МЕТОДЫ ИЗВЛЕЧЕНИЯ КРЕМНЕЗЕМА ИЗ ГИДРОТЕРМАЛЬНОГО РАСТВОРА И УТИЛИЗАЦИИ АМОРФНОГО КРЕМНЕЗЕМСОДЕРЖАЩЕГО МАТЕРИАЛА

МЕТОДЫ ИЗВЛЕЧЕНИЯ КРЕМНЕЗЕМА ИЗ ГИДРОТЕРМАЛЬНОГО РАСТВОРА И УТИЛИЗАЦИИ АМОРФНОГО КРЕМНЕЗЕМСОДЕРЖАЩЕГО МАТЕРИАЛА

11 2 2 Потапов В.В. , Горбач В.А. , Смывалов С.А. , Близнюков М.А.

Научно-исследовательский геотехнологический центр ДВО Р.А.Н., Петропавловск- Камчатский, vadimp.inbox. ги

6Камчатский государственный технический университет, Петропавловск- Камчатский

Исследованы физико-химических процессов извлечения коллоидного кремнезема из гидротермального раствора. Исследован механизм коагуляции и осаждения коллоидного кремнезема катионами металлов: Ca2#, Mg2#, Al3#, Fe3+ и др.. Часть экспериментов по извлечению кремнезема проведена методом электрокоагуляции на алюминиевых электродах, часть — с применением мембранных фильтров. Определены физико-химические характеристики материала, осажденного из гидротермального раствора. Разработаны способы утилизации осажденного материала в различных отраслях промышленности: 1). для добавления в портланд-цемент с целью повышения прочности бетонных изделий; 2). для производства сорбента для очистки природных и сточных вод от нефтепродуктов; 3). для производства сорбента для газовой хроматографии; 4). для производства жидкого стекла; 5) получения силикатов металлов. На основе полученных данных предложена химико-технологическая схема осаждения из гидротермального теплоносителя кремнезема с заданными характеристиками. Обоснованы принципы повышения эффективности использования гидротермального теплоносителя.

METHODS OF SILICA EXTRACTION FROM HYDROTHERMA SOLUTION AND UTILIZATION OF AMORPHOUS SILICA

MATERIAL

Potapov V.V.1, Gorbach V.A.1, Smyvalov S.A.2, Bliznyukov M.A.2

1 Scientific Research Geotechnological Center of FEB RAS, Petropavlovsk-Kamchatsky, E­mail: vadim p a inbox.ru

6Kamchatka State Technical University, Petropavlovsk-Kamchatsky

Physical and chemical processes of colloidal silica extraction from hydrothermal solution were researched. Mechanism of coagulation and precipitation of colloidal silica by metal cations Ca2#, Mg2#, Al3#, Fe3# were investigated. A part of experiments were carried out by electrocoagulation, a part — by using membrane filters. Physical and chemical characteristics of material precipitated from hydrothermal solution were determined. Methods of utilization of precipitated material in different industries were developed: 1) for addition in portland cement for increasing concreat strength; 2) for production of sorbent for purification of nature and industry waters from oil products; 3) for production of sorbent for gas chromatografy; 4) for liquid glass production; 5) for metal silicates production. On the base of obtained results chemical technological scheme of precipitation from hydrothermal heat carrier of silica with required properties was developed. Economic principles of increasing of efficiency of hydrothermal heat carrier using were grounded.

Образование коллоидного кремнезема в гидротермальном растворе происходит в несколько этапов [1, 2]. Первоначально кремний поступает в раствор в виде отдельных молекул кремниевых кислот в результате химического взаимодействия воды с алюмосиликатными минералами пород гидротермальных месторождений на глубине 1,0-3,5 км в зонах тепловых аномалий при повышенных температуре (до 250-350°С) и давлении (4,0-20,0 МПа). Гидротермальный раствор является многокомпонентным, в нем в ионной и молекулярной форме присутствуют соединения Na, К, Si, Са, Mg, Al, Fe, CI, S, С, В, Li, As, Cu, Zn, Ag, Au и др.

При температуре 250-3500С, когда раствор находится в контакте с минералами пород, общее содержание С кремния в воде можно оценить по растворимости а- кварца. При восходящей фильтрации в трещиновато-пористых породах или при движении в продуктивных скважинах геотермальных электро- и теплоэлектростанций (ГеоЭС, ГеоТЭС) давление и температура раствора снижаются, и раствор разделяется на паровую и жидкую фазы. Общее содержание С кремнезема в жидкой фазе может достигать при этом 700-1500 мг/кг. Вследствие этого водный раствор становится пересыщенным относительно растворимости аморфного кремнезема Се.

Такое состояние мономерных кремниевых кислот в водном растворе нестабильно. Пересыщение раствора 7т, равное разности (С< — Се) концентрации ортокремниевой кислоты (мономерный кремнезем) С< и растворимости Се, вызывает нуклеацию и полимеризацию молекул кремнекислоты с конденсацией силанольных групп, образование силоксановых связей и частичную дегидратацию [3].

Как показали результаты моделирования процесса нуклеации ортокремниевой кислоты с ростом температуры из-за снижения пересыщения увеличивается критический радиус ядер зародышеобразования. Вследствие этого появляется тенденция к уменьшению скорости нуклеации и увеличению времени индукции, что приводит к снижению концентрации частиц и росту конечного среднего радиуса частиц <f. При температуре 120-1500 С нуклеация не успевает развиться за реальное время пребывания гидротермального раствора в скважинах и теплооборудовании ГеоЭС, ГеоТЭС.

После завершения полимеризации часть кремния продолжает оставаться в виде молекул ортокремниевой кислоты H4SiO4, концентрация которой близка к растворимости Се, в равновесии с коллоидным кремнеземом. Кроме коллоидных частиц и молекул кремниевых кислот в растворе присутствует небольшое количество ионов кремниевых кислот (H3SiO4-, H2SiO42-, HSiO3- и т.д.) и макромолекулы поликремниевых кислот.

В результате нуклеации и полимеризации в растворе формируются частицы аморфного кремнезема коллоидных размеров. Часть силанольных групп SiOH на поверхности частиц диссоциирует с отщеплением протона H#, и поверхность частиц приобретает отрицательный электрический заряд. Отрицательный поверхностный заряд приводит к электростатическому отталкиванию частиц и обеспечивает их устойчивость.

Потеря устойчивости в узком слое у поверхности проводящего канала приводит к образованию твердых отложений кремнезема из потока гидротермального раствора в трещиновато-пористой среде пород и на внутренней поверхности трубопроводов, теплооборудования и скважин ГеоТЭС, ГеоЭС [2]. В связи с этим возникла проблема изучения физико-химических характеристик коллоидной системы кремнезема в гидротермальном растворе. Результаты исследования необходимы для совершенствования модели образования минералов гидротермальных систем, а также для разработки технологии извлечения кремнезема и повышения эффективности использования гидротермального теплоносителя ГеоТЭС, ГеоЭС. Извлеченное из теплоносителя вещество в зависимости от его физико-химических характеристик может быть использовано в различных областях промшленности для изго товления бумаги, резины, клея, стекла, керамики, кирпича, цемента, бетона, сорбентов, катализаторов, а также в хроматографии и радиоэлектронике [2 ].

Кинетику реакции полимеризации коллоидного кремнезема изучали при температуре 200С и pH от 5,0 до 9,4. При 200С и pH = 8,0-9,4 среднее значение характерного времени полимеризации р было 2,04 ч, константа полимеризации Hp = 0,485 ч-1. Расчеты по уравнениям модели Флеминга [ ] дали значения констант Hp и тр при повышенных температурах: при 50°С — тр = 36,01 мин; 750С — р=20,91 мин; 100°С — Hp = 7,221 ч-1, тр = 0,138 ч = 8,3 мин. При pH = 5,0 наблюдается ингибирование реакции полимеризации, и значительные изменения концентрации С< происходят только через 5-7 суток после начала реакции.

Размеры первичных частиц кремнезема в неполимеризованном растворе находятся в пределах 0,5-1,5 нм [13]. Измерения методом фотонной корреляционной спектроскопии показали, что средний радиус частиц полимеризованного кремнезема принимает значения от 7,0 до 30,0 нм, радиусы большинства частиц распределены в диапазоне от 1,0 до 50,0 нм.

Еще записи на эту же тему:



Страницы: 1 2 3 4 5

Оставить комментарий (Зарегистрируйтесь и пишите коментарии без CAPTCHи !)

 
© 2008-2017 EnergyFuture.RU Профессионально об энергетике. All rights reserved. Перепечатка материалов разрешается при условии установки активной гиперссылки на EnergyFuture.RU.