Для чего нужен магниевый или алюминиевый анод для водонагревателя — бойлера

Водопроводная вода с растворенными в ней солями является проводником электрического тока — электролитом. Из школьного курса физики известно, что если в электролит поместить два электрода из разных металлов, то образуется гальванический элемент. Один из электродов получает положительный потенциал — анод, другой — отрицательный, катод. В результате электрохимической реакции в электролите, металл анода взаимодействует с кислородом, растворенным в воде. Металл анода разрушается, превращается в окислы, ржавчину. Второй электрод — катод, не корродирует.

В баке водонагревателя всегда есть детали, изготовленные из разных металлов — бак из стали, ТЭН из меди. Медь в этой паре будет катодом, а стальной бак — анодом.

Если даже все детали в баке сделаны из нержавейки, то сварные швы имеют отличия в составе металла. Совсем небольшие примеси на поверхности металла сварного шва образуют с металлом бака гальванический элемент и создают условия для электрохимической коррозии металла шва. Металл шва в этом гальваническом элементе является анодом и будет постепенно разрушаться.

Для защиты металла бака и сварного шва от электрохимической коррозии, в электролит помещают электрод, изготовленный из металла с большим отрицательным потенциалом. Такой электрод будет иметь потенциал анода, как с металлом стального бака, так и сварного шва. А защищаемый металл будет выступать в роли катода. В результате, металл анода будет корродировать и медленно разрушаться, а металл катода (бак и сварные швы) не будет страдать от ржавчины.

Такой способ защиты называют протекторной защитой от коррозии, а сам электрод называют анодом протекторной защиты. Анод иногда выгодно делать в виде покрытия одного металла другим. Например, сталь часто покрывают слоем цинка и получают оцинкованную сталь. Слой цинка в которой служит анодом.

К металлу, используемому в качестве материала протектора, предъявляются следующие основные требования:

• Электродный потенциал материала протектора должен быть существенно более отрицательным, чем потенциал защищаемого металла;
• Количество электричества, получаемое при электрохимическом растворении единицы массы протектора, должно быть как можно большим.

Этим требованиям, для протекторной защиты стальных и медных деталей, лучше всего соответствуют, и чаще всего используются электроды из магния, алюминия или цинка. Ионы цинка, Zn²⁺ , токсичны. Поэтому, по санитарным соображениям оцинкованную сталь и  цинковые аноды в водонагревателях не применяют.

Для защиты от коррозии стальных баков электроводонагревателей, их производители, обычно применяют аноды из магния. Электроды из алюминия создают в электролите меньшую разность потенциалов с другими металлами, чем аноды из магния. На рынке можно найти алюминиевые аноды для водонагревателей сторонних производителей.

Таблица. Некоторые электрохимические свойства магния и алюминия

Электроды анодов делают из специальных сплавов основного металла. Образование плотной окисной пленки препятствует прохождению тока у технически чистого алюминия и обычных технических сплавов металлов. Введение в сплавы специальных добавок позволяет получить электроды с более отрицательными, чем у основного металла, потенциалами. Протекторы из сплавов остаются активными, равномерно корродируют и не становятся пассивными в среде, где они используется.

Магниевый анод может содержать какой-то процент алюминия,  а в сплав алюминиевого электрода обязательно добавляют цинк и магний. Кроме того, для улучшения свойств, в состав металла часто добавляют другие элементы, например, редкоземельный индий. У каждого производителя состав и свойства анодов могут быть другими.

Каждый протектор имеет свой радиус защитного действия, который зависит как от размеров и свойств анода, так и от параметров электролита и защищаемого металла. Размеры анода, а также количество электродов в баке, выбирают в зависимости от площади поверхности защищаемого металла и наличия электроизолирующих покрытий (краска, стеклоэмаль и т.п.) на его поверхности. Чем больше поверхность открытого, без защитных покрытий, металла в баке, тем больше должны быть размеры анода или/и их число. 

Скорость разрушения, эрозии анода, также зависит от состава металла электрода и электропроводности воды. Протекторы из магния должны эксплуатироваться в воде с рН 9,5 – 10,5. Если рН воды меньше, то увеличивается скорость растворения магниевого электрода. При выборе анода рекомендую руководствоваться указаниями заводской инструкции.

Все металлические детали в баке водонагревателя должны иметь электрический контакт с анодом. Нельзя анод просто положить в бак, или прижать пластиковыми стяжками к трубкам датчиков, как советуют некоторые «специалисты».

Недостатки анодной протекторной защиты от коррозии

Если сдвиг потенциала анода в отрицательную сторону превысит определённое значение, возможна так называемая перезащита, которая приводит к выделению водорода на катоде, к изменению состава приэлектродного слоя и к другим процессам.  Все эти процессы способствуют отслаиванию защитного (изоляционного) покрытия в баке и ускорению коррозии защищаемого металла.

Чтобы исключить перезащиту и не допустить недозащиту, величина разности потенциалов  анода и катода должна находиться в определенных пределах в зависимости от целого ряда факторов, которые могут меняться. Причем, в случае значительного изменения этих факторов необходимо менять и величину потенциала анода. То есть, величину разности потенциалов между анодом и катодом необходимо измерять, контролировать и регулировать.

В водонагревателях высокой ценовой категории применяют более совершенную, регулируемую катодную защиту от коррозии. Сдвиг потенциала защищаемого металлического объекта осуществляется с помощью внешнего источника постоянного тока. Разность потенциалов между титановым анодом и баком водонагревателя регулируется электроникой по заданной программе.

Практика эксплуатации бюджетных водонагревателей с протекторной защитой свидетельствует о том, что не всегда удается исключить перезащиту, используя, рекомендуемый производителем, магниевый анод.

Для простого, протекторного способа защиты водонагревателей, единственный способ не допустить перезащиту и уменьшить потенциал — это заменить магниевый анод на электрод из алюминия.

Когда менять магниевый анод на алюминиевый

О том, что магниевый анод в водонагревателе работает в режиме перезащиты, говорит наличие одновременно двух факторов:

• Быстрое растворение магниевого электрода, требуется его замена чаще, чем один раз в два года.
• Интенсивное выделение водорода. Газ скапливается вверху бойлера и при открытии крана горячая вода, особенно в самом начале, идет с бульканием. Выделение водорода иногда приводит к появлению запаха сероводорода из воды (подробнее об этом в конце статьи).

Если у Вас присутствуют эти факторы, то рекомендую заменить магниевый анод на алюминиевый. Размеры алюминиевого анода следует выбрать примерно в 1,5 раза больше, чем были у магниевого.

Когда менять анод протекторной защиты бойлера

На поверхности магниевого анода через год эксплуатации видна коррозия — окислы, которые осыпаются и постепенно растворяют, разрушают электрод . В результате, длина и диаметр анода уменьшились.

По мере эрозии, аноды подлежат регулярной замене. Критерии, по которым определяют необходимость замены анода, обычно указаны в заводской инструкции. Производители электроводонагревателей рекомендуют через один год с начала эксплуатации выполнить осмотр и оценку степени износа анода и величины отложений накипи на ТЭНах. По результатам оценки определяют периодичность замены анода и чистки от накипи.

Анод протекторной защиты  оказывает незначительное влияние на образование накипи на ТЭНах водонагревателя. Увеличение интенсивности электрохимических процессов на поверхности металла способствует некоторому разрыхлению слоя накипи. Камень из солей жесткости становится менее плотным и легче отделяется от металла.

Вода + анод = сероводород

Почему горячая вода из бойлера пахнет сероводородом

Через какое-то время вода из бойлера может начать жутко вонять сероводородом. Причина — в размножении бактерий в баке водонагревателя. Особенно часто это происходит, если вода в водопровод подается из местной скважины или колодца. Вода из городского водопровода обычно специально готовится, сильно обеззараживается, хлорируется, и с ней такие случаи бывают редко.

Большие количества газа сероводорода (H₂S) выделяются и накапливаются в результате жизнедеятельности сульфатредуцирующих (сульфатвосстанавливающих) бактерий в воде. 

Сульфатредуцирующие бактерии используют органические вещества (CH₂O) или водород (H) в качестве донора электрона и сульфат (SO₄) в качестве акцептора электрона при получении энергии

2CH₂O + SO₄^2-  + 2H⁺ => 2CO₂ + H₂S + 2H₂O

Проще говоря, существует две разновидности сульфатредуцирующих бактерий. Обеим разновидностям для жизнедеятельности необходимы сульфаты — соединения серы, а также водород.  Но одна разновидность бактерий добывает водород из органических веществ в иле. Другие бактерии используют молекулярный водород, который находят в воде.

Важно — развитие сульфатредуцирующих бактерий происходит в анаэробных условиях, при отсутствии свободного кислорода в воде.

Сульфа́ты — соли серной кислоты H₂SO₄ ,например, сульфат калия K₂SO₄ , гидросульфат натрия NaHSO₄ . Сульфаты широко распространены в природе, образуя целую группу минералов. Многие сульфаты растворимы в воде и входят в состав природной воды.

Чем опасен сероводород

Сероводород (H₂S) плохо растворим в воде. Огнеопасен. Концентрационные пределы воспламенения в смеси с воздухом составляют 4,5—45 % сероводорода. 

Сероводород очень токсичен. Вдыхание воздуха с небольшим содержанием сероводорода вызывает головокружение, головную боль, тошноту, а со значительной концентрацией приводит к коме, судорогам, отёку лёгких и даже к летальному исходу. При высокой концентрации однократное вдыхание может вызвать мгновенную смерть. При вдыхании воздуха с небольшими концентрациями у человека довольно быстро возникает адаптация к неприятному запаху «тухлых яиц» и он перестаёт ощущаться. Во рту возникает сладковатый металлический привкус.

При вдыхании воздуха с большой концентрацией из-за паралича обонятельного нерва запах сероводорода почти сразу перестаёт ощущаться. Сероводород также используют в лечебных целях, например в сероводородных ваннах.

Появление сероводорода в воде бойлера — это не только неприятный запах и опасность для здоровья. Раствор сероводорода в воде — очень слабая сероводородная кислота. Сероводород превращает воду в баке бойлера в кислоту, пусть и очень слабую. Увеличение кислотности воды ускоряет электрохимическое растворение магниевого анода протекторной защиты от коррозии.

Две причины запаха сероводорода из воды бойлера

Одна причина запаха

Питательной средой для некоторых разновидностей сульфатредуцирующих бактерий служит ил, который содержит органические соединения. Такие бактерии можно найти в природе, например, в отложениях ила на дне болот, озер. Или в искусственных сооружениях — в септике канализации, например. Или на дне колодца, или накопительного бака с водой, если там скапливаются органические загрязнения.

В баке бойлера со временем из воды оседает и накапливается слой ила, который может стать средой обитания сульфатредуцирующих бактерий.

Увеличьте температуру воды в бойлере до максимума, выше 70 ^оС и попользуйтесь горячей водой дня три. Микроорганизмы при такой температуре должны погибнуть, а накопленный в иле сероводород за это время уйдет с водой из бака. Если запах сероводорода исчез, то скорее всего причина запаха в деятельности бактерий, которые живут в слое ила.

Другая причина запаха

Другие разновидности бактерий живут в воде. Для жизнедеятельности, таким бактериям, необходим молекулярный водород. Некоторые из них живут в природных источниках термальной воды при температуре +110 ^оС.

В баке водонагревателя молекулярный водород особенно интенсивно выделяется, если протекторная защита от коррозии работает в режиме «перезащиты» (подробнее о «перезащите» читайте в статье выше).

Если в баке водонагревателя вода содержит достаточно большое количество сульфатов, и протекторная защита работает в режиме «перезащита», с интенсивным выделением водорода, то  создаются условия для активного размножения сульфатредуцирующих бактерий в воде.

Определить причину не сложно – выньте протекторный анод из бака и включите водонагреватель в работу без анода. Если вода перестала отдавать тухлыми яйцами – причина найдена.

Способы устранения запаха сероводорода из воды бойлера

В баке водонагревателя могут присутствовать сульфатредуцирующие бактерии как в иле, так и в воде, одновременно. Но обычно, наиболее активной является какая-то одна разновидность бактерий. В зависимости от того, какая разновидность сульфатвосстанавливающих бактерий в баке бойлера является причиной запаха сероводорода, выбирают и способ избавления от запаха.

Устранение бактерий, которые живут в слое ила

Бывает достаточно выполнить хотя бы одно из следующих мероприятий:

• Проще всего поднять температуру воды выше 70 ^оС и попользоваться такой водой суток трое, до исчезновения запаха. В дальнейшем постоянно держать температуру воды в бойлере выше 55 ^оС. Периодически рекомендуется повышать температуру выше 70 ^оС.
• Регулярно проводить чистку бойлера от накипи и отложений ила на дне.
• Принять меры по снижению количества органических загрязнений в водопроводной воде. Для этого можно изменить горизонт забора воды — вместо колодца брать воду из скважины или углубить скважину. Установить фильтры по очистке водопроводной воды от механических и органических загрязнений.

Устранение бактерий из воды бойлера

Для подавления сульфатредуцирующих бактерий, живущих в воде бойлера, бывает достаточно выполнить:

• Попробуйте поднять температуру воды выше 70 ^оС и попользоваться такой водой суток трое, до исчезновения запаха. В дальнейшем постоянно держать температуру воды в бойлере выше 55 ^оС. Периодически рекомендуется повышать температуру выше 70 ^оС. Но этот способ помогает не всегда. Бактерии, живущие в воде бойлера, часто бывают устойчивы к таким температурам.
• Активность сульфатвосстанавливающих бактерий подавляется если снизить содержание молекулярного водорода в воде. Для этого, оптимизируют режим работы протекторной защиты.  Замена магниевого анода на алюминиевый, исключает «перезащиту», что снижает содержание водорода в воде. О замене анодов читайте в начале этой статьи.

Общие меры борьбы с бактериями в бойлере

Следующие меры способны подавить развитие бактерий как в воде, так и в иле:

• Аэрация, насыщение воздухом, водопроводной воды приводит к увеличению содержания в воде свободного кислорода. В результате, анаэробная среда обитания бактерий меняется на менее благоприятную для их жизни.
• Водопроводную воду обеззараживать способами, антибактериальное действие которых сохраняется длительное время после обработки — хлорирование и т.п. Обработка воды ультрафиолетом для этого не подходит.
• Принять меры по снижению количества растворимых соединений серы в водопроводной воде. Для этого можно изменить горизонт забора воды — вместо колодца брать воду из скважины или углубить скважину.  Эти меры следует выбирать после анализа источника воды на содержание сульфатов.

Еще статьи на эту тему: