УПРАВЛЕНИЕ ИНДУКЦИОННЫМ ПЕРИОДОМ В ПРОЦЕССЕ ГЕЛЕОБРАЗОВАНИЯ В РАСТВОРАХ ЖИДКОГО СТЕКЛА Текст научной статьи по специальности «Химические технологии»

УДК 5

Vladimir M. Tikhomirov, Evgeny V. Sivtsov, Vladimir N. Naumov, Alexey V. Polyakov

regulation of gelation induction time in liquid glass solutions

St. Petersburg State Institute of Technology (Technical University), Moskovsky Pr., 26, St Petersburg, 190013, Russia e-mail: pjeka@yahoo.fr

The effect of acid catalyst (oxalic acid) and coagulating agent -aluminum polyoxychloride (Aqua Aurate 30) on gel formation in the water glass solutions is investigated. It is proposed to use two-components injection solutions, consisting of sodium liquid glass solutions and a coagulant with the catalyst, for constructing the infiltration barriers in the soil. It is shown that the right choice of the components ratio taking into account the temperature at which the barrier is formed, can provide an induction period of gelation of injection solutions from several minutes to 8 hours. On the base of the results a simple and reliable method of formulation determining of injection solutions for their on-site application is proposed.

Key words: liquid glass, gelation, induction time, infiltration barrier

.353.5

В.М. Тихомиров1, Е.В. Сивцов2, В.Н. Наумов3, А.В. Поляков4

управление индукционным периодом в процессе гелеобразования в растворах

жидкого стекла

Санкт-Петербургский государственный технологический институт (технический университет), Московский пр. 26, Санкт-Петербург, 190013, Россия e-mail: pjeka@yahoo.fr

Исследовано влияние на процесс гелеобразования в растворах жидкого стекла кислотного катализатора щавелевой кислоты и коагулирующего агента полиоксихлорида алюминия (аква-аурата 30). Предложено для создания проти-вофильтрационных барьеров в почвах использовать двух-компонентные инъекционные растворы, состоящие из растворов жидкого натриевого стекла и коагулянта с катализатором. Показано, что выбор соотношения компонентов с учётом температуры, при которой создаётся барьер, может обеспечить индукционный период гелеобра-зования инъекционных растворов от нескольких минут до 8 часов, на основании чего предложена простая и надежная методика определения рецептуры инъекционных растворов для их натурного применения

Ключевые слова: жидкое стекло, гелеобразование, индукционный период, противофильтрационный барьер

Введение

В настоящее время экосистемы литосферы и биосферы Земли подвержены вредному воздействию наземных и подземных зон хранения бытовых, промышленных и радиоактивных отходов, с территорий которых происходит регулярная инфильтрация радио- и химически-токсичных веществ, приводящая к загрязнению аквифера и, как следствие, общему ухудшению состояния окружающей среды.

Утечки опасных веществ из мест захоронений отходов и загрязненных территорий промышленных предприятий вызваны, в первую очередь, тем, что в прошлые годы подобные площадки и установки создавались без соблюдения необходимых жестких требований экологической безопасности. Примером могут служить масштабное загрязнение на Хэнфордском участке (штат Вашингтон, США) грунтовых вод, попадающих в реку Колумбия [1], или регулярное поступление в водоносный горизонт с фильтрационным потоком радионуклидов из промышленных водоемов-хранилищ жидких радиоактивных отходов в Челябинской области [2-5].

Снижение или устранение фильтрационной способности грунтов является актуальной и весьма важной задачей при создании и эксплуатации хранилищ и захоронений радиоактивных и других экологически опасных продуктов. Разработаны различные способы задержки, ограничения или замедления распространения загрязнений. Наиболее распространенными из них являются противофильтрационные и противомиграционные методы. Защита по противофильтрационному методу включает создание перехватывающих и преграждающих систем и сооружение водонепроницаемых барьеров. Системы перехвата включают дренажные канавы или водозаборные скважины, посредством которых производится удаление загрязненных грунтовых вод, направляемых после на очистку. Преграждающие системы состоят из системы нагнетательных скважин, создающих на пути загрязненных вод репрессивный купол, изменяющий направление потока.

Как правило, противофильтрационные барьеры сооружаются заполнением подготовленных траншей и каналов или нагнетанием через скважины раствора, при твердении которого образуется препятствие из

1 Тихомиров Владимир Михайлович, аспирант, каф.коллоидной химии, e-mail: north-eastward@rambler.ru Vladimir M.Tikhomirov, Postgraduate Student, Department of Colloid Chemistry, e-mail: north-eastward@rambler.ru

2 Сивцов Евгений Викторович, д-р хим. наук, заведующий каф.коллоидной химии, e-mail: pjeka@yahoo.fr EvgenyV.Sivtsov, Dr Sci. (Chem.), Professor, Head of the Department of Colloid Chemistrye-mail: pjeka@yahoo.fr

3 Наумов Владимир Николаевич, д-р хим. наук, профессор, каф.коллоидной химии, e-mail: vnaumov936@yandex.ru Vladimir N. Naumov,Dr Sci. (Chem.), Professor, Department of Colloid Chemistry, e-mail: vnaumov936@yandex.ru

4 Поляков Алексей Витальевич, зав. учебной лабораторией, каф.коллоидной химии, e-mail: colloid_chemistry_dept@technolog.edu.ru Alexey V. Polyakov, Head of practice laboratory of the Department of Colloid Chemistry, e-mail: colloid_chemistry_dept@technolog.edu.ru

Дата поступления - 28 июля 2015 года ReceivedJuly, 28 2015

водонепроницаемого материала, что оказывает на поток загрязненных вод воздействие аналогичное производимому преграждающими системами. Материалы, используемые для создания защитных барьеров должны иметь низкую фильтрующую способность по отношению к опасным компонентам, обладать механической прочностью, устойчивостью к воздействию грунтовых вод и их химических компонентов. Например, в случае с радионуклидами, барьерный материал должен обладать радиационной стойкостью. Одним из применяемым на практике способов решения данной задачи является применение инъекционных растворов (ИР), которые, обладая низкой вязкостью и хорошими смачивающими свойствами, должны в результате полимеризации после пропитки грунта образовать высоковязкий гель и тем самым препятствовать фильтрации воды.

В настоящее время известны инъекционные растворы на основе жидкого стекла, образующие кремнегель. Кремнегель представляет собой неорганический полимер, процесс образования которого включает образование золя, застудневание и созревание геля [6, 7]. Опыт применения ИР на основе жидкого стекла показал, что кремнегель способен эффективно сорбировать радионуклиды, находящиеся в растворе в ионной и коллоидной формах [7]. Применение ИР на основе жидкого стекла не ограничивается сооружением систем защиты, препятствующих распространению опасных загрязнений. В нефтедобывающей промышленности использование гелеобразующих составов (технология ГОС) является методом физико-химического воздействия на грунтовый пласт с целью повышения нефтеотдачи для регулирования потоков и фильтрационных сопротивлений в призабойной зоне и в глубине пласта [8, 9]. Сущность технологии ГОС заключается в закачке в пласт водного раствора жидкого стекла и соляной кислоты с незначительным добавлением полиакриламида (ПАА). Добавка ПАА способствует объёмному гелеобразованию и уменьшению водоотдачи [8]. По технологии ГОС разработаны составы со временем гелеобразования (при использовании для их приготовления пресной воды) в интервале от практические мгновенного застудневания до 8 ч [8]. Важным фактором при разработке состава является минерализация воды. Так, для исключения мгновенного гелеобразования и возможного ухудшения его качества рекомендуется использовать в композиции пресную воду, но поскольку снабжение каждого месторождения пресной водой нецелесообразно, необходим правильный подбор оптимального состава ГОС с учетом минерализации закачиваемой воды [8].

Исследовалась возможность применения в качестве кислотного агента щавелевой кислоты. В результате подбора концентраций реагентов (время образования геля при 75 °С с хорошими структурными показателями и прочностными характеристиками) оптимальным для целей повышения нефтеотдачи технологическим условием образования геля признан состав: 6% жидкого стекла, 1.2 % щавелевой кислоты, 0.01 % ПАА, остальное - вода. Время гелеобразования такого состава составляет 1 ч. 20 мин. Отмечается, что, хотя применение состава в технологии ГОС возможно, трудность для использования щавелевой кислоты в качестве кислотного агента создает её малая растворимость в воде [8].

Несмотря на имеющиеся разработки в области применения кремнегелей для создания противофильтрационных барьеров, до сих пор не описаны методы, которые позволяют прогнозировать время перехода этих растворов в высоковязкие гели в зависимости от различных факторов. Отсутствие расчётного метода корректировки состава затруднит выбор наиболее эффективного состава, отвечающего конкретным атмосферным условиям при приготовлении

составов. Это может иметь место, например, при несоответствии времени гелеобразования и времени, требуемого для пропитки грунта вследствие преждевременного быстрого гелеобразования и резкого повышения вязкости инъекционного раствора, что воспрепятствует проникновению раствора в грунт. Поэтому требуется создание метода оперативного расчёта композиционного состава растворов, который обеспечит возможность приготовления эффективных инъекционных растворов в реальных полевых условиях.

Задача данного исследования состояла в определении лимитирующих параметров процесса гелеобразования, путём регулирования которых возможно обеспечить в реальных производственных условиях приготовление эффективных инъекционных растворов. Поставленная задача решалась путём изучения роли компонентов и температуры в процессе гелеобразования опытных композиций.

Экспериментальнаячасть

Эффективность ИР на практике существенно зависит от характера изменения вязкости во времени в процессе гелеобразования. Поэтому был выбран вискозиметрический метод исследования. Использовались три типа вискозиметров: ротационный вискозиметр «Полимер РП-1М», вискозиметр Гепплера с падающим шариком серии ViscoBall и капиллярные стеклянные вискозиметры ВПЖ-2, ГОСТ 10028-81.

Изучение кинетики гелеобразования ИР показало, что капиллярные стеклянные вискозиметры Освальда имеют существенные преимущества. Эти приборы позволяют с достаточной точностью измерять вязкость ИР от малых значений, соответствующих началу процесса, до многих десятков сантипуаз вблизи начала интенсивного лавинообразного гелеобразования. Поэтому для исследований были выбраны капиллярные вискозиметры с диаметрами капилляров 0.56мм и 1.77мм, которые перекрывали весь практически важный диапазон значений вязкости растворов в процессе гелеобразования.

На основе литературных данных и собственных экспериментов в качестве объектов исследования были выбраны составы ИР на основе жидкого стекла в составе которых использовались компоненты, предложенные разработчиком инъекционных составов ООО ПК ПВП «Деймос ЛТД».

Изучение влияния компонентного состава ИР на кинетику гелеобразования проводилось путём сравнения вискозиметрических данных, полученных при варьировании содержания компонентов у опытных составов и состава, выбранного в качестве базового. Водный базовый состав содержал жидкое стекло в качестве гелеобразующего компонента, щавелевую кислоту и коагулянт полиоксихлорид алюминия (аква-аурат 30), которые вызывали коагуляцию в растворе и образование геля. Композиция базового состава была подобрана экспериментально.

Базовый состав ИР получался при смешении двух водных растворов А и Б. Момент смешения этих растворов соответствовал началу процесса гелеобразования.

Состав А содержал 15.6% жидкого натриевого стекла и 84.4 % воды (%об.).

Состав Б содержал 2.8 % полиоксихлорида алюминия, 2.8 % щавелевой кислоты и 94.4 % воды (%мас.).

В опытах применяли жидкое натриевое стекло, соответствующее ГОСТ 13078-81, которое характеризовалось следущими показателями: массовые доли диоксида кремния 30.58% и 11.01% оксида натрия соответственно, силикатный модуль 2.87, плотность 1.46 г/ см3.

Полиоксихлорид алюминия (аква-аурат 30) соответствовал ТУ 2163-069-00205067-2007.

Щавелевая кислота дигидрат соответствовала ТУ 2431-001-55980238-02.

При проведении опытов вискозиметрическим методом изучалось влияние на протекание процесса гелеобразования во времени соотношения растворов А и Б, а также содержания компонентов в этих растворах.

Плотность растворов определяли по общепринятой методике с применением пикнометров ёмкостью 25 мл в соответствии с ГОСТ 22524-77.

Результаты и их обсуждение

Определение плотности и вязкости инъекционных растворов в рабочем диапазоне температур

Исследования проводились при значениях температуры ИР от 6 до 30 °С. Опытные значения вязкости и плотности растворов, полученные в заданном температурном диапазоне, при различном содержании компонентов сразу после их приготовления смешением растворов А и Б приведены в таблицах 1-3. Измерения проводились после термостатирования в течение 1 ч. Погрешность значений температуры находилась в пределах 1 градуса. В таблицах приведены данные, полученные как средние значения из 3 измерений.

Таблица 1. Плотность растворов ИР при различных температурах сразу после смешения растворов А и Б

Составы ИР Плотность ИР, г/см3

6°С 20°С 30°С

ИР-0 1.062 1.059 1.051

ИР-10 1.064 1.061 1.053

ИР-30 1.066 1.063 1.056

Примечание. Здесь и далее цифры в индексном обозначении ИР соответствуют превышению (в %) общего содержания аква-аурата 30 и щавелевой кислоты в растворе Б против их общего содержания в базовом растворе, обозначенном (ИР-0) соответственно.

Таблица 2. Вязкость ИР при различных температурах сразу после смешения растворов А и Б

Составы ИР Вязкость ИР, сп

6 °С 20 °С 30 °С

ИР-0 1.75 1.28 0.95

ИР-10 2.10 1.59 1.08

ИР-30 2.32 1.71 1.18

Таблица 3. Вязкость растворов жидкого стекла (ЖСт) при 18 °С

Содержание ЖСт в растворе, % Исх. р-р А 15.6 37.5 43.7 50 56.3 62.5

Вязкость, сп 1.1 6.6 7.0 10.7 22.4 33.6

Изучение кинетики гелеобразования ИР

Формирование кремнегеля включает в себя образование золя, застудневание и созревание геля [6, 7]. Получение золя кремниевой кислоты осуществляется путем воздействия на щелочной силикат кислотой (или кислой солью). Упрощенно данный процесс, на примере с серной кислотой, изображается следующей реакцией [6]:

Na2SiOз + Н2Э04 - Na2SO4 + Н2ЭЮ3 4

Первой стадией реакции является образование истинно растворенного SiO2 [6]. Далее происходит конденсация простых кремниевых кислот до поликремниевых с постепенным увеличением молекулярной массы и в результате развития полимеризационного процесса

- образование коллоидного раствора. Рост молекул кремниевой кислоты многими исследователями трактуется как процесс полимеризации, общее уравнение которого выражается следующим образом [6]:

ЛSi(OH)4 - ф02)п + 2ЛН2О

Частицы образовавшегося силикогидрозоля шаровидны, состоят из неправильно упакованных кремнекислородных тетраэдров, поверхностный слой которых заканчивается силоксановыми или силанольными группами, сохранившимися при конденсации орто-кремневой кислоты [6]. Схематическое строение глобулы скелета силикагеля изображено на рисунке 1.

Рисунок 1. Схематическое изображение глобулы силикагеля.

Стремление к уменьшению свободной энергии силиказоля проявляется в самопроизвольном переходе золя в студень. Гидрогель, в свою очередь, также подвержен изменениям, происходящим в результате конденсационных процессов, вызывающих дальнейшее укрупнение и срастание первичных частиц [6].

В конечном счете, процесс образования геля представляется следующей схемой:

Первый этап представляет собой конденсацию молекул Si(OH)4 до коллоидных частиц с образованием силоксановых связей. На втором этапе аналогичная конденсация первичных частиц ведет к образованию геля. Разница между этими стадиями заключается в том, что на первой в результате конденсации происходит образование сплошных массивных частиц кремнезема, а на второй они смыкаются только в отдельных местах [6].

Продолжительность гелеобразования зависит от исходной концентрации кислоты, величины рН, установившегося в системе, и температуры. Снижение температуры и рН раствора увеличивает длительность полимеризации [6, 7].

Для выполнения поставленной задачи -нахождения составов, обеспечивающих заданное время гелеобразования, было изучено влияние содержания компонентов в растворах на кинетику гелеобразования опытных ИР. Скорость гелеобразования определялась путём измерения вязкости опытных растворов во времени от момента смешения растворов А и Б до момента лавинообразного повышения вязкости и характеризовалась временем потери текучести ИР.

Экспериментальные данные зависимости значений вязкости опытных растворов при различных

соотношениях компонентов от времени процесса гелеобразования (или время потери текучести), полученные при температуре 18 °С представлены на рисунках 2-6. При изменении концентрации какого-либо компонента концентрации остальных компонентов сохранялись на уровне базового состава.

Инъекционные растворы, предназначенные для создания миграционных барьеров, препятствующих проникновению загрязнённых вод в окружающую среду должны отвечать многим требованиям. Эффективная пропитка возможно больших объёмов грунта может быть достигнута, если инъекционные растворы способны сохранить относительно низкую вязкость возможно длительное время до окончания индукционного периода начала интенсивного гелеобразования. Низкая вязкость растворов, безусловно, способствует проникновения растворов в грунт.

Опыты показали, что при достижении вязкости около 50-60 сп ИР очень быстро, в течение 2-4 мин. утрачивали способность к свободному течению (рисунок 2). При наклоне реакционного сосуда жидкость из него не вытекала. Время достижения этого состояния определялось как «время потери текучести». Значение «времени потери текучести» т (мин) определялось по излому на экспериментальных кривых зависимости вязкости растворов от продолжительности опыта (рисунок 2) и использовалось для оценки времени образования геля.

заранее приготовленных стабильных композиций и воды, соотношение которых задаёт длительность индукционного периода гелеобразования.

Рисунок 2. Изменение вязкости (сп) ИР в процессе гелеобразования

во времени в зависимости от массового суммарного содержания компонентов в растворе Б (указан избыток в % к базовому составу) при постоянном составе и количестве раствора А.

Пропитка слоёв грунта требует значительного времени. Поэтому время индукционного периода начала интенсивного гелеобразования должно соответствовать времени проведения технологических процессов приготовления ИР, закачке их в скважины и времени пропитки грунта. Весь технологический процесс на практике осуществляется непосредственно на местности на открытом воздухе. Учитывая зависимость указанных процессов от температуры, длительность индукционного периода должна задаваться путём изменения композиционного состава ИР в полевых условиях простым способом. Таким доступным способом может быть, например, приготовление ИР на месте осуществления процесса смешением двух

Рисунок 3. Время (мин) образования геля (потеря текучести) в зависимости от массового соотношения компонентов раствора Б: аква-аурат 30/щавелевая кислота при постоянстве концентрации раствора А.

На рисунке 3 представлена зависимость, иллюстрирующая возможность регулирования времени гелеобразования путём подбора соотношения компонентов раствора Б. Интересно, что наблюдается достаточно широкое плато соотношений, на котором не происходит изменений времени гелеобразования. Изучение влияния соотношения концентраций полиоксихлорида алюминия и щавелевой кислоты в растворе Б показало, что величина индукционного периода сохраняет постоянным своё значение, если массовое соотношение этих компонентов находится в интервале от 0.8 до 1.4 (рисунок 3) при постоянстве концентрации раствора А и фиксированном массовом отношении растворов А и Б равном 4/1. Используя растворы А и Б с постоянным составом, можно, в соответствии с предложенным методом, приготовить рабочие составы ИР с различными временами индукционного периода от минут до многих часов, используя во всех случаях раствор жидкого стекла (раствор А) с концентрацией 15.6%об., который не требует корректировки, и требующий корректировки раствор Б, содержащий коагулянты. Корректировка состава Б заключается в добавлении воды в принятый в серии опытов за образец состав Б, для того, чтобы сохранить массовое соотношение (4/1) растворов А и Б (см. таблицу 4).

Приготовление рабочего ИР завершается при перемешивании двух указанных растворов в соотношении 4/1 соответственно. Очевидно, что целесообразно рекомендовать этот диапазон в качестве рабочего, учитывая невозможность точных дозировок в полевых условиях, в которых предполагается использовать исследованные ИР; при этом ошибки в рецептуре не будут приводить к драматическим изменениям времени гелеобразования. Важно заметить, что в случае применения в той же системе соляной кислоты на время гелеобразования весьма существенное влияние оказывало даже незначительное изменение соотношения компонентов раствора.

Таблица 4. Зависимость времени т потери текучести инъекционных растворов от суммарного массового содержания аква-аурата 30 и щавелевой кислоты в растворе Б при постоянном составе и количестве раствора А и при сохранении постоянным соотношения количеств растворов А и Б.

№ п/п Избыток по отношению к раствору ИР-0 суммарного содержания аква-аурата30 и щавелевой кислоты в растворе Б, % Суммарное содержания аква-аурата30 и щавелевой кислоты в растворе Б, % Содержание аква-аура-та30 в растворе Б, % Содержание щавелевой кислоты в растворе Б, % Содержание воды в растворе Б,% Время потери текучести растворов ИР при 18°С, мин

1 10 6.30 3.09 3.21 93.70 490

2 15 6.65 3.26 3.39 93.35 430

3 20 6.85 3.36 3.49 93.15 390

4 25 7.11 3.48 3.63 92.89 320

5 30 7.37 3.61 3.76 92.63 265

6 35 7.64 3.74 3.90 92.36 185

7 40 7.89 3.86 4.03 92.11 150

8 50 8.42 4.12 4.30 91.58 85

9 60 8.93 4.38 4.55 91.07 65

10 70 9.43 4.62 4.81 90.57 30

11 80 9.93 4.86 5.07 90.07 20

12 90 10.43 5.11 5.32 89.57 15

т, мин

0 20 40 60 80 100

Избыток щавелевой кислоты, %

Рисунок 4. Время т (мин) образования геля (потеря текучести)

в зависимости от избытка (в %) щавелевой кислоты в ИР при полной замене полиоксихлорида алюминия (аква-аурата30) на щавелевую кислоту.

Вообще выбор щавелевой кислоты вместо минеральной как кислотного агента для гелеобразования был крайне удачен, так как позволил варьировать время гелеобразования в очень широких пределах (рисунок 4). Гелеобразование имеет место и в случае использования щавелевой кислоты без добавления коагулянта полиоксихлорида алюминия (рисунок 3). Однако в этом случае индукционный период менее выражен и возможность регулирования величины индукционного периода снижается. Поэтому применение коагулянта полиоксихлорида алюминия в составах ИР является оправданным.

Необходимые ограничения при формировании перспективных составов вытекают из полученных данных. Величины плотности и вязкости ИР, приведенные в таблицах 1, 2, отвечают минимально возможным для растворов этого типа. Существенный рост вязкости растворов с увеличением концентрации жидкого стекла (см. таблицу 3) ограничивает приемлемое значение концентрации на уровне 15-16 %об.. Понижение концентрации жидкого стекла приводит к нежелательному сокращению времени индукционного периода за счёт относительного повышения концентрации компонентов в растворе Б (рисунок 5). Кроме того, уменьшение содержания диоксида кремния может ожидаемо привести к ухудшению физико-механических характеристик образующегося геля по причине снижения объёмной концентрации элемента, формирующего полимерную структуру. На этом основании содержание жидкого стекла равное в растворе А 15-16% сохранялось постоянным в дальнейших исследованиях.

Т, мин

100

80-

О

60- .

о/

40-

20-/ о

--1-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1

-20 -10 0 10 20 30 40

Избыток раствора А, %

Рисунок 5. Время т (мин) образования геля (потеря текучести) в зависимости от избытка (в %) жидкого стекла против его содержания в базовом составе (ИР-0)

Таким образом, изучение кинетики гелеобразования в ИР выявило ценные свойства данных систем. Гелеобразование протекает с выраженным индукционным периодом в практически интересном временном интервале, который сильно зависит от концентрации компонентов в растворе Б (рисунок 6). Завершается процесс лавинообразным образованием геля при полной потере текучести исходного раствора. Обе отмеченные особенности имеют положительное значение. Зависимость величины индукционного периода от концентрации раствора Б открывает возможность регулирования и прогнозирования времени гелеобразования, что необходимо для разработки практически важных ИР. Лавинообразный характер потери вязкости ожидаемо способствует образованию более прочного геля, например, в результате снижения вероятности разбавления почвенными водами.

Полученные результаты позволили определить ряд составов, содержащих изученные компоненты, используя которые возможно расчётным путём определять составы рабочих ИР с необходимым временем периода индукции.

Таблица 6. Изменение вязкости (сп) ИР-30 в процессе гелеобразования во времени (мин) в зависимости от температуры

Рисунок 6. Зависимость времени т (мин) потери текучести ИР от суммарной концентрации полиоксихлорида алюминия (аква-ауратаЗО) и щавелевой кислоты в растворах Б (%), при постоянной концентрации раствора А.

Изучение кинетики гелеобразования ИР-10 и ИР-30 в зависимости от температуры

Исследуемые растворы термостатировались в водяном термостате в течение 1 ч, после чего производились измерения вязкости. Результаты измерений приведены в таблицах 5 и 6. Температурная зависимость процесса гелеобразования изучалась в наиболее важном для практики температурном интервале от 6 до 30 °С. Характер кривых зависимости вязкости растворов от времени при разных температурах не отличался от кривых, подробно изученных при температуре равной 18 °С, принятой для проведения основных опытов. Однако из представленных в таблице 7 данных вытекает, что при повышении температуры до 30 °С имеет место существенное ускорение процесса образование геля.

Таблица 5. Изменение вязкости (сп) ИР-10 в процессе гелеобразования во времени (мин) в зависимости от температуры

6 °С 15 °С 20 °С 30 °С

мин сп мин сп мин сп мин сп

0 2.10 0 1.85 0 1.59 0 1.08

50 2.10 50 1.85 50 1.59 50 1.10

100 2.10 100 1.85 100 1.60 100 4

200 2.10 200 1.90 200 1.7 200 6

300 2.10 300 6 300 1.9 300 8

350 6 350 7 400 13 320 12

400 10 400 12 435 16 330 32

450 15 450 25 475 30 335 42

500 25 480 45 485 40 339 60

510 28 490 65 487 50 340 гель

520 44 500 гель 490 гель

522 70

523 гель

6 °С 15 °С 20 °С 30 °С

мин сп мин сп мин сп мин сп

0 2.32 0 2.02 0 1.71 0 1.18

50 2.32 50 2.02 50 1.71 50 1.18

100 2.38 100 2.02 100 1.71 100 1.18

200 12 200 2.2 200 15 120 6

240 20 240 14 240 25 140 10

250 34 250 25 250 36 145 13

265 50 265 35 255 48 155 30

275 70 269 65 260 67 158 65

280 гель 270 гель 265 гель 160 гель

Таблица 7. Время (мин) потери текучести ИР-10 и ИР-30 при различных температурах

ИР-10 ИР-30

Температура, °С Время, мин Температура, °С Время, мин

6 523 6 280

15 500 15 270

20 490 20 265

30 340 30 160

Таким образом, в результате проведённого исследования может быть предложена методика расчёта составов ИР, основанная на экспериментальных данных. Она заключается в том, что при заданном времени индукционного периода и с учетом реальной температуры, при которой будут проводиться работы по созданию противофильтрационного барьера, по приведённым зависимостям определяется соотношение растворов А и Б, на основании которого в полевых условиях готовятся ИР.

Выводы

1. Выяснено влияние коагулянтааква-аурата 30 и щавелевой кислоты на гелеобразование в составах облетирующих инъекционных растворов на основе натриевого жидкого стекла, предназначенных для снижения фильтрующей способности грунтов.

2. Показана возможность регулирования в широком временном интервале от минут до нескольких часов важнейшей эксплуатационной характеристики инъекционных растворов - времени индукционного периода гелеобразования.

3. Предложен метод прогнозирования составов ИР с заданным временем индукционного периода, основанный на выявленных зависимостях времени гелеобразования от концентрации компонентов ИР и температуры.

4. Найдена область массового соотношения полиоксихлорида алюминия и щавелевой кислоты от 0.8 до 1.4 с независимостью функции состав - свойство. Используя эти соотношения, возможно сократить число переменных факторов, воздействующих на систему, и получить ИР с требуемым временем индукционного периода при смешении двух растворов в натурных условиях проведения процесса.

Авторы благодарят ООО ПК ПВП «Деймос ЛТД» за оказание методической помощи и безвозмездное предоставление реактивов, необходимых для выполнения работы.

Литература

1 Charboneau B., Thompson K. M., Wilde R. [et al.]. HanfordGroundwaterRemediation// Proc. Intern. Conf. "WasteManagement'06", Feb. 26-March 2, 2006, Tucson, Arizona, USA, CD-ROM.

2. Тихонов М.Н., Рылов М.И. Комплексная оценка ядерно-радиационного наследия России // Проблемы окружающей среды и природных ресурсов. М.: ВИНИТИ РАН, 2007. № 3. С. 77-110.

3. Александрова О.Н. Изучение роли гуминового вещества в распределении радионуклидов между твердой и жидкой фазой донных отложений в бассейнах-хранилищах радиоактивных отходов ПО "Маяк" // Вопросы радиационной безопасности. 2008. № 1.С. 48-64.

4. Зинин А.И., Зинина Г.А., Самсонова Л.М. [и др.].Модельные исследования и прогноз миграции радионуклидов в подземных водах от водоемов-хранилищ ЖРАО // Научн. и техн. аспекты охраны окр. среды. Обз. инф. ВИНИТИ. 1999. № 6.С. 17-18.

5. Величкин В.И., Солодов И.Н., Петров В.А. [и

др.].Геологические, геохимические и гидрогеохимические факторы миграции радиоактивных подземных вод в районе оз. Карачай // Научн. и техн. аспекты охраны окр. среды. Обз. инф. ВИНИТИ. 1999. № 6.С. 16-17.

6. Неймарк И.Е., Шейнфайн Р.Ю. Силикагель, его получение, свойства, применение. Киев.: «Наукова думка», 1973.200 с.

7. Зубков А.А., Балахонов В.Г., Захарова Е.В. [и др.]. Способ ликвидации протечек труднодоступных участков открытых хранилищ жидких радиоактивных отходов / Материалы 5ой научно-техн.конф.Сибирского химического комбината, г. Северск 20-22 окт. 1998 г г. Северск: изд. Северск, 1999.С. 67-76.

8. Таирова С.В. Гелеобразующие составы как метод повышения нефтеотдачи пластов // Вестник недропользователя Ханты-Мансийского автономного округа. 2002. №8.

9. Увеличение охвата воздействием неоднородного пласта с применением композиций на основе силиката натрия// OILLOOT.RU URL: http:// oilloot.ru/component/content/article/77-geologiya-geofizika-razrabotka-neftyanykh-i-gazovykh-mestorozhdenij/84-uvelichenie-okhvata-vozdejstviem-neodnorodnogo-plasta-s-primeneniem-kompozitsij-na-osnove-silikata-natriya (дата обращения 14.07.2011).