Введение к работе
Актуальность темы исследования. Организация на промышленных предприятиях систем оборотного и замкнутого водоснабжения является необходимой частью современного производственного процесса, как из экономических, так и экологических соображений. Эксплуатация оборотных систем предприятий показывает, что эффективность работы снижается, во-первых, из-за коррозии, которая приводит к преждевременному выходу оборудования из строя, во-вторых, из-за биообрастаний и солеотложений, приводящих к значительному перерасходу энергетических и водных ресурсов. В России по причине коррозии теряется до 30% выпускаемого металла. Решение проблемы предотвращения этих нежелательных явлений достигается в использовании ингибиторов.
Реагентная обработка воды для предотвращения солеотложений, биообрастаний и коррозии является наиболее эффективной и доступной, поскольку не требует значительных капитальных вложений, а узлы приготовления и дозирования реагентов достаточно просты и надежны в эксплуатации.
Так, объем поставок реагентов для предприятий теплоэнергетики и металлургии одной из крупнейших химических компаний России по производству ингибиторов для водоподготовки - «Нитон», вырос за последние 5 лет в 8 раз (в 2006 г - 152,82 т, в 2010 г. - 1250,19 т). Значительную долю в этом производстве составляют органофосфонаты (ОФ) - ингибиторы солеотложений (ингибитор отложений минеральных солей - ИОМС-1), а также цинковые комплексонаты ОФ для предотвращения солеотложений и коррозии (цинковые комплексонаты оксиэтилендифосфоновой кислоты (ОЭДФК), нитрилтриметиленфосфоновой кислоты (НТФ), ИОМС-1).
Повышение экологических требований по содержанию ингибиторов в сбрасываемых сточных водах требует создания реагентов, обладающих наибольшей эффективностью при минимальных концентрациях.
Таким образом, актуальным является создание многофункциональных композиций ингибиторов на основе более эффективных ОФ, а также композиций, не содержащих тяжелые металлы, в частности, с использованием полимеров, обладающих низкой токсичностью, что дает возможность
использовать их даже при ужесточении требований к качеству сточных вод.
Степень разработанности проблемы. В настоящее время выпуск реагентов по предотвращению коррозии, солеотложений и биообрастаний ведется как российскими («Химпром» Чебоксары) так и зарубежными (Nalco, General Electric, Guilini Chemie и др.) предприятиями. Выпускаемые реагенты не всегда соответствуют требованиям качества, недостаточно эффективны, дороги и не универсальны. В диссертации представлен ряд впервые разработанных ингибиторов, положительно отличающихся от известных реагентов.
Цель и задачи исследования. Целью работы является разработка и исследование предотвращение солеотложения, коррозии и биообрастания в системах оборотного водоснабжения на основе ОФ и низкомолекулярных полимеров.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
- рассмотреть российский и зарубежный ассортимент предлагаемых
реагентов для предотвращения солеотложений, коррозии и биообрастаний
для оборотных систем охлаждения промышленных предприятий, опреде
лить их достоинства и недостатки и выбрать наиболее перспективные в ка
честве основы для создания ингибиторов многоцелевого назначения;
оценить эффективность гексаметилендиаминотетраметилен-фосфоновой кислоты (ГМДТФ) и её комплексонатов в качестве ингибиторов коррозии, солеотложений и биообрастаний;
изучить возможность предотвращения солеотложений и коррозии с помощью низкомолекулярных полимеров, и возможного их использования с ОФ различного химического состава;
оценить эффективность полученных композиций в оборотных системах промышленных предприятий по предотвращению негативных явлений, характерных для данных систем и оценить воздействие ингибиторов на окружающую среду.
Предмет и объект исследования. Объектом исследования данной работы выступили оборотные системы охлаждения металлургических
предприятий. Предмет - ингибирование коррозии конструкционных сталей, солеотложений, рост микроорганизмов в системах оборотного водоснабжения.
Методологическая, теоретическая и эмпирическая база исследования. Методологической базой являются: статистический метод - при анализе результатов измерения скорости коррозии, количества микроорганизмов; расчетно-аналитический - при определении составов ингибиторов, их эффективность при изучении процесса кристаллизации; экспресс-метод - при оценке скорости коррозии методом измерения поляризационного сопротивления прибором «Эксперт-004», определении количества микроорганизмов с использованием пластин «Petrifilm»; а также экспериментальные методы исследований в эксплуатационных условиях. Теоретической базой являются научные работы специалистов в области водоподготовки. В качестве эмпирической базы исследования использованы наблюдение, описание, измерение, эксперимент.
Научная новизна результатов работы заключается в следующем:
впервые синтезированы медно-цинковые комплексонаты органо-фосфонатов (ИОМС-1 и ГМДТФ) при мольных соотношениях ОФ: Металл = 3:1 и 2:1, где мольное соотношение Zn:Cu находится в соотношении от 0,75:0,25 до 0,5:0,5, что позволило разработать эффективный комплексный ингибитор солеотложений, коррозии и биообрастаний для оборотных систем водоснабжения (патент РФ № 2409523);
установлено, обосновано и экспериментально подтверждено, что цинковые комплексонаты ГМДТФ при соотношениях ГМДТФ:Zn = 3:1 и 2:1 являются эффективными ингибиторами коррозии углеродистой стали и предотвращают кристаллизацию малорастворимых солей, что позволяет использовать их в оборотных системах;
впервые установлено и доказано влияние повышения концентрации солей в воде на эффективность работы ингибиторов коррозии и солеотложений на основе органофосфонатов, что открывает возможность для их широкого использование в оборотных системах с регулируемым коэффициентом концентрирования;
получены количественные и качественные оценки влияния реагентов для ингибирования солеотложений на основе водорастворимых низкомолекулярных полимеров на процесс зародышеобразования сульфата кальция и скорость коррозии конструкционной стали, что позволяет считать их альтернативным вариантом использования органофосфонатов в технологии водоподготовки;
разработаны композиции, не содержащие ионов тяжелых металлов, на основе ИОМС-1 с фосфорнокислым эфиром полиэтиленгликоля и 2-фосфобутан 1,2,4 трикарбоновой кислотой обеспечивающие предотвращение солеотложения, коррозии и биообрастания в системах оборотного водоснабжения.
Теоретическая и практическая значимость работы заключается в следующем:
обоснованы пути целенаправленного подбора реагентов многоцелевого назначения;
разработаны и изучены новые промышленно доступные комплексные ингибиторы солеотложений и коррозии низкоуглеродистых сталей на основе ГМДТФ и НТФ и цинковых комплексонатов этих кислот для водных сред, определены их оптимальные концентрации для оборотных систем различного химического состава;
предложены и испытаны в производственных условиях комплексные ингибиторы солеотложений, коррозии и биообрастаний на основе медно-цинковых комплексонатов КИСК-1, КИСК-2, КИСК-Б;
осуществлен промышленный выпуск реагентов марки «КИСК-1» ХК «Нитон» на основе подготовленной технической документации (технологический регламент по производству, технические условия ТУ 2415-007-76499798-2009);
создана новая «бесцинковая» композиция на основе фосфорнокислого эфира полиэтиленгликоля, которая обладает высокими антикоррозионными и антинакипными свойствами и может применяться для защиты водооборотных систем от коррозии и солеотложений.
Апробация и реализация результатов диссертации. Материалы диссертации представлены на Всероссийской конференции «Энерго- и ре-
сурсосбережение. Нетрадиционные и возобновляемые источники энергии» (Екатеринбург, 2006, 2007, 2009, 2010), III, IV, V, VII Всероссийской конференции «Научное творчество молодежи - лесному комплексу России» (Екатеринбург, 2007, 2008, 2009, 2011), XX Всероссийской конференции «Проблемы теоретической и экспериментальной химии» (Екатеринбург, 2010), Международном симпозиуме «Безопасность биосферы-2009» (Екатеринбург, 2009), XVI Международной экологической конференции «Экология России и сопредельных территорий» (Новосибирск, 2011).
Предложенные композиции реагентов прошли промышленные испытания и внедрены в системах оборотного водоснабжения, работающих на технической и умягченной воде ОАО «Северский трубный завод», ОАО «Ижсталь», «Березовский электрометаллургический завод». Разработаны проекты реконструкции оборотных систем водоснабжения других предприятий. Экономический эффект согласно актам внедрения «КИСК» на ОАО «Ижсталь» составил 1188,28 тыс. руб./год, ХК «Нитон» - 980 тыс. руб.
Публикации. Основное содержание работы отражено в 13 тезисах докладов, в одном патенте и в четырех статьях, опубликованных в изданиях, рекомендуемых ВАК РФ. Общий объемом публикаций равняется 1,75 п.л., в т.ч. лично автором - 1,4 п.л.
Личный вклад соискателя заключается: в постановке цели и задач диссертационных исследований, проведении исследований, обработке и анализе полученных результатов и написании выводов.
На защиту выносятся следующие основные положения:
закономерности влияния цинковых комплексонатов ГМДТФ на скорость коррозии в системах оборотного водоснабжения;
закономерности ингибирования коррозии стали, кристаллизации малорастворимых солей и биообрастаний медно-цинковыми комплексона-тами органофосфонатов;
особенности влияния низкомолекулярных полимеров и композиций на их основе на процессы коррозии и кристаллизации малорастворимых солей;
- результаты опытно-промышленных испытаний комплексного ингибитора солеотложений, коррозии и биообрастаний.
Структура и объем работы. Диссертация изложена на 193 с. машинописного текста, включает в себя введение, пять глав, выводы, библиографический список из 179 наименований и 7 приложений. Работа изложена на 154 страницах основного текста, содержит 52 рисунка и 46 таблицы.
