VIII Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2016

К химическому составу питательной воды, используемой для работы котельных установок тепловых электростанций, предъявляются весьма жесткие требования. Одной из основных причин снижения эффективности работы теплообменников и котлов является их загрязнение твёрдыми отложениями. При длительном нагреве воды, содержащей кремниевые кислоты и соли данных кислот, на поверхности различных материалов образуется накипь, являющаяся результатом химических реакций с участием растворимых примесей, которые переходят в нерастворимое состояние. Состав накипи влияет на ее прочность и степень сложности ее удаления. Один из самых трудноудаляемых видов отложений – накипь, в состав которой входят силикаты – соединения кремния. Они являются постоянным компонентом примесей в питательной воде, поступающей в обогреватель и затем в котельную установку. Образующийся вследствие испарения воды пар обычно уносит с собой сравнительно небольшое количество солей, большая же часть солей остается в еще не испарившейся воде, в ней же остается кремниевая кислота. Кремниевая кислота переходит из растворенного состояния в твердое и отлагается на внутренней поверхности труб. Для уменьшения отложения кремниевых кислот в виде накипи следует перевести кислоты в не растворимое состояние и отфильтровать осадок до того, как питательная вода попадет в обогреватель. Примеси соединений кремния, встречающиеся в воде, находятся в растворенном или коллоидном состоянии, их основными компонентами являются производные орто- (H₄SiO₄) и метакремниевой (H₂SiO₃) кислот. Вид коллоидного состояния соединений кремния определяется их соотношением с водой. Так, если на одну молекулу двуокиси кремния в коллоидном состоянии приходится около 300 молекул воды, то образуется гель. В случае если содержание воды понижается до 30–40 молекул – появляется твердый продукт, образующий при нагреве хрупкое рыхлое вещество (ксерогель). Данное вещество, имеющее большую удельную поверхность, которая может достигать 800 м2/г, обладает сильной адсорбцией к различным веществам. Эти гели поглощают различные частицы, не вступая с ними в химическое взаимодействие, и образуют прочные системы за счет своего связующего действия.

Нами проводилось исследование питательной воды, используемой 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 как технологической, так и питательной воды от кремниевых кислот, необходимо перевести коллоидные формы орто- (H₄SiO₄) и метакремниевой (H₂SiO₃) кислот в не растворимое состояние с последующим фильтрование осадка. Используя метод термогравиметрии, нами определялись формы кремниевых кислот, находящиеся в коллоидном состоянии. Анализируя результаты ТГ, ДТГ, ДСК, представленные на рисунке 1, в диапазоне температур от 0 до 650°C в атмосфере воздуха, можно сделать следующие выводы: максимальная скорость потери веса достигается при 105,3°C, наблюдается сильный эндотермический скачек, по которому можно сказать, что вся вода разом отщепляется.

Рисунок 1. Термограмма питательной воды, содержащей кремниевые кислоты.

При температурах от 100 до 200°C, происходит максимальная потеря веса 12,87%. Далее наблюдаются два кварцевых пика в интервале от 499 до 580°C, с общей потерей массы до 1,95%. Количество связанной воды удаляется с заметным слабым эндотермическим эффектом при 499,7°C. Экзоэффект на кривой ДСК, соответствует переходу кремниевой кислоты в кремнезём (или ксерогель). Остаточная масса после сжигания 78,18%. Летучие продукты реакции: СО, СО2, H2О. На основании полученных результатов мы предполагаем, что в питательной воде, поступающей в котельные установки ОАО Третьей генерирующей компании «Харанорская ГРЭС», находится коллоидная форма ортокремневой кислоты. Далее нами определялась плотность питательной воды с помощью ареометров, гидростатических весов и пикнометров разного устройства. Плотность вязких жидкостей находят методом взвешенных капель. Для определения плотности вещества пикнометрическим методом используют пикнометры – стеклянные сосуды специальной формы и определённой вместимости. При определении плотности методом гидростатического взвешивания измеряют кажущееся уменьшение веса образца при погружении его в жидкость [1].

Эту процедуру повторяют, массы не должны отличаться более чем на 0,002 г. Также необходимо измерить температуру воздуха в помещении, где производилось взвешивание.

Масса пустого пикнометра m_п, г 6,8577

Масса пикнометра с водой m_п+в, г 13,3874

Температура воздуха в помещении t_{воздуха}, °С 25

Плотность воды при 25°С ρ²⁵(H₂O), г/см³ 0,9970

Далее исследуемое вещество 0,01г помещают в пикнометр (горлышко пикнометра очищают от попавших частиц вещества фильтровальной бумагой) и взвешивают (m_п+вещ), затем пикнометр заполняют водой на половину и слегка встряхивают пикнометр, чтобы удалить пузырьки воздуха, внесенного в пикнометр вместе с кристаллами исследуемого вещества. Приливают в пикнометр воду до метки, термостатируют и взвешивают (m_п+вещ).

Масса пикнометра с веществом 0,01г m_п+вещ, г 12,7953

Далее повторяют все действия с разным весом вещества от 0,02 до 0,10 г.

Масса пикнометра с веществом 0,02г m_п+вещ, г 12,8085

Масса пикнометра с веществом 0,03г m_п+вещ, г 12,8246

Масса пикнометра с веществом 0,04г m_п+вещ, г 12,8582

Масса пикнометра с веществом 0,05г m_п+вещ, г 12,9085

Масса пикнометра с веществом 0,06г m_п+вещ, г 12,9385

Масса пикнометра с веществом 0,07г m_п+вещ, г 12,9291

Масса пикнометра с веществом 0,08г m_п+вещ, г 12,9318

Масса пикнометра с веществом 0,09г m_п+вещ, г 12,9340

Масса пикнометра с веществом 0,10г m_п+вещ, г 12,9354

Произведем расчет плотности вещества по формуле:

Полученные результаты используем для построения графической зависимости плотности от концентрации (рис.2)

ρ_0,02 = 0,9086 ρ_0,05 = 0, 9652 ρ_0,08 = 0,9318

ρ_0,03 = 0,9111 ρ_0,06 = 0, 9285 ρ_0,09 = 0,9340

ρ_0,04 = 0,9163 ρ_0,07 = 0,9291 ρ_0,10 = 0,9354

На основании полученных данных мы можем сделать вывод, что питательные воды, поступающие в котельные установки ОАО Третьей генерирующей компании «Харанорская ГРЭС», в качестве примесей входит ортокремневая кислота в коллоидной форме, которую необходимо удалить, переведя ее в не растворимое состояние.

1. И. П. Горюнова Теоретические и экспериментальные методы исследования в химии Методические указания к лабораторным работам / И. П. Горюнова. – Электрон. издан. – Кемерово : КузГТУ, 2014. –

Код для цитирования: Скопировать