Влияние кристаллической структуры солей на эффективность ингибирования их кристаллизации органофосфонатами
Рассылка: Защита теплосетей от накипи и коррозии, реагентная водоподготовка.
Адрес электронной почты: chausoff@yandex.ru
Сайт рассылки: http://labudgup.ru/
Автор - Чаусов Федор Федорович,
кандидат химических наук (направление научной деятельности -
физическая химия водных растворов, водоподготовка и водно-химические режимы
теплоэнергетических систем), автор более 70 научных трудов, автор более 20 изобретений.
Выпуск 29.
Введение
Необходимость создания эффективных технологий ингибирования кристаллизации минеральных солей обусловлена актуальностью проблемы защиты технологического оборудования от солеотложений. Прежде не удавалось сформулировать и обосновать условия эффективного ингибирования, вследствие чего применение органофосфонатов во многих случаях давало отрицательный эффект. Приводится экспериментальное и теоретическое исследование условий эффективного применения органофосфонатов. Разработанный способ ингибирования солеотложений признан изобретением и защищён патентом.
Одной из проблем современной химической и нефтяной промышленности, а также энергетики является предотвращение отложения минеральных солей в технологическом оборудовании. Солеотложение обусловлено присутствием в составе природных вод солей жёсткости — малорастворимых солей (преимущественно, карбонатов и сульфатов щёлочноземельных металлов, кристаллизующихся на поверхностях теплопередачи при нагревании воды. Кристаллизация малорастворимых минеральных солей приводит к значительному снижению КПД технологического оборудования. Каждый миллиметр толщины солеотложений понижает КПД на величину от 8 до 15%. В энергетических установках это приводит к перерасходу топлива и сверхнормативным выбросам в атмосферу так называемых «парниковых газов». Снижение КПД систем охлаждения приводит к перегреву технологического оборудования и повышенным затратам энергии на подачу охлаждающей воды. Образование солеотложений в призабойной зоне нефтяных скважин приводит к снижению нефтеотдачи и неполному извлечению нефти.
Для предотвращения образования солеотложений предложены различные способы обработки воды.
Традиционной является ионообменная технология, основанная на замещении ионов щёлочноземельных металлов ионами натрия или калия. Её основной недостаток — сбросы в окружающую среду токсичных отходов, преимущественно хлоридов. Хлориды не задерживаются очистными сооружениями и не подвержены природному метаболизму. Накопление хлоридов в окружающей среде значительно ухудшает экологическую обстановку. Кроме того, ионообменная технология обработки воды требует крупногабаритного оборудования, частого химического контроля, приводит к повышению коррозионной активности воды и даже при соблюдении всех этих условий не полностью исключает кристаллизацию минеральных солей в теплопередающем оборудовании.
Предложены многочисленные способы обработки воды магнитными и электрическими полями, однако область применения этих способов ограничена, и они лишь незначительно снижают интенсивность кристаллизации.
Применение для обработки воды органофосфонатов — комплексов органофосфоновых кислот впервые предложено в США. В нашей стране также предложены эффективные препараты для противонакипной обработки воды. Современные ингибиторы солеотложений на основе цинковых комплексов нитрилотриметилфосфоновой и 1-гидроксиэтилидендифосфоновой кислот изобретены Ковальчуком и др. и выпускаются ООО «Экоэнерго» (г. Ростов-на-Дону). Эти препараты не только защищают теплопередающее оборудование от солеотложений, но и значительно снижают скорость коррозии стали и латуни в водных средах.
В то же время, физико-химические основы ингибирующего действия органофосфонатов на кристаллизацию минеральных солей до настоящего времени не были вполне ясны. Наиболее глубокие исследования были проведены Дятловой и др. Было убедительно показано, что органофосфонаты взаимодействуют с зародышами кристаллов минеральных солей, вследствие чего рост последних прекращается. Если зародыши находятся в неустойчивом равновесии с раствором, то в результате они растворяются. Однако представления о зародышах кристаллов, развитые в работах вышеупомянутых авторов, неудовлетворительны с современной точки зрения. Очевидно, что зародышем кристалла минеральной соли можно считать лишь тело, обладающее характерными свойствами этого кристалла. Основным свойством любого кристалла является трансляционная симметрия, поэтому зародыш кристаллической твёрдой фазы должен содержать хотя бы несколько сформированных ячеек кристаллической решётки, связанных преобразованием трансляционной симметрии. Учитывая, что для наиболее распространённых в природных водах солей (CaCO3, CaSO4•nH2O) длина трансляционных векторов кристаллической решётки составляет от 0,5 до 1,5 нм, размер зародыша кристалла не может быть менее нескольких нанометров. В связи с этим утверждения о зародышах кристаллов CaSO4•2H2O радиусом 0,38 — 0,6 нм не относимы к механизму формирования кристаллической твёрдой фазы минеральной соли, а наблюдения рассеяния лазерного излучения должны быть отнесены к критическим флуктуациям неравновесной среды, а не к кристаллическим наночастицам солей. Кроме того, теория Гиббса — Томсона, использованная вышеупомянутыми авторами для вычисления размеров зародышей кристаллов, применима лишь к сферическим зародышам изотропных сред и приближенно — к кристаллическим частицам изометрического габитуса, размеры которых на порядки больше длин трансляционных векторов кристаллической решётки. Оценка размеров зародыша, соизмеримого по величине с одной структурной единицей кристаллизующейся соли, по теории Гиббса — Томсона, некорректна.
Таким образом, в ранее опубликованных работах ингибирующее действие органофосфонатов рассматривалось без учёта структуры кристаллизующихся минеральных солей. Практические критерии эффективности ингибирования солеотложений отсутствовали. По этой причине практическое применение органофосфонатов в каждом конкретном случае требует отдельного лабораторного исследования их эффективности по отношению к минеральным солям, входящим в состав используемой на этом объекте воды. Это значительно усложняет и удорожает внедрение технологий ингибирования отложений минеральных солей. Кроме того, отсутствие обоснования для применения органофосфонатов создаёт условия для опасных злоупотреблений на рынке технологий водоподготовки. Недобросовестные участники рынка, распространяющие нелицензионные (контрафактные) препараты и технологии для обработки воды, часто заявляют об универсальности применения органофосфонатов. Результатом ненадлежащего использования органофосфонатов для ингибирования отложений минеральных солей являются катастрофические повреждения оборудования вследствие образования солеотложений.
Современные исследования механизма ингибирования кристаллизации минеральных солей органофосфонатами показали, что наиболее эффективными ингибиторами отложений минеральных солей являются комплексы фосфоновых кислот с металлами.
Освоение промышленного производства эффективных ингибиторов кристаллизации минеральных солей и развитие современных теоретических представлений о механизме их действия актуализировало проблему создания эффективной и надёжной технологии обработки воды органофосфонатами для защиты технологического оборудования от солеотложений.
Далее в статье описываются эксперименты, которые проводились для того, чтобы выяснить факторы, влияющие на эффективность ингибирования кристаллизации карбоната и сульфата кальция органофосфонатами.
Полный вариант статьи "Влияние кристаллической структуры солей на эффективность ингибирования их кристаллизации органофосфонатами" Вы можете найти здесь.
Проведённый автором анализ влияния кристаллической структуры солей на эффективность ингибирования их кристаллизации органофосфонатами позволил разработать техническое решение в области защиты технологического оборудования от солеотложений. Предложенный автором способ ингибирования солеотложений признан изобретением и защищён патентом. Изобретённая автором технология водоподготовки внедрена более чем на ста производственных и отопительных котельных как в Удмуртской Республике, так и в других регионах России. Опыт внедрения показал, что для водогрейных котельных с температурой воды на выходе из котла не более 150°С предложенная технология ингибирования солеотложений применима при любом типе котлов и позволяет полностью исключить традиционную ионообменную технологию водоподготовки.
Заключение
Показано, что изменение соотношения концентраций катионов и анионов солей не влияет заметно на эффективность ингибирования кристаллизации солей органофосфонатами. Органофосфонаты ингибируют кристаллизацию лишь в интервале значений ионного произведения соли, ограниченном пороговым значением. Пороговое значение ионного произведения различно для различных солей.
Теоретическое обсуждение полученных результатов приводит к выводу, что пороговое значение определяется геометрическими параметрами минимального зародыша, способного адсорбировать частицы ингибитора. Полученные количественные результаты согласуются с экспериментальными данными.
Предложен эффективный способ ингибирования солеотложений, в котором введение органофосфонатов сопровождается химическим контролем условий эффективного ингибирования. Способ признан изобретением и защищён патентом. Внедрение изобретённого способа ингибирования солеотложений показало, что он способен полностью заменить традиционные технологии водоподготовки для водогрейных котельных.
Полный вариант статьи "Влияние кристаллической структуры солей на эффективность ингибирования их кристаллизации органофосфонатами" Вы можете найти здесь.
Защита от накипи и коррозии
Если у Вас имеются проблемы, связанные с коррозией и
(или) накипью в тепловых сетях,
мы можем помочь Вам выбрать необходимое оборудование и технологию
противонакипной и противокоррозионной обработки воды.
Для этого Вам необходимо обратиться к нам по телефонам: (3412) 91-62-65, 8-909-067-64-39,
факсу: (3412) 91-62-65, электронной почте: chaus@uni.udm.ru,
isk@uni.udm.ru,
направив максимально подробные сведения в форме опросного листа.
Адрес электронной почты: chausoff@yandex.ru
Сайт рассылки: http://labudgup.ru/
С уважением, Ф.Ф.Чаусов.
Архив почтовых рассылок:
Защита теплосетей от накипи и коррозии, реагентная водоподготовка
