CC BY
36
УДК 628.161.2
Пудова Н.Е., Афонин П.А., Какуркин Н.П.
ИЗУЧЕНИЕ ВОЗМОЖНОСТИ ФИКСИРОВАНИЯ ОСАЖДЕНИЯ КРЕМНИЕВОЙ КИСЛОТЫ
Пудова Наталия Евгеньевна, аспирантка кафедры технологии неорганических веществ и электрохимических процессов РХТУ им. Д. И. Менделеева, Россия, Москва.
Афонин Петр Александрович, магистрант 1 курса кафедры технологии неорганических веществ и электрохимических процессов РХТУ им. Д. И. Менделеева, Россия, Москва.
Какуркин Николай Потапович, доцент кафедры технологий неорганических веществ и электрохимических процессов РХТУ им. Д. И. Менделеева, Россия, Москва, {HYPERLINK"mailto:npk@muktrm"}; Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева, Москва, Россия 125480, Москва, ул. Героев Панфиловцев, д. 20
Представлены результаты исследований по изучению осаждения кремниевой кислоты из пересыщенного раствора. Показано, что с помощью катионного индикатора метиленового голубого удается зафиксировать осадок с помощью электронного микроскопа. Дополнительно изучено влияние антискалантов по предотвращению осаждения выбранного соединения.
Ключевые слова: водоподготовка; кремниевая кислота, катионный краситель, метиленовый голубой, антискаланты.
STUDY OF THE POSSIBILITY OF FIXING THE DEPOSITION OF SILICIC ACID.
Pudova N.E., Aphonin P.A., Kakurkin N.P.
D. Mendeleev University of Chemical Technology of Russia, Moscow, Russia
The results of studies on the deposition of silicic acid from a supersaturated solution are presented. It was shown that a cation indicator of the methylene blue effect fixed the precipitate with an electron microscope. In addition, the influence of antiscalants on the prevention of the deposition of damage to compounds has been studied. Keywords: water treatment, silicic acid, cationic dye, methylene blue, antiscalants.
Как следует из представленной зависимости, при тех значениях рН, которые чаще достигаются на обратноосмотических системах (8 и ниже) SiO2 находится в виде кремниевой кислоты.
При увеличении концентрации диоксида кремния происходит полимеризация кремниевой кислоты с образованием олигомеров с низкой молекулярной массой, которые могут расти в более крупные полимерные формы с образованием кремниевого геля, удаление которого с поверхности мембраны является весьма трудной задачей [5].
В наших исследованиях изучение кремнекислоты проводилось при рН =7.
fllO)jSi-OH + ОН~-(HOl3SiO~ + Н20
он
(НО)зЗЮ" + НО—31—ОН (н0),51-0-5н*0нь + 01Г
он
Рис.2. Процесс полимеризации кремниевой кислоты
Для изучения процесса осадкообразования кремнекислоты готовили ее растворы с различными степенями пересыщения путем растворения силиката натрия в воде и понижением рН до 7 с помощью 0,1 М соляной кислоты. Для фиксирования процесса осаждения использовалась ранее разработанная нами методика оценки эффективности антискалантов, используемых для подавления образования осадков карбоната кальция, сульфата бария и силикатов кальция и магния. Контроль процесса осуществлялся с помощью
Осаждение кремния и кремниевых соединений в системах обратного осмоса является весьма существенной проблемой в промышленных системах водоподготовки и водоснабжения. Сложность в управлении процесса осадкообразования соединений кремния связана с тем, что диоксид кремния весьма слабо растворим как в аморфном состоянии, так и в соединениях с катионами различных металлов, содержащихся в воде [1,2]. Дополнительные трудности при эксплуатации систем возникают при ошибочном проектировании системы водоподготовки ввиду того, что в некоторых случаях в анализе исходной воды не указывается содержание SiO2.
Кремниевая кислота может существовать в растворе в различных формах в зависимости от рН раствора,
температуры, присутствия в воде других ионов и т.д. [3].
И
£ ^ 80
!§
¡1 ||
3
Is
§ I о
60
40
го
\ / sC" нщ /
\ h Siflj1"
\ / / /
/ V I /
/ /
8
Ю
II
12 13
14
15 рН
Рис. 1. График соотношения форм кремниевой кислоты от рН среды [4]
оптического микроскопа Levenhuk 40L с цифровой камерой С130. Методика позволяет наблюдать за выпадением осадка и его изменением во времени в режиме непрерывной съемки или выполняя отдельные снимки, в т.ч. фиксировать время начала выпадения осадка (время индукционного периода).
Интенсивность осадкообразования определялась переводом фотографий графическим редактором в черно-белую палитру и нахождением программой процента (%) заполнения фотографии цветом (далее -показатель т). Данный параметр может характеризовать количество образовавшегося осадка. [6-7].
Однако зафиксировать образование осадка кремнекислоты этим методом не удалось даже при высоких степенях пересыщения (рис.4а). Причиной этого, по нашему мнению, является близость значений коэффициентов преломления воды и кристаллов данного соединения. При этом косвенные признаки указывают на наличие коллоидной составляющей в системе. В частности, об этом свидетельствует значение электрокинетического потенциала (-20 мВ для рН 7), измерение которого проводилось на приборе Р^Ьсог СОтрасЪ^. При этом, измерение ^-потенциала проводилось при различных значениях рН силиката натрия. Полученные результаты указаны на рисунке 3.
га -зо s
Г"
а)
о -20 с
га 15
m -ю
R = 0.97В6 ,
рн
Рис.3. Зависимость дзета-потенциала кремниевой кислоты в зависимости от рН раствора.
Введение в систему метиленового голубого (C16Ш8QN3S) позволило зафиксировать наличие осадка кремнекислоты за счёт адсорбции красителя на поверхности частиц. Адсорбция происходит во многом благодаря разноименным зарядам кислоты и индикатора, при этом изменяется не только величина, но и знака ^-потенциала (+6 мВ), а также наблюдается во времени образование крупных хлопьев осадка (рис.4б). Обработка этих фотографий позволяет определить степень заполнения поверхности цветом
(рис.5)._ _
*
Таким образом, для изучения осаждения кремниевой кислоты рекомендуется окрашивание исследуемой системы с помощью катионного красителя метиленового голубого. Методика может быть использована для подбора антискаланта, подавляющего этот процесс, однако использованием ряда известных антискалантов нам не удалось решить эту задачу. Подавить образование осадка удаётся переводом процесса в щелочную область (рН>9).
Рис.4. Фотографии осадка кремнекислоты без окрашивания (а) и в присутствии метиленового голубого (б) (концентрация SЮ2 - 0,1%).
Рис.5. Зависимость показателя m от концентрации кремнекислоты в присутствии метиленового голубого на 5-ой минуте эксперимента.
Литература
1. Kempter A., Gaedt T., Boyko V., Nied S., Kley M., Huber K. Controlling silica in water treatment applications. The International Desalination Association. World Congress on Desalination and Water Reuse 2013, P. 1-15.
2. E. Temiz, N.Sookhtanloo. Silica Scale Inhibition in Mechanical Pulping. Bachelor of Science Thesis Department of Chemical and Biological Engineering. Gothenburg, Sweden 2014
3. Haidari A.H., Heijman S.G.J., Witkamp G.J., van Dijk J.C. High silica concentration in RO concentrate and Magnesiumsilica polymers formation. Delft University of Technology 2011, P. 1-12.
4. Руководящие указания по магнезиальному обескремниванию воды СО 34.37.513 (РД 34.37.513) / Утв. Союзглавэнерго; Разраб. ВТИ: Квятковский В.М., Живилова Л.М., Баулина А.И. М.: Госэнергоиздат, 1961. 100 с.
5. Mohannad Malki, Vana Abbas. Controlling aluminum silicate formation in membrane separation processes. The International Desalination Association. World Congress on Desalination and Water Reuse 2013, P. 1-23.
6. Пудова Н.Е., Морозов А.Н., Жога А.В., Какуркин Н.П. Изучение процессов образования осадков соединений кремния в воде. Успехи в химии и химической технологии, сб. науч. тр. Том XXIX, №3 (162) - М.: РХТУ им. Д.И. Менделеева, 2015. - C. 95 -97.
7. Каккуркин Н.П., Пудова Н.Е., Афонин П.А., Бывальцев Е.А. Оценка эффективности ряда антискалантов по предотвращению осаждения сульфата бария. Вода Magazine 2017, C. 36-40.
