VII Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2015

К химическому составу воды, используемой для работы тепловых электростанций, предъявляются весьма жесткие требования. Одной из основных причин снижения эффективности работы теплообменников и котлов является их загрязнение твёрдыми отложениями. Образование накипи было и остаётся одной из причин необходимости межсезонного ремонта и чистки теплообменного оборудования. Проблема зарастания котлов и теплообменников химическим отложениями неорганического и органического происхождения является одной из наиболее острых. Наибольшую трудность в процессе работы с такими водами представляют ионы кремниевой кислоты, находящие в коллоидном состоянии. При нагревании такие соединения кремния образуют студенистый осадок, который со временем уплотняется. Накипь, образованная в присутствии соединений кремния обладает повышенной прочностью, кроме того соединений кремния, взаимодействую с катионами железа, находящимися в степени окисления +3,образуют устойчивые коллоидные образования, которые не удаляются ни фильтрованием, ни отстаиванием.

Объектом нашего исследования стали технологические воды ОАО Третьей генерирующей компании оптового рынка электроэнергетики «Харанорская ГРЭС», по данным лаборатории данной компании максимальная концентрация растворенной кремниевой кислоты в воде составляет 9,4 мг/дм³ . Использовать химические способы очистки воды от кремниевых кислот на данном объекте нельзя, т.к. отработанная вода сбрасывается в открытый водоем общего пользования. Для решения поставленной проблемы очистки технологической воды от кремниевых кислот, необходимо перевести коллоидные формы орто- (H₄SiO₄) и метакремниевой (H₂SiO₃) кислот в растворимое состояние. В качестве одного из способов физико-химического воздействия на коллоидную форму кремниевой кислоты, с целью перевода ее в растворимую кремниевую кислоту, нами предлагается ультразвуковое воздействие в режиме стоячей волны (УЗСВ). Интенсивность ультразвуковых колебаний плавно изменялась от 0 до 810⁴ Вт/м² с помощью устройства независимого возбуждения, находящегося на генераторе, и составила 110⁴ Вт/м². Для проведения лабораторно-практических исследований была получена модельная система, максимально приближенная к естественному объекту исследования. Модельные растворы проверяли на фотоколориметре типа КФК – 3, концентрации растворов составили 2,3, 10, 15 и 20 мг/дм³ соответственно. По полученным данным (табл.1) был построен калибровочный график, позволяющий определить концентрацию кремниевой кислоты в растворе по оптической плотности (рис.1).

Таблица 1

Результаты определения оптической плотности растворов и концентрации растворов проб градуировочного графика.

	Контрольный раствор (Ак)	Концентрация растворов, мкг/дм 3
		20	50	100	150	200
Среднее значение оптической плотности	0,189	0,251	0,406	0,525	0,684	0,864

Дальнейшие исследования проводились на стандартной модельной системе, концентрация кремниевой кислоты в которой составила 10 мг/дм³. Данную систему обрабатывали ультразвуком и по калибровочному графику определяли изменение концентрации в различном режиме озвучивания.

 

Рисунок 1. Зависимость оптической плотности кремниевой кислоты от концентрации

Модельную систему обрабатывали ультразвуковыми колебаниями в режиме стоячей волны. Наиболее оптимальный режим озвучивания находится в пределах 18 – 25 кГц. Для воздействия на раствор кремниевой кислоты была использована интенсивность ультразвука 110⁴ Вт/м². Время в режиме обработки составляет 3, 5 и 10 минут соответственно. Используя построенный нами калибровочный график, мы определили оптическую плотность модельных систем, подвергшихся воздействию ультразвуковых колебаний в режиме стоячей волны. Для расчета концентрации растворимой формы кремниевой кислоты использовали стандартную методику [1]. Результаты изменения оптической плотности показаны в таблице 2.

Таблица 2

Оптическая плотности раствора в зависимости от концентрации кремниевой кислоты

	Контрольный раствор (Ак)	Р-р без обработки ультразвуком (А-Ак)	Р-р после 10 минут обработки ультразвуком (А-Ак)	Р-р после 15 минут обработки ультразвуком (А-Ак)	Р-р после 20 минут обработки ультразвуком (А-Ак)
Среднее значение оптической плотности	0,189	0,276	0,301	0,275	0,339

Анализируя полученные результаты можно сделать вывод: использование ультразвуковых колебаний в режиме стоячей волны на коллоидные формы кремниевых кислот смещает равновесие химической реакции в сторону образования растворимых форм кислоты. Изменение оптической плотности раствора модельной системы наиболее ярко наблюдается при воздействии на раствор ультразвуковыми колебаниями в течение 10 минут. Таким образом, по предварительным результатам исследования влияния ультразвуковых колебаний в режиме стоячей волны на коллоидную форму кремниевой кислоты можно сделать вывод: озвучивание системы в течение 10 минут более целесообразно, т.к. наблюдается увеличение оптической плотности раствора и, соответственно, концентрации растворимой формы кремниевой кислоты. Воздействие на систему ультразвуковых колебаний в режиме стоячей волны в течение 3 минут не достаточно, т.к. концентрация растворимой формы кремниевой кислоты увеличилась по сравнению с исходной незначительно (исходная - 10 мг/дм³, а получили – 11,25 мг/см³). Более длительное воздействие ультразвуковых колебаний на модельную систему экономически нецелесообразно, т.к. показатели оптической плотности и концентрации растворимой формы кремниевой кислоты увеличились незначительно. Дальнейшие исследования проводились на модельной системе, подвергающейся воздействию ультразвуковых колебаний в интервале 10 минут. Изменение оптической плотности раствора в зависимости от концентрации коллоидных форм кремниевых кислот отображено на рис. 2. Как видно из рисунка, перевод коллоидных форм орто- (H₄SiO₄) и метакремниевой (H₂SiO₃) кислот в растворимое состояние фиксируется увеличением оптической плотности растворов.

Рисунок 2 Изменение оптической плотности модельной системы при воздействии ультразвуковых колебаний (время воздействия – 10 мин)

Наблюдаемое явление увеличения скорости осаждения твердой фазы можно объяснить тем, что в поле УЗСВ пучности колебательной скорости совпадают с узлами давления, а узлы колебательной скорости – с пучностями давления. Причем в отличие от бегущей волны стоячая волна не передает энергии, энергия перераспределяется между соседними пучностями давления и скорости. Поэтому в суспензии, обрабатываемой в режиме УЗСВ, молекулы коллоидных форм кремниевых кислот будут перемещаться в зоны пучности давления и избегать зоны пучностей скоростей [2]. При этом в зоне пучности давлений будет наблюдаться высокая концентрация молекул кремниевых кислот под повышенным давлением, а в зонах пучностей скоростей будут образовываться зоны чистой воды. Если в ультразвуковом поле частица расположена так, что плоскость ее составляет некий угол с направлением распространения волны, то колеблющиеся частицы среды обтекают частицу, меняя направления своего движения дважды за период ультразвуковой волны, при этом возникают силы, создающие вращательный момент, который стремиться повернуть твердую частицу перпендикулярно к направлению распространения волны. Учитывая, что размеры частицы малы по сравнению с длиной ультразвуковой волны, тот сила, поворачивающая частицу, пропорциональна интенсивности ультразвука [3]. Мы предполагаем, что увеличение растворимости коллоидных форм кремниевых кислот в поле ультразвуковых волн можно объяснить данными силами.

Кремниевые отложения встречаются в проточной части паровых турбин; они состоят из аморфной двуокиси кремния и кристаллического SiО₂ с примесью различных силикатов натрия [4]. Предлагаемый нами способ перевода коллоидной формы кремниевых кислот в растворимые, позволит предотвратить образование одного из самых трудноудаляемых видов отложений, в состав которых входят силикаты – соединения кремния.

Библиография:

1. ГОСТ 34-70-953.6-88 Воды производственные тепловых электростанций. Методы определения кремниевой кислоты.

2.Балдев Р., Раджендран В., Паланичами П. Применение ультразвука. М.: Изд-во Техносфера, серия:Мир физики и техники, 2011. 579 с.

3. Основы физики и техники ультразвука: Учеб. пособие. – М.: Высш.шк., 1999. 331с.

4.Ультразвуковые методы воздействия на технологические процессы /под ред. Н.Н. Хавского. – М.: Металлургия. 1981. – 141с.

Код для цитирования: Скопировать