Способ определения эффективной концентрации антискаланта для подавления кристаллизации труднорастворимых солей в воде

Изобретение относится к физико-химическим исследованиям и может быть использовано в химической, энергетической и других родственных с ними отраслях промышленности для определения эффективной концентрации ингибиторов кристаллизации солей или антискалантов.

Концентрация солей жесткости (труднорастворимых солей) в воде многих природных водоемов и артезианских скважин близка к равновесному значению или превышает его. Это вызывает кристаллизацию солей, приводящую к солеотложению на внутренней поверхности трубопроводов, коммуникаций, мембран, теплообменного, технологического оборудования, а также связанные с этим проблемы технологического и экономического характера. Технология водоподготовки, направленная на подавление образования осадка, заключается в дозировании к воде антискалантов, действующими веществами которых являются органофосфонаты, ПАВы, полимеры.

Они адсорбируются на поверхности зародышей образующегося осадка, замедляют их рост и удерживают в растворе во взвешенном состоянии при концентрациях выше равновесного значения. Антискаланты имеют низкую адгезию к металлическим поверхностям и легко уносятся потоком жидкости. Некоторые ингибиторы слабо препятствуют кристаллизации солей, но при этом видоизменяют форму кристаллов и препятствуют их дальнейшему росту. Чаще всего в качестве ингибиторов используют соли фосфоновых кислот.

Известен способ аналитического определения содержания ионов Са2+, Mg2+, Fe2+ и т.д. труднорастворимых солей, таких как карбонат кальция и магния, сульфаты кальция и магния и т.д. в водных растворах (А.П. Крешков. Аналитическая химия. Т. 2. - М.: Химия. 1989 г.), по изменению которого можно судить о наличии или отсутствии кристаллизации определяемой соли.

Недостатком способа является длительность выполнения анализа, влияние мешающих ионов на точность определения, необходимость разделения суспензий центрифугированием для повышения точности анализа, использование множества реактивов.

Известен способ оценки размеров седиментационно устойчивых частиц в гелях (Инструкция по применению «Nanotrac ULTRA»), заключающийся в получении диаграммы распределения частиц по размерам в диапазоне 1,0 нм-6,5 мкм.

Недостатком способа является возможность использования прибора для получения гистограммы распределения частиц по размерам только в плотных средах, например, гелях, где седиментация исключается.

Известен способ (RU 2576053) обработки воды для ингибирования образования отложений, содержащих барий, который включает добавление порогового количества ингибитора образования отложений, содержащего аминокислоту, модифицированную алкилфосфоновой кислотой.

Недостатком способа является отсутствие методики, позволяющей определять упомянутое авторами пороговое значение.

Известен способ (RU 2564809) подавления образования накипи в мембранных системах, в котором предложены композиции, содержащие 5-40 мас. % сополимера акриловой кислоты - 2акриламидо-2-метилпропансульфоновой кислоты и 5-40 мас. % полималеиновой кислоты, включающий добавление эффективного количества указанных композиций, которые могут дополнительно содержать эффективное количество одного или нескольких флуорофоров.

Недостатком способа является отсутствие методики, позволяющей определять эффективное количество реагентов.

Известен способ ингибирования (RU 2508426) образования, осаждения и налипания отложений кальциевых солей на металлические и другие поверхности в оборудовании, резервуарах и/или трубопроводе установки для способа варки целлюлозы путем добавления эффективного количества ингибирующей отложения композиции к щелочной водной смеси в котле для способа варки целлюлозы. При этом композиция состоит из по меньшей мере одного фосфонатного компонента (I) и по меньшей мере одного компонента (II), состоящего из по меньшей мере одного карбоксилированного фруктанового соединения. Также изобретение относится к вариантам способа ингибирования образования отложений кальциевых солей в водной системе в выбранном щелочном способе варки целлюлозы, также способу производства бумажной массы и непосредственно композиции для ингибирования образования отложений кальциевых солей в водной системе в щелочном способе варки целлюлозы.

Несмотря на то что в указанном патенте вводится понятие эффективного количества добавляемого ингибитора, способ определения этого количества не описывается.

Настоящее изобретение направлено на определение эффективной концентрации антискаланта для подавления кристаллизации солей в конкретных технических водных растворах и повышение экологической безопасности за счет увеличения точности контроля качества процесса водоподготовки.

Технический результат достигается тем, что предложен способ определения эффективной концентрации антискаланта для подавления кристаллизации труднорастворимых солей в воде, заключающийся в том, что готовят серию растворов конкретной технической воды с антискалантом концентрациями от 0,5 до 20,0 мг/л и при температуре, отвечающей технологическим параметрам работы оборудования, в котором используется техническая вода, затем для свежеприготовленных растворов по экспериментальным данным, полученным методом динамического светорассеяния, строят кинетическую кривую интенсивности роста частиц труднорастворимых солей, по которой определяют значение индукционного периода зародышеобразования, а по графику зависимости значения индукционного периода от концентрации антискаланта τ_инд=f(С_ант) определяют его эффективную концентрацию, принимая время индукционного периода за время пребывания технической воды в технологическом оборудовании с момента введения антискаланта.

Технический результат достигается также тем, что в качестве антискаланта используют соли фосфоновых кислот.

Важно, что серию растворов технической воды с антискалантом готовят с шагом 0,5÷5 мг/л.

Выбранный диапазон концентраций антискаланта объясняется тем, что при концентрации антискаланта ниже 0,5 мг/л значения индукционного периода зародышеобразования относительно малы для практического использования в технологическом оборудовании, а при концентрации свыше 20,0 мг/л не наблюдается заметного увеличения указанного индукционного периода. Кроме того, повышенные концентрации нецелесообразны по экономическим и экологическим причинам.

Применение метода динамического светорассеяния обусловлено тем, что ранее (Кинетика кристаллизации карбоната кальция в условиях стехиометрического соотношения компонентов, ЖФХ, т. 90, №12, 2016. С. 1779-1784), применительно к системе дистиллированная вода - карбонат кальция, была показана возможность фиксирования начала роста частиц солей жесткости в свежеприготовленных водных растворах.

Выбранный шаг концентраций антискаланта при приготовлении серии растворов определяется регламентируемым временем пребывания технической воды в технологическом оборудовании чем меньше время, тем меньше шаг.

Сущность изобретения заключается в том, что использование метода динамического светорассеяния позволяет точно установить значение индукционного периода в процессе кристаллизации труднорастворимых солей в технических водных растворах и, следовательно, определить эффективную концентрацию антискаланта, при которой время индукции соответствует времени пребывания технической воды в технологическом цикле.

Заявляемое изобретение поясняется следующими прилагаемыми иллюстрациями.

Фиг. 1. Кинетические кривые образования и роста частиц солей жесткости в технической воде, содержащей 0,019 мас. % CaCO₃, 0,0075 мас. % CaSO₄, 0,0067 MgCO₃ с содержанием антискаланта а) 0,5 мг/л, б) 2,0 мг/л, в) 3,5 мг/л, г) 6,5 мг/л по примеру 1.

Фиг. 2. Определение эффективной концентрации антискаланта для подавления кристаллизации труднорастворимых солей по примеру 1

Фиг. 3. Определение эффективной концентрации антискаланта для подавления кристаллизации труднорастворимых солей по примеру 2.

Фиг. 4. Определение эффективной концентрации антискаланта для подавления кристаллизации труднорастворимых солей по примеру 3.

Ниже приведены примеры реализации заявляемого способа. Примеры иллюстрируют, но не ограничивают предложенный способ.

Пример 1

Готовили серию растворов технической воды для блока мембранного разделения, соответствующих солевому составу воды, содержащей 0,019 мас. % CaCO₃, 0,0075 мас. % CaSO₄, 0,0067 MgCO₃ и антискалант, содержащий соли нитрилотриметилфосфоновой кислоты в деминерализованной воде, с концентрациями 0,5 мг/л - 3,5 мг/л с шагом 0,5 мг/л и при температуре 25°C, затем для свежеприготовленных растворов по экспериментальным данным, полученным методами динамического светорассеяния и оптической микроскопии, строили кинетические кривые образования и роста частиц труднорастворимых солей, по которым определяли значение индукционного периода зародышеобразования. Данные сведены в Таблицу 1: «Значения индукционного периода от содержания антискаланта» и проиллюстрированы на Фиг 1.

По данным таблицы строили график зависимости значения индукционного периода от концентрации антискаланта τ_инд=f(С_ант), из которого определяли его эффективную концентрацию, принимая время индукционного периода за время пребывания технической воды в технологическом оборудовании с момента введения антискаланта, равное 0,8 мин (Фиг. 2). Эффективная концентрация антискаланта составила 2,7 мг/л.

Пример 2

Готовили серию растворов технической воды для теплообменного аппарата, соответствующих солевому составу воды, содержащей 0,019 мас. % CaCO₃, 0,0075 мас. % CaSO₄, 0,0067 MgCO₃ и антискалант, содержащий соли нитрилотриметилфосфоновой кислоты в деминерализованной воде, с концентрациями 0,5 мг/л - 8,0 мг/л с шагом 2 мг/л и при температуре 60°C, затем для свежеприготовленных растворов по экспериментальным данным, полученным методами динамического светорассеяния и оптической микроскопии, строили кинетические кривые образования и роста частиц труднорастворимых солей, по которым определяли значение индукционного периода зародышеобразования. Данные сведены в Таблицу 2: «Значения индукционного периода от содержания антискаланта».

По данным таблицы строили график зависимости значения индукционного периода от концентрации антискаланта τ_инд=f(С_ант), из которого определяли его эффективную концентрацию, принимая время индукционного периода за время пребывания технической воды в технологическом оборудовании с момента введения антискаланта, равное 8,2 мин (Фиг. 3). Эффективная концентрация антискаланта составила 3,3 мг/л.

Пример 3

Готовили серию растворов технической воды для теплообменного аппарата, соответствующих солевому составу воды, содержащей 0,019 мас. % CaCO₃, 0,0075 мас. % CaSO₄, 0,0067 MgCO₃ и антискалант, содержащий соли 1-гидроксиэтилиденди-фосфоновой и полиаминометиленфосфоновой кислот, с концентрациями 0,5 мг/л - 20,0 мг/л с шагом 5 мг/л и при температуре 80°C, затем для свежеприготовленных растворов по экспериментальным данным, полученным методами динамического светорассеяния и оптической микроскопии, строили кинетические кривые образования и роста частиц труднорастворимых солей, по которым определяли значение индукционного периода зародышеобразования. Данные сведены в Таблицу 3: «Значения индукционного периода от содержания антискаланта».

По данным таблицы строили график зависимости значения индукционного периода от концентрации антискаланта τ_инд=f(С_ант), из которого определяли его эффективную концентрацию, принимая время индукционного периода за время пребывания технической воды в технологическом оборудовании с момента введения антискаланта, равное 20 мин (Фиг. 4). Эффективная концентрация антискаланта составила 7,9 мг/л.

Настоящее изобретение позволяет определять эффективную концентрацию антискаланта для подавления кристаллизации труднорастворимых солей в конкретных технических водных растворах, минимизировать расход антискаланта и повысить экологическую безопасность используемых растворов.