Изучение процессов образования осадков соединений кремния в воде Текст научной статьи по специальности «Химические науки»

УДК 628.161.2

Н Е. Пудова*, А Н. Морозов, А.В. Жога, Н.П. Какуркин

Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева, Москва, Россия 125480, Москва, ул. Героев Панфиловцев, д. 20, корп. 1 * e-mail: [email protected]

ИЗУЧЕНИЕ ПРОЦЕССОВ ОБРАЗОВАНИЯ ОСАДКОВ СОЕДИНЕНИЙ КРЕМНИЯ В ВОДЕ

Изучено образование в воде осадков ряда соединений кремния: кремнекислоты, силикатов кальция и магния. Показано, что ранее разработанная микроскопическая методика не позволяет контролировать образование осадка кремнекислоты и неэффективна для силикатов кальция и магния при подборе оптимального типа и дозы антискаланта. Исследованы другие методы контроля осаждения, выявлено, что с помощью лазерного анализатора частиц Nanotrac можно фиксировать размер частиц осадков при малых концентрациях.

Ключевые слова: кремниевая кислота, силикаты кальция и магния, водоподготовка, отложения соединений кремния на обратноосмотических мембранах, антискаланты, микроскопическая методика контроля образования осадков.

Осаждение соединений кремния в промышленных системах водоподготовки, в частности, обратноосмотических, остаётся одной из главных проблем для технологов. Сложность в подавлении этого связана с тем, что кремний весьма слабо растворим как в виде аморфного гидратированного диоксида кремния (рис.1), являющегося основной формой при рН < 8,5, так и в соединениях с катионами различных металлов (за исключением щелочных) при более высоких значениях рН [1].

Рис. 1. Зависимость растворимости диоксида кремния от величины рН раствора

Для контроля процесса образования осадков соединений кремния и выбора методов борьбы с ними нами была использована микроскопическая методика

[2]. В реальных системах водоподготовки проблема образования отложений соединений кремния возникает при его концентрации 120 мг/л в пересчете на БЮ2 [3]. Однако зафиксировать наличие осадка при таких концентрациях оказалось сложно, поэтому для возможности использования микроскопической методики создавали системы с большим пересыщением. Для изучения процесса осадкообразования кремниевой кислоты готовили ее растворы с различными степенями пересыщения путем растворения силиката натрия в воде и понижением рН до 7, однако получить фиксируемый микроскопически осадок гидратированного диоксида кремния не удалось. Осадок силиката кальция получали при одновременном сливании растворов хлорида кальция и силиката натрия, осадок силиката магния - из растворов сульфата магния и силиката натрия при различных концентрациях и понижением рН до значения, при котором удобно фиксировать процесс осадкообразования. На рис.2 представлена зависимость количества осадков силикатов кальция и магния при выбранной концентрации 0,2% масс. от времени. Показано, что при уменьшении рН количество осадка для обоих силикатов также снижается (рис. 3).

-Са510Э -MgSlOi

Слева - Рис.2. Зависимость количества осадков силикатов кальция и магния от времени при их концентрации 0,2% масс.

Справа - Рис.3. Зависимость количества осадков силикатов кальция и магния от рН на 5-ой минуте эксперимента

Таблица 1. Условия получения осадков силикатов и контроля процесса микроскопическим методом

№ Параметр Значение параметра

1 Состав осадка CaSiOs MgSiOs

2 Концентрация силиката 0,2 % масс 0,2 % масс

3 рН 9,5 9,0

4 Степень увеличения микроскопа 220

5 Предварительное перемешивание 1 мин 30 сек

6 Время эксперимента 10 мин

Выбранные условия получения осадков и контроля этого процесса микроскопическим методом представлены в таблице 1. Отметим, что при большей продолжительности опыта (до 30 минут) существенных изменений осадков не наблюдалось. В предварительных опытах с использованием ряда антискалантов при их концентрации 4-32 мг/л не наблюдалось подавления процесса

осадкообразования силикатов кальция и магния.

Для выяснения возможности снижения концентрации кремния в воде процессы осаждения малорастворимых соединений кремния были изучены фотометрическими методами с использованием фотоэлектроколориметра КФК-2 и титратора Mettler Toledo с фотоэлектрическим датчиком DP660. Полученные на КФК-2 данные представлены на рис.4. В процессе проведенных исследований наблюдалось частичное оседание образующихся частиц, что, по -видимому, было связано с их агрегацией; также наблюдалась недостаточно хорошая

воспроизводимость результатов. Исключить эти недостатки удалось в аналогичных опытах с титратором Mettler Toledo, который обеспечивает перемешивание раствора (рис.5). Однако понизить концентрацию кремния в этих опытах также не удалось.

Рис.4. Зависимость оптической плотности раствора от времени для изучаемых систем (КФК-2)

Рис.5. Зависимости оптической плотности исследуемых систем от времени, полученные на титранте Mettler Toledo

Перспективным представляется использование для изучения наших систем лазерного анализатора размеров частиц Nanotrac. С его помощью были исследовано осаждение карбоната кальция, изученное нами ранее микроскопическим методом [2]. Результаты, представленные на рис.6, хорошо согласуются с ранее полученными [2], при этом появляется возможность контролировать стадию нуклеации, что не достигается микроскопическим методом.

Рис.6. Зависимость среднего диаметра частиц карбоната кальция, нм, от времени, получаемого в системах с антискалантом и без него, при фиксировании процесса ^П01гас Из результатов экспериментов следует, что с помощью лазерного анализатор частиц №шйас возможно контролировать процесс осаждения веществ при концентрациях, недоступных для микроскопической методики, а также возможно зафиксировать время индукционного периода.

Пудова Наталия Евгеньевна, студентка 5 курса кафедры технологии неорганических веществ, РХТУ им. Д. И. Менделеева, Россия, Москва

Морозов Александр Николаевич, ведущий инженер ЦКП им. Д.И. Менделеева

Жога Анастасия Владимировна, аспирантка кафедры технологии неорганических веществ, РХТУ им. Д. И. Менделеева, Россия, Москва

Какуркин Николай Потапович, к.т.н., доцент кафедры технологии неорганических веществ РХТУ им. Д.И. Менделеева, Россия, Москва

Литература

1. Demadis, K. D.. To avoid silica-scale problems in cooling towers, plant personnel turn to unconventional method. Water Treatment's Gordian Knot, 2009, p. 29-32.

2. Жога А.В., Пудова Н.Е., Какуркин Н.П. Разработка методики оценки эффективности антискалантов// Успехи в химии и химической технологии, сб. науч. тр. Том XXVII, №7 (147) - М.: РХТУ им. Д.И. Менделеева, 2013. - с.129 - 132.

3. Первов А.Г. Современные высокоэффективные технологии очистки питьевой и технической воды с применением мембран: обратный осмос, нанофильтрация, ультрафильтрация/ Монография: -Издательство Ассоциации строительных вузов. - М.: 2009. - 232 с.

Pudova NataliyaEvgenievna*, Morozov Alexsandr Nicolaevich, Zhoga Anastasiya Vladimirovna, Kakurkin Nicolay Potapovich

D.I. Mendeleev University of Chemical Technology of Russia, Moscow, Russia. *e-mail: [email protected]

THE STUDY OF THE FORMATION OF PRECIPITATION OF SILICON COMPOUNDS IN THE WATER SYSTEMS

Abstract

The formation of a number of silicon compounds precipitates: silica, calcium and magnesium silicates in water was investigated. It is shown that the microscopic technique previously developed does't allow to control the precipitation of silicic acid and ineffective for calcium and magnesium silicates when the selection of the optimal type and dose antiscalant occur. We investigated the other methods of deposition control. By using a laser particle analyzer Nanotrac particle size can be fixed at low concentrations.

Keywords: silicic acid, calcium and magnesium silicates, waterproof, silicon compounds scale on reverse osmosis membrane, antiscalants, microscopic technique to control deposit formation

Измерения на анализаторе размеров частиц Nanotrac выполнены на оборудовании Центра коллективного пользования имени Д. И. Менделеева.