CC BY
70
УДК 620.19:661.5
В. А. Косолапова, А. В. Янков
СРАВНИТЕЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ПРОТИВОГОЛОЛЕДНОГО СРЕДСТВА НА ОСНОВЕ АММОНИЙНОЙ СЕЛИТРЫ С ДРУГИМИ ВЕЩЕСТВАМИ
Приводятся краткие сведения о состоянии проблемы гололедицы на современном этапе, анализ которых говорит о необходимости разработки более дешевых и экологически чистых противогололедных средств, позволяющих эффективно бороться с гололедом на дорогах и коррозией металла автомобильного транспорта. По результатам исследований приведены некоторые экспериментальные данные по сравнению физикохимических характеристик противогололедного средства на основе аммонийной селитры с хлоридами натрия и кальция.
Из двенадцати месяцев в году почти половина из них приходится на период, когда существует проблема возникновения на дорожном полотне гололеда. Он возникает при перепаде температур от +20С до -60С и относительной влажности воздуха более 85 %.
На поверхности дороги в зависимости от погодных условий (температуры воздуха, влажности и скорости ветра) образуются:
- рыхлый снег (плотность 0,06-0,20 г/см3, коэффициент сцепления 0,20);
- уплотненный снег или накат (плотность 0,30-0,60 г/см3, коэффициент сцепления
0,10-0,25);
- стекловидный лед (гололед) - пленка (толщиной до 3 мм) или корка (толщиной до 10 мм) коэффициент сцепления 0,08-0,15 [1].
Гололедица приносит немалые хлопоты, как автомобилистам, так и городским коммунально-хозяйственным подразделениям, поглощая значительную часть бюджета на борьбу с ней. В США, например, зимнее содержание автомобильных дорог, обходится в 1,5 млрд. долларов в год, включая стоимость реагентов, посыпки и уборки. Однако стоимость зимнего содержания дорог без применения химикатов более чем в три раза выше стоимости содержания их с применением [1]. Для повышения безопасности движения транспортных средств в зимний сезон применяются неорганические и органические соединения: хлориды, ацетаты, сульфаты и др. Уменьшению коррозионной активности противогололедных реагентов способствует добавление к смеси поверхностноактивных веществ таких как: синтамидил, синтанол ДС-10, синтанол ДТ-7, сульфанол ОП-7 [2] и другие [3-8]. Их наличие в составе противогололедных средств существенно снижает коррозию металлов и снижает износ машин.
В России с 60-х годов стали применять в качестве противогололедного средства смесь песка с хлористым натрием или кальцием в количестве 2% мас. Но инструктивными документами по технологии очистки и удаления льда с придорожных покрытий с применением хлоридов запрещалось применять последние на тех улицах, где снег складируется на открытый грунт под зеленые насаждения, а на озелененных улицах применение хлоридов вообще считается нецелесообразным [1]. Дело в том, что хлориды, поступающие с талыми водами, усложняют гидрологический режим как поверхностных, так и грунтовых вод придорожной зоны. Даже небольшие количества солей, накапливаясь
в течение многих лет в придорожной зоне, оказывают отрицательное воздействие на состояние придорожной зоны.
Помимо широко применяемых способов борьбы с гололедицей при помощи химических реагентов существуют альтернативные, экологически безопасные, например, обогрев покрытий дорожного полотна горячей водой, воздухом, естественным теплом Земли, энергией Солнца и ветра, а также газом и током, прошли испытания применения электромагнитных полей, электролиза и др.
Анализ литературных данных свидетельствует о том, что проблема борьбы с гололедицей стоит остро как в Российской Федерации, так и за рубежом. Широко используемые ныне песко-солевая смесь и растворы хлоридов кальция и магния наносят непоправимый ущерб флоре и фауне. Приносят много неприятностей хозяйственным службам городов и дорожникам, имеют много нареканий со стороны властей и населения.
Между тем, на базе действующих производств по выпуску удобрения -аммонийной селитры - возможно создание установок по выпуску противоголедных средств из нестандартных растворов данного продукта. В качестве противокоррозионного средства можно применять известные ингибиторы. Целью нашей работы являлось сравнительное исследование физико-химических и электрохимических характеристик предлагаемого проивогололедного средства на основе растворов аммонийной селитры различной концентрацией с применяемыми противогололедными средствами на основе хлоридов натрия и кальция.
Исследуемые характеристики противогололедных средств проводились по известным методикам, приводимых в литературе. [2, 3, 9]. Так как растворы нитрата аммония коррозионно активны, то для составления композиций в качестве ингибитора коррозии использовалось фосфорная кислота.
Для исследования была приготовлена серия растворов аммонийной селитры различной концентрацией от 20 до 60% и добавкой фосфорной кислоты 0,5; 0,1; 1,5%. Одна серия опытов была посвящена нахождения показателя изменения массы металлов по убыли массы во времени, глубинного показателя коррозии металлов и скорости коррозии для сталей Ст.25, Ст.72, ст.Ст.08кп. В таблице 1 представлены сравнительные характеристики одного из исследуемых растворов в сравнении с раствором хлористого натрия.
Установлено, что скорость коррозии для всех исследуемых металлов со временем уменьшается. Эта закономерность наблюдалась во всех исследуемых растворах. Сравнивая показатели убыли массы исследуемых металлов в предлагаемых растворах с раствором хлористого натрия, установлено, что в последнем они коррозируют больше [10]. Защитное действие фосфорной кислоты очевидно, например, для раствора 40%МН4Ы03+0,5%Р04 защитный эффект для стали Ст.20 равен 4,78, а для стали Ст.08кп - 1,75. Защитный эффект можно объяснить фосфотирующим действием фосфорной кислоты, так как в фосфорнокислых средах железо образует на поверхности металлов труднорастворимый двухзамещенный фосфат железа, который оказывает тормозящее действие на анодный процесс. Пленка труднорастовримого соединения на поверхности металла затрудняет подвод кислорода, что делает металл более коррозионностойким. Это подтверждают и снятые поляризационные кривые, которые характеризуют поведение металлов в электролитах. Степень наклона кривой указывает на протекание электродного процесса: чем больше наклон кривой, тем больше поляризуем металл в данном электролите, то есть имеет малую скорость коррозии. В растворе хлоридов протекает процесс коррозии металлов, в них катодная деполяризация осуществляется растворенным в электролите кислородом, то есть протекает процесс коррозии металла с кислородной деполяризацией.
Компотіпдпі Марка стали Убыль массы Показатель изменения массы с ингибитором, ТІМІ ч Показатель тменения массы без ингибитором, ТІШІ ч Глубинный показатель коррозии, М№Їод Плотность коррозионного тока, А/м^ Величина защитного действия, «/о Защитный эффект
Ст. 25 0,07775 0,4 1,91 0,45 0,35 79 4,68
35%[\1Н4[\]03+ 1,0%Р2О5 Ст.75 0,11705 0,6 1,5 0,672 0,41 60 2,5
Ст.08кп 0,08395 0,4 0,7 0,444 0,32 42,58 1,75
ЫаС1 Ст. 25 0,76583 - 3,9 4,36 0,58 - -
Ст.75 0,95684 - 4,85 5,432 0,64 - -
Ст.ОЗкп 0,84105 - 4,35 4,82 0,56 - -
Как уже говорилось в источниках литературного обзора, хлор-ион отрицательно действует на растения, находящиеся в придорожной зоне. Поэтому следующей задачей исследования было нахождение содержания ионов в почве в течение 30 дней со дня таяния снега, когда уже происходит формирование травяного покрова. Результаты воздействия на почву растворов аммонийной селитры и хлорида кальция представлены в таблице 2.
Таблица 2 - Результаты воздействия на почву растворов аммонийной селитры и хлорида кальция
Время отбора проб Содержание МОз', мг/кг Содержание СІ', мг/кг
Норма расхода ІЧЩІЧОз, г/м2 Норма расхода СаСІ2, г/м2
80 120 200 400 600 100 150 250
После таяния снега 36 44 53 79 92 37 43 48
Через 5 дней 33 39 50 67 79 33 38 44
Через 15 дней 31 36 44 58 66 30 34 39
Через 30 дней 27 32 40 47 58 28 31 36
На отведенном участке были отобраны и проанализированы пробы почвы, затем на этот участок вносились противогололедные средства различной нормы [11]. В таблице 2 представлены данные содержания нитрат и хлор ионов в почве. После 30 дней содержание нитрат ионов в почве уменьшилось почти в два раза (при норме внесения 600 г/м2), а содержание хлор иона уменьшилось в 1,3 раза (при норме внесения 250 г/м2).
Содержание в почве нитрат ионов подвижно, зависит от количества выпавших осадков и меры потребления азота растениями в процессе их развития и роста. А содержание в почве хлор иона уменьшается за счет его вымывания талыми водами и осадками. Сравнивая экологический ущерб, предпочтение можно отдать ионам, содержащим азот, так как сама аммонийная селитра применяется в качестве азотного удобрения. Хлор ион аккумулируется в почве и вымывается талыми и грунтовыми водами, что приводит к пагубным воздействиям на растительность и отрицательно сказывается на водный бассейн [12].
Важным моментом в исследовании было установить архитектуру воздействия применяемых противогололедных средств на таяние льда и снежного наста в зависимости от температурных условий и нормы внесения, пример которых изображен на рис. 1, 2. Характер зависимостей идентичен. С увеличением нормы вносимых противогололедных средств время таяния уменьшается в диапазоне исследуемых температур от -20С до -100С, причем хлористый кальций действует в 3-5 раз быстрее, в зависимости от нормы внесения (начальная толщина льда равнялась 10 мм).
При более высоких температурах исследуемые растворы действуют гораздо быстрее, а при низких время таяния льда увеличивается. Структура снега также влияет на скорость разрушения снежной корки. Лед тает медленнее, чем снежный накат, что естественно.
По результатам проведенных исследований можно сделать вывод о целесообразности замены широко используемых песко-солевой смеси и хлористого кальция на раство-_____________________________________________________________________
5, мм
О 1,0 2,0 Время, мин
Рис. 1 - Кинетическая зависимость таяния льда при различных нормах внесения ПГК (35% N^N03 и 1,5%Р20б)
10
9
1 - 1,5% Р2^5
2 - 1% P2Os 3- 0,5% P2Q5
8
7
6
0
О
1,0
2,0 Время, мин
Рис. 2 - Кинетическая зависимость таяния льда от количества добавки (35%NH4N03) при норме внесения 200 мл и t = - 20С
ры аммонийной селитры. Как показали предварительные расчеты, экономически это выгодно ввиду меньшей цены на растворы аммонийной селитры, и отсутствия необходимости уборки весной дорожного полотна и придорожной зоны от песка. Экологически замена необходима, так как будут отсутствовать пыльные бури и загрязнение водоемов хлор ионом. Применение растворов аммонийной селитры позволит увеличить срок службы автомобильного транспорта.
1. Николаева Л.Ф., Оцхели О.В., Поршнева Е.Б. и др.: Противогололедные реагенты и их влияние на придорожную среду. М.: МГУ им. М.В. Ломоносова, 1998. С. 8-28.
2. Курс теории коррозии и защиты металлов/ Под ред. Жука. Н.П. М.: Металлургия, 1976. 427 с.
3. Коррозия химической аппаратуры коррозионностойкие материалы/ Под ред. Клинова И.Я. М.: Машиностроение, 1967. 476 с.
4. Акользин А.П. Неорганические ингибиторы коррозии пленкообразующего действия// Тез. докл. Всес. совещ. физ. хим. основы действия ингибиторов коррозии металлов. М., 1989. С. 28-29.
5. Пат. 2061097. 1969. МКИ с23 П1/00. Ингибитор коррозии для нейтральных водных сред / КоммаметдиновМ.Г., Умутбаев В.Н. (Россия). Бюлл.№15.
6. Кузнецов Ю.Н., Подгорнова Л.П. Ингибирование коррозии металлов гетероциклическими хелатореагентами// РЖ. Коррозия и защита от коррозии/ ВИНИТИ. М.,-1989. № 5.
7. Афанасьев Б.Н., Черепкова А.И.. Влияние тетралкиламиновых солей на коррозию железа// Тез. докл. Всесоз. совещ. физ. хим. Основы действия ингибиторов коррозии мет. М., 1989. С. 35.
8. Карженский Н.П., Гаврилов К.П. Пособие по проведению анализов почв и составлению агрохимических картограмм. М.: Россельхозиздат, 1969. 327 с.
9. Ващенко И.М., Ланче К.П., Меркулов М.П. и др.: Практикум по основам сельского хозяйства. М.: Просвещение, 1991. 431 с.
10. Потебенко В.Ю., Карле В.В., Косолапова В.А., Янков А.В. Исследование коррозии металлов в растворах противогололедных средств// Успехи в химии и хим. технологии. Т. XIX. М.: 2005 №
Литература
9. С. 74-76.
11. Кононыхина О.А., Косолапова В.А., Косый А.В., Янков А.В. Загрязнение придорожной зоны и талых вод противогололедными веществами// Тез. докл. 4-ой регион. науч.-прак. конф. Современные проблемы экологии и рациональное природопользование в Тульской области. Тула, 2004. С. 65-66.
12. Косолапова В.А., Натарова М.М., Воробьева Т.А., Янков А.В. Применение растворов аммонийной селитры в качестве противогололедных средств// Сборник научных трудов «Научно-техническая продукция Тульской области и региональные критические технологии». Тула 2004. С. 255-261.
© В. А. Косолапова - мл. науч. сотр. науч.-иссл. части Новомосковского ин-та РХТУ им. Д.И. Менделеева; А. В. Янков - канд. техн. наук, доц. каф. химической технологии неорганических веществ Новомосковского ин-та РХТУ им. Д.И. Менделеева.
