻. Le taux de précipitation du CaCO₃ adhérant aux surfaces en acier inoxydable en présence des sels MgCl₂, Na₂SO₄ et MgSO₄ passe de 48 % en absence de sels (force ionique FI = 0,015) à ∼100 % pour des FI de 0,03 et 0,045 M. Cependant, en présence de NaCl et pour les mêmes forces ioniques, ce même taux atteint seulement 66 %. La présence de magnésium et du sulfate inhibe donc partiellement la précipitation homogène en favorisant la précipitation hétérogène.

D’autre part, deux inhibiteurs d’entartrage ont été testés en utilisant la même procédure expérimentale : le Sodium-Tripolyphosphate Na₅P₃O₁₀ (STPP) et le Sodium Polyacrylate (RPI2000), à des concentrations inférieures à leurs concentrations efficaces. Comme prévu, les résultats ont montré que ces inhibiteurs retardent remarquablement la germination. Cependant, ils augmentent, et de manière inattendue, le taux de carbonate de calcium adhérant aux parois. Ce taux appelé taux de précipitation hétérogène atteint les 83 % en présence de 0,4 mg.L⁻¹ de STPP et 96 % en présence de 4 mg.L⁻¹ de RPI2000. Ce comportement des inhibiteurs n’a pas été mentionné antérieurement à notre connaissance, étant donné qu’on accorde habituellement à un inhibiteur les propriétés d’inhiber la germination et d’orienter les germes formés vers le sein de la solution.