Національна Академія Наук України

Інститут колоїдної хімії та хімії води ім. А. В. Думанського

ШАБЛІЙ ТЕТЯНА ОЛЕКСАНДРІВНА

УДК 628.162:66.097.7/.8

РОЗРОБКА КОМПЛЕКСНОЇ ТЕХНОЛОГІЇ

СТАБІЛІЗАЦІЙНОЇ ОБРОБКИ ВОДИ

ДЛЯ ВОДООБОРОТНИХ СИСТЕМ ОХОЛОДЖЕННЯ

Спеціальність 05.17.21 – Технологія водоочищення

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Київ – 2001

Дисертацією є рукопис

Робота виконана в Національному технічному університеті України

“Київський політехнічний інститут”

Міністерства освіти і науки України

на кафедрі технології целюлозно-паперових виробництв та промислової екології

Науковий керівник: кандидат хімічних наук, доцент

Гомеля Микола Дмитрович,

Національний технічний університет України “КПІ”,

кафедра технології целюлозно-паперових виробництв

та промислової екології, завідувач кафедри

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор

Висоцький Сергій Павлович,

Автомобільно-дорожній інститут

Донецького національного технічного університету,

кафедра екології та безпеки життєдіяльності, завідувач кафедри

доктор технічних наук, провідний науковий співробітник

Поляков Сергій Георгійович,

Інститут електрозварювання ім. Є. О. Патона,

лабораторія корозії, завідувач лабораторії

Провідна установа: Київський національний університет

будівництва і архітектури

кафедра водопостачання,

Міністерства освіти і науки України, м. Київ

Захист відбудеться “4” січня 2002 р. о 10 00 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 26.183.01 Інституту колоїдної хімії та хімії води ім. А. В. Думанського НАН України за адресою: 03142, Київ, бульвар Академіка Вернадського, 42.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Інституту колоїдної хімії та хімії води ім. А. В. Думанського НАН України за адресою: 03142, Київ, бульвар Академіка Вернадського, 42.

Автореферат розісланий “3” грудня 2001 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради Д 26.183.01

к.х.н., ст.н.сп. Сафронова В. Г.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Не дивлячись на те, що водозабір в Україні скоротився з 35.6 млрд. м3 в 1990 р. до 19.0 млрд. м3 в 1997 р., а скиди оборотних вод у природні водні об’єкти за цей період зменшилися з 20.9 млрд. м3 до 10.5 млрд. м3, скиди забруднених оборотних вод виросли із 470 млн. м3 у 1990 р. до 4.2 млрд. м3 у 1997 р.

Найбільші об’єми води використовуються сьогодні в водооборотних системах промисловості та енергетики (41.509 млрд. м3). Основна маса води на промислових підприємствах використовується в оборотних системах водоохолодження. При сприятливих умовах щодоби скидається на продувку від 5 до 8 % від загального об’єму оборотної системи. Проте часто в таких системах використовують воду без попередньої підготовки. Тому, щоб зменшити утворення накипу на поверхнях теплопередачі, часто під час продувки скидають щодоби до 30 % від загального об’єму води в системі.

Найбільш радикальною мірою для рішення проблеми охорони природних вод від забруднення є різке зниження скиду відпрацьованих вод з оборотних систем у водойми шляхом впровадження технологій комплексної хімічної обробки води для промислових систем водокористування.

Зокрема, головними заходами, за допомогою яких можна підвищити ефективність використання води в системах водокористування є впровадження більш досконалих технологій пом’якшення води, її стабілізації та зниження її корозійної агресивності.

Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Певні результати досліджень були включені до держбюджетної теми науково-дослідної роботи “Розробка екологічно чистих інгібіторів корозії металів, накипоутворення та біообростання (біопошкодження)” (д/б № 2403). Замовник – Міністерство освіти і науки України.

Мета і задачі дослідження. Мета роботи полягала у створенні комплексної високоефективної технології пом’якшення та стабілізаційної обробки води для захисту обладнання водооборотних систем від корозії та накипоутворення.

Для досягнення цієї мети були поставлені такі задачі:

-

-

-

-

Об’єкт дослідження – комплексна хімічна обробка води для систем водокористування в промисловості.

Предмет дослідження – пом’якшення води та дія стабілізаторів накипоутворення.

Методи дослідження. Дослідження процесів обробки води проводили реагентним та іонообмінним методом. Оцінку ефективності стабілізаторів накипоутворення визначали з допомогою теплоелектронагрівачів. Твердість визначали титрометричними методами, колірність та мутність - методом фотоколориметрії на концентраційному колориметрі КФК-2.

Оцінку ефективності інгібіторів корозії проводили методом поляризаційного опору з використанням індикатора поляризаційного опору Р5126 та двохелектродного датчика від корозійно-індикаторної установки УК-2.

Наукова новизна одержаних результатів.

-

-

-

-

-

Практичне значення одержаних результатів.

Розроблено нові реагентні методи обробки природних вод, високоефективну реагентну та маловідходну іонообмінну технології пом’якшення води.

Запропоновано ряд ефективних інгібіторів корозії сталі та стабілізаторів накипоутворення, які забезпечують створення ресурсозберігаючих систем водокористування в промисловості та зменшення використання свіжої природної води.

Проведено дослідження ефективності стабілізаторів накипоутворення у воді систем охолодження Київського кисневого заводу та натурні випробування по пом’якшенню води з використанням алюмінату натрію, вапна та магнетиту на Київському заводі “РІАП”.

Особистий внесок здобувача. Критичний аналіз стану проблеми і вибір напрямку досліджень практично повністю виконаний співшукачем і погоджений з керівником дисертації. Основні експериментальні дані по процесах пом’якшення води, стабілізаційної обробки та зниження корозійної агресивності води, теоретичні узагальнення, приведені в роботі, отримані безпосередньо автором. Дослідження ефективності стабілізаторів накипоутворення у водних системах охолодження Київського кисневого заводу та натурні випробування по пом’якшенню води з використанням алюмінату натрію, вапна та магнетиту на Київському заводі “РІАП” виконані разом з науковим керівником доц. кафедри ТЦПВ та ПЕ, к. х. н. Гомелею М. Д.

Апробація результатів дисертації. Основні положення дисертаційної роботи доповідались на конференціях: “Екологія. Людина. Суспільство” / травень, 1998, Київ; “Екологія. Людина. Суспільство” / травень, 2000, Київ; “Екологія. Людина. Суспільство” / травень, 2001, Київ; “Environment development engineering” / May-June, 2001, Cracow, “Екологія, технологія, економіка водопостачання” / травень, 2001, Ялта.

Публікації. За результатами дисертаційної роботи опубліковано 11 статей, з них 8 у фахових журналах. Отримано 1 патент.

Структура дисертації. Дисертація включає: вступ, 5 розділів, висновки, список використаних джерел, додатки. Робота викладена на 178 сторінках, включаючи 32 таблиці, 12 рисунків, 4 додатки. Об’єм бібліографії – 169 джерел.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтовано актуальність роботи, сформульовано мету та задачі досліджень, наукову новизну, практичне значення одержаних результатів.

Перший розділ присвячено аналізу патентної та науково-технічної інформації про сучасні методи кондиціонування води для водооборотних систем охолодження.

Розглянуто можливості використання кожного з методів, показано їх переваги та недоліки. В залежності від вимог до води можна використовувати той чи інший метод.

У другому розділі приводяться характеристики використаних водних середовищ, методи та методики кондиціонування води, методи контролю корозійних процесів та процесів накипоутворення, описуються використані установки та лабораторне обладнання.

Третій розділ присвячено вивченню процесів пом’якшення води реагентним та іонообмінним методами, розробці ефективних маловідходних технологій кондиціонування води, що забезпечують її пом’якшення, зниження корозійної агресивності та ефективне освітлення.

При пом’якшенні води реагентним методом були використані відходи лужного травлення алюмінію з Броварського заводу алюмінієвих конструкцій. Такі відходи утворюються в значних кількостях на підприємствах, де використовується алюміній і утилізація їх є значною проблемою. Основні компоненти цих розчинів – це алюмінат натрію та надлишок лугу. Про ефективність традиційних основних реагентів та алюмінату натрію можна судити по даних, приведених в табл. 1 та на рис. 1. Останній забезпечує більш глибоке пом’якшення води, в порівнянні з іншими реагентами. Його ефективність зростає з підвищенням дози, реакції середовища та температури. Проте, при високих значеннях рН при використанні алюмінату натрію залишкові концентрації алюмінію досить значні.

Таблиця 1-

Ефективність реагентів при пом’якшенні води

Реагент | Доза,

мг/л | рН | Твердість,

Т,

мг-екв/л | Ступінь

пом’якшення,

S,% | Концентрація

алюмінію,

мг/л

1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6——

7.6 | 5.0—

NaOH | 820.0 | 11 | 1.7 | 66—

Ca(OH)2 | 950.0 | 11 | 2.0 | 60—

Na2CO3 | 2580.0 | 11 | 1.3 | 74—

NaAl(OH)4 | 28.2 | 8 | 4.1 | 18 | 0

NaAl(OH)4 | 112.8 | 9 | 3.5 | 30 | 3

NaAl(OH)4 | 483.0 | 10 | 2.4 | 52 | 58

NaAl(OH)4 | 1001.1 | 11 | 0.2 | 96 | 185

NaAl(OH)4 | 54.3 | 10 | 2.0 | 60 | 0

Ca(OH)2 | 105

Продовження табл. 1

1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6

NaAl(OH)4 | 54.3 | 11 | 1.8 | 64 | 1.5

Ca(OH)2 | 513

NaAl(OH)4 | 108.6 | 10 | 0.8 | 84 | 2

Ca(OH)2 | 88

NaAl(OH)4 | 108.6 | 11 | 0.4 | 92 | 3.9

Ca(OH)2 | 450

NaAl(OH)4 | 217.2 | 10 | 0.3 | 94 | 12.5

Ca(OH)2 | 66

NaAl(OH)4 | 217.2 | 11 | 0.2 | 96 | 18.5

Ca(OH)2 | 380

При одночасному використанні алюмінату натрію та силікату натрію вдається знизити концентрації алюмінію у воді на 15-20 мг/л, проте залишкові концентрації його досить значні і перевищують 5 мг/л (рис. 1). При змішування обробленої води із свіжою у співвідношенні 1:1 вдалося досягти зниження концентрації алюмінію, але в цьому випадку недостатньо ефективне її пом’якшення. В разі насичення води вуглекислим газом і доведення рН до 6-7 залишкова концентрація алюмінію не перевищує 2 мг/л. Кращі результати були отримані при комбінованому використанні алюмінату натрію та вапна (табл. 1).

Рис.1. Залежність рН та залишкової твердості води від дози реагенту та температури: 1-рН; 50 0С (модельний розчин); 2-рН; 20 0С (модельний розчин); 3-рН; 20 0С (вода з ТБХЗ); 4-Твердість, Т, мг-екв/л; 20 0С (модельний розчин); 5-Твердість, Т, мг-екв/л; 50 0С (модельний розчин); 6-Твердість, Т, мг-екв/л; 20 0С (вода з ТБХЗ); 7-Твердість, Т, мг-екв/л; 40 0С (вода з ТБХЗ).

Незначні залишкові концентрації іонів алюмінію у воді (2-5 мг/л) не погіршують якість води в оборотних системах охолодження. Більше того, в цьому випадку забезпечується значне зниження корозійної агресивності води по відношенню до нелегованої сталі (рис. 2).

Рис.2. Залежність залишкової концентрації алюмінію та ступеню захисту сталі від дози алюмінату натрію: 1–ступінь захисту від корозії, Z (вода з ТБХЗ), %; 2–ступінь захисту від корозії, Z (вода з підземних горизонтів), %; 3–Залишкова концентрація алюмінію (вода з підземних горизонтів), мг/л; 4-Залишкова концентрація алюмінію (вода з ТБХЗ), мг/л.

Крім того, проведені дослідження показали, що швидкість корозії сталі в водному аерованому середовищі зменшується при пом'якшенні води. При цьому ефект незначний при застосуванні лугу, і більший при застосуванні вапна. Найкращий захист забезпечує алюмінат натрію. Захисний ефект згаданих реагентів обумовлений здатністю іонів кальцію та алюмінію стабілізувати пасиваційну плівку на поверхні сталі (табл. 2). При внесенні у воду солей магнію та алюмінію (на відміну від алюмінату натрію) її корозійна агресивність зростає. Це обумовлено негативним впливом аніонів на пасиваційну кисневу плівку на поверхні сталі, гідролізом солей алюмінію та нездатністю катіонів магнію утворювати комплекси на поверхні сталі.

Як показали проведені дослідження, алюмінат натрію, ефективний при пом’якшенні води, зниженні корозійної агресивності, мало впливає на ефективність освітлення води при її пом’якшенні. Тому поряд з алюмінатом натрію та сульфатом алюмінію для інтенсифікації освітлення води були використані гідроксохлорид та гідроксосульфат алюмінію, гідроксохлорид магнію, флокулянти та магнетит. В нейтральному середовищі кращі результати отримані при використанні гідроксохлоридів алюмінію, в лужному – при використанні гідроксохлориду магнію (рис. 3). При оптимальних дозах реагенту (5-10 мг/л) гідроксохлорид магнію забезпечує зниження мутності до 2-3 мг/л, колірності до 20-30 град.

Таблиця 2-

Вплив солей кальцію, магнію та алюмінію на корозію сталі 20 у воді

Реагент | Доза по Са2+ (Mg2+, Al3+),

мг/л | рН | При перемішуванні | Без перемішування | Поляри-заційний опір, Rpcp,Ом | Коефіцієнт зниження швидкості корозії, j | Ступінь захисту від корозії, Z, % | Поляриза-

ційний опір,

Rpcp , Ом——

7 | 207—— | 492——

11 | 769 | 3.71 | 73.0 | 567

CaCl2 | 2 | 7 | 2997 | 14.48 | 93.1 | 414

CaCl2 | 5 | 7 | 4915 | 23.71 | 95.8 | 642

CaCl2 | 10 | 7 | 3637 | 17.60 | 94.3 | 480

CaCl2 | 100 | 7 | 807 | 3.92 | 74.4 | 530

CaCl2 | 10 | 11 | 5997 | 7.80 | 87.2 | 844

CaCl2 | 100 | 11 | 1653 | 2.15 | 53.5 | 876

CaCl2 | 200 | 11 | 909 | 1.18 | 15.3 | 1182

Ca(NO3)2 | 10 | 7 | 4607 | 22.25 | 95.5 | 439

Ca(NO3)2 | 100 | 7 | 1813 | 8.76 | 88.6 | 812

CaO | 10 | 5.9 | 5900 | 28.50 | 96.5 | 255

MgCl2 | 2 | 7 | 104 | 0.51——

MgCl2 | 100 | 7 | 68 | 0.33——

Al2(SO4)3 | 10 | 7 | 122 | 0.59— | 402

Al2(SO4)3 | 50 | 7 | 53 | 0.25— | 571

NaAlO2 | 2 | 7 | 432 | 2.08 | 51.9 | 471

NaAlO2 | 5 | 7 | 1038 | 5.01 | 80.0 | 516

NaAlO2 | 5 | 11 | 6233 | 8.11 | 87.7 | 936

NaAlO2 | 5 | 11——— | 911

NaAlO2 | 10 | 11 | 2475 | 3.20 | 68.8 | 645

NaAlO2 | 50 | 11 | 2607 | 3.39 | 70.5 | 700

NaAlO2 | 100 | 11 | 10895 | 14.16 | 92.9 | 9950

Як флокулянти використовували полікатіоніти (поліетиленімін та полідіаллилдиметиламонійхлорид (ВПК-402)), а також гідролізований поліакриламід. Полікатіоніти при дозах 1-5 мг/л при високих значеннях рН забезпечували зниження мутності води до 5-6 мг/л по SiO2, колірність до 24-45 град. Гідролізований поліакриламід забезпечував зниження мутності до 3.42 мг/л по SiO2 при дозі 1 мг/л. Але його ефективність була низькою при знебарвленні води. Він забезпечував зниження колірності води до 118 град. при дозах 0.5-3 мг/л.

Рис.3. Залежність ефективності очищення води від дози Mg(OH)Cl по MgO: 1, 2–колірність води, К, град.; 3, 4–мутність води, М, мг/л по SiO2; 5, 6–твердість води, Т, мг-екв/л; 1, 3, 5–рН 11; 2, 4, 6–рН 12.

В цілому, флокулянти забезпечують значне зниження мутності, а полікатіоніти і колірності води, хоча дещо поступаються гідроксохлориду магнію. Головним недоліком у всіх випадках є низька швидкість відстоювання. Час відстоювання - 2 години. Для інтенсифікації відстоювання нами був застосований магнетит.

Так як кристали магнетиту виступають центрами кристалізації солей твердості при пом’якшенні води, то вони сприяють інтенсифікації даного процесу, а також інтенсифікують процес відстоювання осаду. Уже при часі контакту обробленої лужним реагентом води з магнетитом 5 хвилин та часі відстоювання 15 хвилин мутність води знижується до 10-12 мг/л по SiO2, а при використанні алюмінату натрію, як лужного реагенту - до 5.2 мг/л (залишкова твердість води в цьому випадку складає 0.2 мг-екв/л).

На основі отриманих результатів запропонована технологія реагентного пом’якшення води. В даній технології використовуються магнетит та алюмінат натрію з вапном. Інтенсифікація процесів пом’якшення та освітлення води за рахунок застосування алюмінату натрію та магнетиту дозволяє значно зменшити об’єм просвітлювача. Для затримання намагніченого осаду в даній технології застосовуються розроблені на кафедрі магнітні фільтри.

Головна проблема, що виникає при іонообмінному пом’якшенні води є регенерація іонітів та утилізація регенераційних розчинів. Для регенерації катіонітів здебільшого використовуються сірчана та соляна кислоти. Недоліком сірчанокислих розчинів є обмеження по концентрації сірчаної кислоти внаслідок малої розчинності сульфату кальцію.

Нами було досліджено ефективність ряду речовин як стабілізаторів сірчанокислих розчинів сульфату кальцію. Крім відомих комплексонів (трилон Б, оксиетілідендифосфонова кислота (ОЕДФК)), були застосовані синтезовані нами речовини – алкілсульфати та алкілфосфати похідних етаноламонійхлоридів, діетанолдипропіонатамонійхлориду, октил- та метилсульфати, сульфогліцерин, меляса та барда. Застосування цих реагентів дозволяє до певної міри підвищити розчинність сульфату кальцію в сірчанокислому розчині, але цей ефект недостатній, щоб суттєво покращити процес регенерації іоніту від іонів кальцію. Незначну розчинність сульфату кальцію в кислих розчинах було використано при утилізації солянокислих розчинів, які утворюються при регенерації катіоніту в кальцієвій та магнієвій формі соляною кислотою. Після обробки таких розчинів сірчаною кислотою утворюється малорозчинний сульфат кальцію і випадає з розчину. Розчин соляної кислоти при повторному використанні забезпечує ефективну регенерацію катіоніту. Для уникнення накопичення іонів магнію в регенераційному розчині катіоніт перед регенерацією обробляється розчином хлориду кальцію і повністю переводиться в кальцієву форму. Розчин хлориду кальцію очищується від іонів магнію доведенням рН до 12. Після відстоювання гідроксиду магнію рН розчину доводиться соляною кислотою до рН 7.

У четвертому розділі приведено результати по розробці інгібіторів накипоутворення та корозії металів для водооборотних систем охолодження.

В даному розділі, крім реагентів, згаданих вище, були використані диметилолфосфінова кислота (ДМФК), ПАР (ОП-7), діетилціандіетаноламонійхлорид (ДЕЦДЕАХ), діетилціандіетилфосфатамонійхлорид (ДЕЦДЕФАХ), поліоксипропіленморфолінійгідрохлорид (ПОПМГХ). Крім відомих реагентів, ОЕДФК та ОП-7, всі інші були синтезовані по розроблених нами методиках.

Для попередньої оцінки ефективності розроблених реагентів як стабілізаторів водних розчинів карбонатів та сульфатів кальцію вони були випробувані в пересичених розчинах цих солей. В разі карбонатних розчинів створювалась концентрація солі на рівні 25 мг-екв/л, в разі сульфатних - 147 мг-екв/л. Випробування проводили при температурах 20 та 60 0С. Про ефективність судили по залишковій твердості води та по масі утвореного осаду. Найкращим стабілізатором розчинів карбонату кальцію є ДМФК, яка нічим не поступається ОЕДФК. Всі інші реагенти були менш ефективними. В розчинах сульфату кальцію поряд з ДМФК та ОЕДФК високу ефективність мали барда, ОП-7, ДЕЦДЕАХ, ДЕЦДЕФАХ, тетраетаноламонійхлорид (ТЕАХ), тетраетилтетрасульфатамонійхлорид (ТЕТСАХ), полікатіоніт ПОПМГХ. Ці реагенти забезпечують стабілізацію твердості води на рівні 50-57 мг-екв/л при температурах 20 та 60 0С. Кращі із використаних реагентів були випробувані як стабілізатори накипоутворення на нагріваючих елементах (табл. 3, 4).

Таблиця 3-

Ефективність стабілізаторів накипоутворення на поверхні сталі Х18Н9Т при температурі 60 0С (*вода з свердловини)

Реагент | Доза, мг/л | 2 | 5 | 10 | Мі, мг | ПЕ, % | Мі, мг | ПЕ, % | Мі, мг | ПЕ, % | -- | 60.0 | -- | 15.0* | ОЕДФК | 10.5 | 82.5 | 7.5 | 87.5 | 6.9 | 88.6 | ОЕДФК | 7.4* | 51.0 | 5.7* | 62.3 | 4.0* | 73.3 | ОП-7 | 29.2 | 51.4 | 26.5 | 55.8 | 23.7 | 60.6 | ДМФК | 29.0 | 51.7 | 18.6 | 69.0 | 13.9 | 77.7 | Триетаноламін | 42.3 | 29.5 | 29.7 | 50.5 | 24.8 | 58.6 | Метилолсульфонат | 28.6 | 52.3 | 23.2 | 61.3 | 16.2 | 73.1 | Октилсульфат | 36.0 | 40.0 | 29.8 | 50.3 | 27.8 | 53.6 | Метилсульфат | 38.1 | 36.6 | 20.2 | 66.3 | 28.0 | 53.3 | Сульфогліцерин | 27.4 | 54.4 | 26.3 | 56.2 | 24.0 | 60.0 | ТЕАХ | 42.2 | 29.7 | 41.5 | 30.8 | 39.5 | 34.2 | ТЕТСАХ | 20.2 | 66.4 | 16.2 | 73.1 | 15.5 | 74.2 | ДЕЦДЕАХ | 4.5* | 70.0 | 4.2* | 72.0 | 3.9* | 74.3 | ДЕЦДЕФАХ | 8.5* | 43.7 | 6.0* | 60.0 | 5.2* | 65.3 | Сульфована меляса | 37.3 | 37.8 | 36.3 | 39.6 | 48.5 | 19.2 | Мі – маса накипу, що утворилась в інгібованому розчині, мг;

ПЕ – протинакипний ефект, %

Як видно з проведених дослідів, при температурі 60 0С кращими інгібіторами накипоутворення були ОЕДФК та ДМФК, хороші результати були отримані при використанні метилолсульфонату, ТЕСАХ, ДЕЦДЕАХ, ДЕЦДЕФАХ, сульфогліцерину.

При використанні нагріваючих елементів, попередньо покритих накипом, при температурі 95 0С (табл. 4) кращими інгібіторами накипоутворення були ДМФК та ОЕДФК, як і у всіх попередніх випадках.

Таблиця 4-

Ефективність стабілізаторів накипоутворення на нагріваючій поверхні, покритій накипом, при температурі 95 0С

Реагент | Доза, мг/л | Ті, мг-екв/л | Мос, мг | Мн, мг | СЕ, % | ПЕ, % | 6.9 | 18 | 85.5 | ОЕДФК | 2 | 5.7 | 13.9 | 71.6 | 17.4 | 16.3 | ОЕДФК | 5 | 3.7 | 8.4 | 47.1 | 46.4 | 44.9 | ОЕДФК | 10 | 1.2 | 4.2 | 13.8 | 82.6 | 83.9 | ДМФК | 2 | 4.8 | 15.6 | 56.4 | 30.4 | 66.0 | ДМФК | 5 | 3.1 | 9.9 | 36.6 | 55.1 | 57.2 | ДМФК | 10 | 0.8 | 0.8 | 11.2 | 88.4 | 86.9 | Триетаноламін | 10 | 6.3 | 11.8 | 82.7 | 8.7 | 3.3 | Метилолсульфат | 10 | 4.4 | 0.0 | 66.0 | 36.2 | 22.8 | Октилсульфат | 2 | 6.5 | 23.5 | 74.0 | 5.8 | 13.5 | Октилсульфат | 10 | 5.0 | 30.0 | 45.0 | 27.5 | 47.4 | Сульфогліцерин | 10 | 4.5 | 2.2 | 65.3 | 34.7 | 23.6 | Метилсульфат | 10 | 4.8 | 0.0 | 72.0 | 30.4 | 15.8 | Метилсульфат | 100 | 3.0 | 1.5 | 43.5 | 56.5 | 49.12 | Метилсульфат | 112 | 3.1 | 7.0 | 39.5 | 55.1 | 53.8 | Метилсульфат | 560 | 0.0 | 0.0 | 0.0 | 100.0 | 100.0 | ТЕАХ | 10 | 5.7 | 18.8 | 66.7 | 17.4 | 22.0 | ТЕТСАХ | 10 | 4.3 | 1.6 | 62.5 | 37.7 | 26.9 | ПОПМГХ | 10 | 3.5 | 1.8 | 50.7 | 49.3 | 40.7 | Ті - зниження твердості розчину, мг-екв/л;

Мос - маса осаду СаСО3, що випав з розчину, мг;

Мн - маса осаду СаСО3, що осів на поверхню нагріваючого елементу, мг;

СЕ - стабілізаційний ефект, %;

ПЕ – протинакипний ефект, %.

Інші стабілізатори при використанні їх в дозах до 10 мг/л значно поступаються ОЕДФК та ДМФК. Кращими серед них є октилсульфат, сульфогліцерин, ТЕАХ, ТЕТСАХ, ПОПМГХ. Проте, як було показано на прикладі метилсульфату, при збільшенні дози кислих алкілсульфатів, які є значно доступними та дешевими від ОЕДФК, можна досягти не тільки високої стабільності води, що містить солі твердості, але і забезпечити змивання накипу з поверхні теплового обміну.

При вивченні корозійних процесів як корозійні середовища використовували: 1 – київську водопровідну воду, 2 – оборотну воду з Трипільського біохімзаводу, 3-5 – оборотні води Гродненського ВО “Азот” (технологічні цикли 1, 2, 6 відповідно), 6, 7 – оборотні води Первомайського ВО “Хімпром” (технологічні цикли 152 та 333 відповідно).

Поляризаційний опір і швидкість корозії сталі 20 залежали від складу води, режиму руху, температури. У всіх випадках в нерухомих середовищах спостерігались вищі значення поляризаційного опору, в порівнянні з розчинами, що перемішувались. Значення останнього зменшується із підвищенням швидкості перемішування. Таким чином, швидкість корозії сталі зростає із покращенням аерації води та дифузії кисню до поверхні металу. При застосуванні інгібіторів корозії навпаки, найкращий захист від корозії спостерігається в умовах ефективної аерації води та дифузії кисню до поверхні сталі. Пояснюється це тим, що в присутності інгібіторів на поверхні сталі формується пасиваційна плівка, яка стабілізується саме завдяки інгібіторам. Тому перемішування, рух водного середовища сприяє дифузії до поверхні сталі як кисню, так і інгібітору, що в свою чергу сприяє стабілізації пасиваційної плівки кисню на поверхні сталі, її гідрофобізації та захисту від корозії.

Як інгібітори були використані слідуючи добавки: ДМФК, диметилолфосфінат цинку (ДМФЦ), метилолсульфонат цинку (МСЦ), моноетаноламін (МЕА), триетаноламін (ТЕА), ТЕАХ, цетилтриетилцинкфосфатамонійбромід (ЦТЕЦФАБ), ПОПМГХ, диетиленціанмоноетаноламін (ДЕЦМЕА), диетиленціанмоноетаноламонійхлорид (ДЕЦМЕАХ), ДЕЦДЕАХ, ДЕЦДЕФАХ, додецилсульфат цинку (ДСЦ), диетиленціандиетиленцинкфосфатамонійхлорид (ДЕЦДЕЦФАХ), нітробензоат натрію (НБН), диметилсульфоксид (ДМСО), морфоліній нітробензоат (МНБ), морфолін, аміак. Для порівняння використовували ОЕДФК - один з найкращих інгібіторів корозії та накипоутворення.

Порівняти інгібітори по їх ефективності можна по результатах, отриманих при їх застосуванні для захисту сталі 20 в київській водопровідній воді (рис. 4).

Кращими інгібіторами були алкілфосфати, фосфонати та фосфінати (рис. 4, криві 3, 6, 7). Ефективність захисту зростає при використанні цинкових солей згаданих фосфорорганічних кислот. Особливо ефективним є ЦТЕЦФАБ, який забезпечує ступінь захисту на рівні 95 % уже при дозі 2 мг/л. Іони цинку сприяють стабілізації пасиваційної кисневої плівки на поверхні металу, вони також надають інгібуючих властивостей алкілсульфатам, які за відсутності цинку практично не захищають сталь від корозії.

При підвищенні температури ефективність інгібіторів знижується внаслідок зниження розчинення кисню у воді, що спричиняє руйнування пасиваційної плівки на поверхні металу. Неефективне використання інгібіторів у випадку, коли поверхня сталі покрита продуктами корозії. Наявність продуктів корозії на поверхні сталі робить неможливим утворення адсорбційної плівки на цій поверхні.

Захисний ефект використаних амінів (ТЕА, ДЕЦМЕА) та аміаку обумовлений як підвищенням реакції середовища при їх застосуванні, так і стабілізацією пасиваційної плівки на поверхні сталі за рахунок включення до її структури іонів заліза. В цілому аміни поступаються по ефективності органілфосфатам цинку.

Рис.4. Ефективність інгібіторів корозії сталі в київські водопровідній воді: 1 ТЕАХ, 2 ДЕЦМЕА, 3 ДЕЦДЕЦФАХ, 4 ТЕА, 5 ОЕДФК, 6 ДМФК, 7 ДМФЦ, 8 ЦТЕЦФАБ.

ДМФК, яка показала високу ефективність при стабілізації розчинів карбонатів та сульфатів виявилась також і ефективним інгібітором корозії. Хороші результати отримані при використанні її цинкової солі в різних корозійних середовищах (табл. 5).

В деаерованих замкнутих системах реалізується інший механізм захисту сталі від корозії. В цьому випадку захист відбувається за рахунок формування водонерозчинної феритної плівки на поверхні сталі. Тому були створені ефективні композиції, які включали пасиватори (нітробензол, диметилсульфоксид, нітробензойну кислоту) та аміни, що сприяють формуванню та підтриманню стабільної феритної плівки на поверхні сталі при високих температурах.

В п’ятому розділі проведено техніко-економічне порівняння розроблених технологій.

Таблиця 5-

Ефективність диметилолфосфінату цинку в водних середовищах 2-7

при перемішуванні

Корозійне середовище | Доза ДМФЦ, мг/л | Час

t, год. | Поляри-

заційний опірRp cp, Ом | Коефіцієнт зниження швидкості корозії, j | Ступінь захисту від корозії Z, % | Швидкість корозії

V, мм/рік | 2 | 20 | 6 | 1760 | 4.30 | 76.7 | 0.0852 | 50 | 6 | 2290 | 5.61 | 82.2 | 0.0655 | 100 | 6 | 3570 | 8.75 | 88.6 | 0.0420 | 3 | 50 | 6 | 1799 | 17.99 | 94.4 | 0.0834 | 100 | 6 | 5512 | 55.12 | 98.2 | 0.0272 | 4 | 50 | 6 | 3380 | 29.65 | 96.6 | 0.0443 | 100 | 6 | 4599 | 40.34 | 97.5 | 0.0326 | 100 | 68 | 4427 | 38.81 | 97.4 | 0.0339 | 5 | 50 | 6 | 3602 | 33.35 | 97.0 | 0.0416 | 50 | 44 | 2290 | 21.20 | 95.3 | 0.0655 | 100 | 6 | 3694 | 34.20 | 97.1 | 0.0406 | 100 | 38 | 3143 | 29.10 | 96.6 | 0.0477 | 6 | 10 | 6 | 165 | 1.70 | 41.2 | 0.9090 | 20 | 6 | 447 | 4.61 | 78.3 | 0.3356 | 50 | 6 | 975 | 10.05 | 90.0 | 0.1538 | 100 | 6 | 1290 | 13.30 | 92.5 | 0.1162 | 7 | 10 | 6 | 357 | 2.30 | 56.5 | 0.4201 | 20 | 6 | 3796 | 24.49 | 95.9 | 0.0395 | 50 | 6 | 5859 | 37.80 | 97.4 | 0.0256 |

ВИСНОВКИ

1. Вперше вивчено вплив відпрацьованих розчинів лужного травлення алюмінію та алюмінату натрію на процеси пом’якшення води, які в порівнянні з традиційними реагентами забезпечують більш глибоке пом’якшення води при температурах 18-50 0С. Кращі результати отримано при двохстадійній обробці води алюмовмісним реагентом та вапном.

2. Показано, що процеси пом’якшення води впливають на її корозійну агресивність, яка залежить від концентрації іонів кальцію, магнію, алюмінію та амонію, типу реагентів, температури.

3. Визначено, що найбільш ефективним серед флокулянтів і синтезованих коагулянтів є гідролізований ПАА, який в умовах пом’якшення забезпечує інтенсифікацію процесу освітлення води, та гідроксохлорид магнію. Останній забезпечує високу ефективність очистки природної води при високих значеннях рН середовища.

4. Розроблено високоефективну технологію пом’якшення води з використанням алюмінату натрію, вапна та магнетиту, що характеризується високою інтенсивністю процесу відстоювання.

5. Запропоновано маловідходну технологію іонообмінного пом’якшення води, яка дозволяє багаторазово використовувати елюати для регенерації катіоніту від іонів кальцію та магнію за умов висадження сульфату кальцію.

6. Визначено вплив ряду органічних добавок на процеси накипоутворення. Встановлено, що ТЕАХ, ПОПМГХ, ОП-7, барда та меляса є ефективними стабілізаторами сульфатних розчинів кальцію.

7. Встановлено, що ДМФК є ефективним інгібітором накипоутворення на нагріваючих елементах з нержавіючої сталі в розчинах карбонатів кальцію при температурах до 95 0С. Також визначено, що дана кислота є ефективним стабілізатором накипоутворення і при використанні нагріваючого елемента, який попередньо покритий накипом.

8. Розроблено нові високоефективні інгібітори корозії сталі для аерованих водних розчинів на основі амонійалкілфосфатів цинку та диметилолфосфінату цинку. Запропоновано ряд композицій, які є ефективними інгібіторами корозії в деаерованих системах.

9. Досліджено ефективність стабілізаторів накипоутворення у водних системах охолодження Київського кисневого заводу. Встановлено, що ДМФК, сульфогліцерин та метилсульфат є перспективними інгібіторами накипоутворення з урахуванням простоти їх отримання і меншій вартості в порівнянні з ОЕДФК.

10. Проведено натурні випробування по пом’якшенню води з використанням алюмінату натрію, вапна та магнетиту на Київському заводі “РІАП”.

Список опублікованих праць за темою дисертації:

1.

2.

3.

4.

5.

6.

7.

8.

9.

10.

11.

12.

13.

14.

15.

16.

17.

18.

19.

АНОТАЦІЇ

Шаблій Т. О. Розробка комплексної технології стабілізаційної обробки води для водооборотних систем охолодження. – Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.17.21 – технологія водоочищення. – Інститут колоїдної хімії та хімії води ім. А. В. Думанського НАН України, Київ, 2002.

Вивчено процеси пом’якшення води з використанням відходів лужного травлення алюмінію, що містять алюмінат натрію. Вибрано умови процесу, які забезпечують ефективне освітлення води разом із глибоким її пом’якшенням та визначено вплив пом’якшення води на її корозійну агресивність. Знайдено умови багаторазового використання кислих регенераційних розчинів при іонообмінному пом’якшенні води. Розроблено інгібітори корозії та накипоутворення для водооборотних систем. Створено маловідходні ефективні технології реагентного та іонообмінного пом’якшення води.

Ключові слова: пом’якшення води, корозійна агресивність, інгібітори корозії, стабілізатори накипоутворення, водоборотні системи.

Шаблий Т. А. Разработка комплексной технологии стабилизационной обработки воды для водооборотных систем