IV Международный конкурс
научно-исследовательских и творческих работ учащихся
«СТАРТ В НАУКЕ»
 
     

ИССЛЕДОВАНИЕ ВОЗМОЖНОСТИ ПРИМЕНЕНИЯ СТЕКЛОВИДНЫХ ФОСФАТНЫХ КОМПОЗИЦИЙ ДЛЯ ОБРАБОТКИ ВОДЫ ПОСЕЛКА СМЕЛОВСКИЙ С ЦЕЛЬЮ ЗАЩИТЫ ЭЛЕМЕНТОВ СИСТЕМ ВОДОСНАБЖЕНИЯ ОТ КОРРОЗИИ И СОЛЕОТЛОЖЕНИЙ
Яковлева А.С., Колычева А.А., Озеров И.В., Полецкова А.Ю.
Текст научной работы размещён без изображений и формул.
Полная версия научной работы доступна в формате PDF


ВВЕДЕНИЕ

Ни в Бухаресте, ни в Маниле,

пройди под солнцем все пути,

воды вкуснее, чем в Магнитке,

на белом свете не найти…

(Владимир Машковцев)

Водоснабжение поселка Смеловский Верхнеуральского района (поселок находится на 15 км от города Магнитогорска) и осуществляется с насосной станции г. Магнитогорска.

Вода – это незаменимое природное богатство на планете, которое обеспечивает существование животного и растительного миров, способствует созданию естественных условий для жизнедеятельности человека. Вода занимает около 71 % поверхности всей планеты, доля пресной воды составляет около 2,5%. Вода является необходимым компонентом практически для всех технологических процессов в промышленных, сельскохозяйственных производствах. В связи этим на территории России наблюдается несколько проблем водопользования:

  1. чрезмерное загрязнение водных объектов.

Является одной их самых главных проблем водопользования Российской Федерации. Ежегодно происходят аварийные сбросы загрязненных вод в результате аварий на очистных сооружениях и незаконные сбросы сточных вод, соответственно без необходимой предварительной очистки в ночное время. Это приводит к тому, что поверхностные и подземные воды в размере 35 % не соответствуют установленным стандартам;

  1. износ и низкое техническое состояние гидротехнических сооружений и водопроводно-канализационного хозяйства.

Большинство напорных гидротехнических сооружений являются потенциально опасными для жизни населения и экономики страны. Состояние гидротехнических сооружений постоянно ухудшается, это связано с их физическим износом. Средний процент износа приближается к 50 %. В Российской Федерации аварийность гидротехнических сооружений превышает среднемировой показатель;

  1. недостаточная эффективность использования водных ресурсов.

К основным факторам, оказывающим негативное влияние на уровень рациональности использования водных ресурсов Российской Федерации, можно отнести: применение устаревших водоемких производственных технологий; высокий уровень потерь водных ресурсов при транспортировке; недостаточная степень оснащенности водозаборных сооружений системами приборного учета.

Практически во всех областях техники, промышленности и быта приходится сталкиваться с проблемой защиты металлов от коррозии и солеотложений (накипи). Особые проблемы возникают, если защищаемый объект – системы горячего водоснабжения, так как агрессивной средой в этом случае выступает вода. К горячему водоснабжению относятся установки и системы, в которых вода нагревается и подается к водозаборным кранам потребителей. Системы горячего водоснабжения – это дорогостоящие устройства, срок службы которых определяется в основном коррозионной стойкостью трубопроводов (в настоящее время износ водопроводных труб в коммунальном хозяйстве России достигает 80 %). Основными причинами нарушения работоспособности систем горячего водоснабжения являются коррозионное разрушение стенок труб и уменьшение проходных отверстий в них из-за отложения растворенных в воде солей жесткости. При эксплуатации водонагревательных приборов в воду могут поступать продукты коррозии, ухудшающие ее потребительские свойства, а на поверхности нагревательных элементов образуется слой солей жесткости, особенно из горячей воды, снижая теплоотдачу. Вследствие этого увеличивается расход электроэнергии, повышается температура металлических частей нагревательного элемента и уменьшается срок службы водонагревательных приборов.

В настоящее время для защиты систем горячего водоснабжения от коррозии и солеотложений используются различные методы (неметаллические и металлические покрытия, электрохимическая защита и т.д.). Анализ многочисленных литературных источников и практическое состояние систем водоснабжения показал, что наиболее эффективным способом решения указанных выше проблем является химическая обработка воды ингибиторами коррозии и солеотложений. Среди ряда ингибиторов коррозии и солеотложений, которые можно применять при подготовке воды, наибольшее внимание заслуживают производные фосфорной кислоты — фосфаты. Фосфат-ионы, введенные в воду даже в небольших количествах, способствуют уменьшению скорости коррозии водо-подающих систем и уменьшению отложений солей жесткости на их поверхностях.

Наиболее удачной в качестве ингибитора коррозии и солеотложений на основе фосфатов является стекловидная фосфатная композиция, составы которой запатентованы.

Настоящая научно-исследовательская работа предпринята с целью расширения сферы применения стекловидной фосфатной композиции для защиты систем горячего водоснабжения и бытовых приборов (например, элементов водонагревателей, барабанов стиральных и посудомоечных машин, и т.п.) от коррозии и солеотложений в условиях поселка Смеловский Верхнеуральского района.

Актуальность темы научно-исследовательской работы заключается в улучшении качества воды и проводится в рамках года экологии (2017 г.).

Задачами научно-исследовательской работы являются:

1) обзор химических методов обработки воды;

2) обзор свойств фосфатных стекол;

3) исследование потребительских свойств стекловидной фосфатной композиции (СФК), а именно, растворимости в различных источниках воды (начало, центр, окраина поселка Смеловский) при комнатной температуре;

4) изучение механизма защитного действия СФК;

5) знакомство с технологией изготовления и применения СФК;

6) исследование возможности применения СФК в условиях поселка.

1 Литературный обзор
  1.  
    1. Химические методы обработки воды

Вода природных источников питьевого водоснабжения, как правило, не соответствует гигиеническим требованиям к питьевой воде и требует перед подачей населению подготовки — очистки и обеззараживания. Рассмотрим основные химические методы обработки воды (рисунок 1).

Рисунок 1 – Химические методы обработки воды

Ионообменная технология – самая применяемая сегодня для умягчения и деминерализации воды. Ионообменный метод обработки воды применяют для обессоливания и очистки воды от ионов металлов и других примесей. Сущность ионного обмена заключается в способности ионообменных материалов забирать из растворов электролита ионы в обмен на эквивалентное количество ионов ионита. К ионообменным методам обработки воды можно отнести: катионирование (применяется для извлечения растворенных катионов из воды), анионирование (применяется для извлечения растворенных анионов из воды), декарбонизация воды (метод заключается в удалении оксида углерода, выделяющегося в процессах водород-катионирования и анионирования), деминерализация воды (метод предназначен для уменьшения минерализации воды, в том числе общей жесткости, общей щелочности, содержания кремниевых соединений).

Озонирование воды применяется для обеззараживания питьевой воды, воды плавательных бассейнов, сточных вод и т.д., позволяя одновременно достигнуть обесцвечивания, окисления железа и марганца, устранения привкуса и запаха воды и обеззараживания за счет весьма высокой окисляющей способности озона.

Деманганация перманганатом калия применима как для поверхностных, так и для подземных вод. Перманганат калия обеспечивает удаление из воды не только марганца, но и железа в различных формах. Также удаляются запахи и за счет сорбционных свойств улучшаются вкусовые качества воды.

Ионообменные методы обработки воды требуют специального оборудования, заполнения специальными реагентами, которые постепенно «засоряются» солеотложениями из воды, поэтому реагенты нужно по мере необходимости восстанавливать дополнительными растворами: в лучшем случае, раствором NaClи частичной добавкой свежих порций реагентов. Деманганация перманганатом калия становится все более недоступной, так как в настоящее время стоимость перманганата калия высока, а его расход большой. При озонировании наблюдается усиление процесса коррозии металлических деталей, как трубопроводов, так и оборудования [1].

Метод обработки воды фосфатной композицией хорошо зарекомендовал себя в лабораторных и полупромышленных испытаниях. Исследования показали, что агрессивность воды, обработанной фосфатной композицией, снижается в 3-5 раз, а количество солеотложений - в 5-7 раз по сравнению с водой без композиции. Для защиты от коррозии применяются фосфатные композиции, которые состоят из многокомпонентной смеси фосфатов некоторых металлов. В готовом виде представляют фосфатное стекло [2-13].

Комплексообразующая способность полифосфатов заключается в том, что в результате этого процесса ионы Ca2+ и Mg2+, обусловливающие жесткость воды, оказываются в составе более сложных структурных соединений, из-за чего теряется их обычная реакционная способность и не образуется осадка с агентами, осаждающими эти ионы, В присутствии достаточного количества фосфатов соли жесткости прежде всего соединяются в водорастворимые комплексы, например Na3[Ca(P3O10)], вследствие чего предотвращается образование нерастворимых кальциевых солей, сорбируемых тканями. Возникающие при стирке зародыши кристаллов углекислого кальция (CaCO3) за счет явлений адсорбции обволакиваются фосфатами что препятствует росту кристаллов и их осаждению. Далее полифосфаты оказывают пептизирующее и диспергирующее воздействие на кальциевые соли, предотвращая образование крупных, выделяющихся из раствора, частиц [2-13].

1.2 Классификация стекол

Стеклом называются все аморфные тела, получаемые путем переохлаж­дения расплава независимо от их состава и температурной области за­твердевания и обладающие в результате постепенного увеличения вяз­кости механическими свойствами твердых тел, причем процесс перехода из жидкого состояния в стеклообразное должен быть обратимым.

Из определения следует, что в стеклообразном состоянии могут нахо­диться вещества, принадлежащие к разным классам химических соеди­нений.

Органические стекла представляют собой органические полимеры-полиакрилаты, поликарбонаты, полистирол, сополимеры винилхлорида с метилметакрилатом, — находящиеся в стеклообразном состоянии. Наибольшее практическое применение нашли стекла на основе полиметил-метакрилата. По своей технологии, механизму твердения и строению ор­ганические стекла существенно отличаются от неорганических и состав­ляют особый объект изучения.

Многовековая история стеклоделия связана с изготовлением сили­катных стекол, основывающихся на системе Na2O—СаО—SiO2. Только во второй половине XX в. было показано, что натрий-кальций-силикатные стекла составляют небольшую часть безграничного мира неоргани­ческих стекол.

По типу неорганических соединений различают следующие классы стекол: элементарные, галогенидные, халькогенидные, оксидные, метал­лические, сульфатные, нитратные, карбонатные и другие [14].

Элементарные стекла способны образовывать лишь небольшое число элементов — сера, селен, мышьяк, фосфор, углерод.

Стеклообразные — серу и селен, удается получить при быстром переохлаждении расплава; мышьяк — методом сублимации в вакууме; фос­фор—при нагревании до 250 °С под давлением более 100 МПа; угле­род—в результате длительного пиролиза органических смол. Промыш­ленное значение находит стеклоуглерод, обладающий уникальными свойствами, превосходящими свойства кристаллических модификации углерода: он способен оставаться в твердом состоянии вплоть до 3700 °С, имеет низкую плотность порядка 1500 кг/м3, обладает высокой механи­ческой прочностью, электропроводностью, химически устойчив.

Галогенидные стекла получают на основе стеклообразующего ком­понента BeF2. Многокомпонентные составы фторбериллатных стекол со­держат также фториды алюминия, кальция, магния, стронция, бария. Фторбериллатные стекла находят практическое применение благодаря высокой устойчивости к действию жестких излучений, включая рентге­новские лучи, и таких агрессивных сред, как фтор и фтористый во­дород.

Халькогенидные стекла получают в бескислородных системах типа As—J (где Z—S, Se, Te), Ge—As—X, Ge—Sb—X, Qe—P—X и др. Халь­когенидные стекла имеют высокую прозрачность в ИК-области спектра, обладают электронной проводимостью, обнаруживают внутренний фото­эффект. Стекла применяются в телевизионных высокочувствительных камерах, в электронно-вычислительных машинах в качестве переключа­телей или элементов запоминающих устройств.

Оксидные стекла представляют собой обширный класс соединении. Наиболее легко образуют стекла оксиды SiO2, GeO2, ВгО3, P2O5.

Стек­ла получают названия по виду стеклообразующего оксида: силикатные, боратные, фосфатные, германатные и т.д. [14].

1.3 Фосфатные стекла

Своим названием фосфатные стекла обязаны химическому составу — для изготовления фосфатного стекла применяются соединения фосфора (фосфаты) и оксиды.

Ультрафосфатные стекла. Наличие оксида стронция в ультрафосфатном стекле способствует организации тетраэдров в 14-членные кольца, содержащие восемь тетраэдров с двумя мостиковыми атомами кислорода и шесть тетраэдров с тремя мостиковыми атомами кислорода. В результате каждое кольцо имеет внешние связи, с помощью которых соединяется с другими структурными группировками, образуя слои или сетки. Из данной группы ультрафосфатных стекол стронциево-фосфатное стекло имеет наиболее связанный массив, что приводит к более высокой каркасной прочности. Кроме того, при рассмотрении прочности анионного мотива необходимо учитывать, что связь между анионными группировками осуществляется катионами оксида-модификатора, силовое поле которых обусловливает способность основных структурных единиц в анионной сетке (анионы РО43-) к поворотам, от чего в свою очередь зависит модуль упругости. Поскольку катионы La3+ cклонны прочно связываться с кислородом аниона, они, как сильные катионы-модификаторы, способствуют стабилизации анионного мотива, образовывая за счет донорно-акцепторного взаимодействия тетраэдры LaO4, что приводит к возникновению смешанной анионной сетки.

Метафосфатные стекла. Введение Al2O3 в фосфатные стекла нередко приводит к повышению каркасной прочности. Это, по-видимому, связано с тем, что ионы Al3+ встраиваются в каркасную структуру стекла, повышая тем самым связанность анионного мотива.

Цинково-алюмофосфатное стекло может иметь своеобразную пространственную анионную сетку, степень связанности которой зависит от соотношения основных компонентов стекла. Эта сетка, очевидно, является неполностью связанной вследствие того, что связь Zn–O значительно слабее, чем связи Al–O и Р–О. Этим объясняется то, что каркасная прочность цинково-алюмофосфатных стекол значительно ниже прочности кварцевого стекла [15].

   Выделяют классы силикатных, боратных, фосфатных, германатных, теллуритных, ванадатных и других стекол. Каждый из классов, в свою очередь, подразделяется на группы в зависимости от природы представленных в составе стекла оксидов типа Ме2О3, МеО2, Ме3О4, МеО3, многие из которых в чистом виде не стеклуются, однако в комбинации с типичными стеклообразователями могут служить основой самостоятельных классов стекол [16].

Гатч, исследовавший возможность защиты фосфатами изделий, детали которых выполнены из разных металлов, считает, что аморфный гексаметафосфат натрия (так называемое фосфатное стекло) замедляет коррозию стали, соприкасающейся с медью, главным образом вследствие увеличения катодной поляризации, которая вызывает изменение потенциала меди. При этом на меди отлагается стекловидный фосфат, что, естественно, уменьшает растворение стали  [17].

В области оптического материаловедения известно изобретение люминесцирующего оптического фосфатного стекла на основе калиевобариевоалюмофосфатной системы, активированного неодимом, с минимальным концентрационным тушением люминесценции (высоким квантовым выходом люминесценции), пониженным значением нелинейного показателя преломления, улучшенными термооптическими характеристиками и низкой склонностью к кристаллизации, позволяющей получать крупногабаритные заготовки традиционными методами. Оптическое фосфатное стекло включает, в мас.%: P2O5 55-65, ВаО 8-12, K2O 10-15, SiO2 1-4, Al2O3 5-10, B2O3 2-6, Nd2O3 0,1-4,5. Данное стекло обладает высокими значениями сечения вынужденных переходов (не менее чем σ=3.5·10-20 см2) и времени затухания люминесценции, при этом имеет низкий показатель поглощения на длине волны излучения не более а1053=0.00094 см-1. Технология получения заявляемого оптического фосфатного стекла осуществляется по двухстадийной технологической схеме. На первой стадии происходит варка фритты в электрической печи шахтного типа в кварцевом сосуде объемом 4 литра с размешиванием расплава кварцевой мешалкой. На второй стадии проводится перевар полученной фритты в индукционной установке в платиновом тигле объемом 5 литров с перемешиванием расплава платиновой двухлопастной мешалкой и выработкой стекломассы в блок через донный патрубок [18].

1.4 Структура фосфатного стекла

Стекло — физико-химически — твёрдое тело, структурно — аморфно, изотропно; все виды стёкол при формировании преобразуются в агрегатном состоянии — от чрезвычайной вязкости жидкого до так называемого стеклообразного — в процессе остывания со скоростью, достаточной для предотвращения кристаллизации расплавов, получаемых плавлением сырья (шихты). Температура варки стёкол, от 300 до 2500 °C, определяется компонентами этих стеклообразующих расплавов (оксидами, фторидами, фосфатами и др.). Прозрачность (для видимого человеком спектра) не является общим свойством для всех видов, существующих как в природе, так и в практике стёкол [19].

Вещества в твердом состоянии при обычной температуре и давлении могут иметь кристаллическое или аморфное строение. В природе наиболее распространены кристаллические твердые вещества, для структуры которых характерен геометрически строгий порядок расположения частиц (атомов, ионов) в трехмерном пространстве. Кристаллическое состояние является стабильным при обычных условиях и характеризуется наиболее низкой внутренней энергией. Твердые кристаллические вещества имеют четкие геометрические формы, определенные температуры плавления, в большинстве случаев проявляют анизотропию, т.е. их физические свойства (показатель преломления, теплопроводность, скорости растворения и роста кристаллов и др.) неодинаковы при измерении в различных направлениях.

Стеклообразное состояние вещества представляет собой аморфную разновидность твердого состояния. Стеклообразное состояние является метастабильным, т. е. характеризуется избытком внутренней энергии. Пространственное расположение частиц вещества, находящегося в стеклообразном состоянии, является неупорядоченным, что подтверждается результатами рентгеноструктурных исследований.

Согласно законам химической термодинамики, переход веществ из стеклообразного состояния в кристаллическое должен осуществляться самопроизвольно, однако высокая вязкость твердых веществ делает невозможным поступательное движение частиц, направленное на перестройку структуры. В твердых телах частицы совершают только колебательные движения относительно положения равновесия.

Фосфатные стекла построены из тетраэдров [PО4]. Один из атомов кислорода тетраэдра не может участвовать в образовании связи с другими компонентами структуры из-за наличия двойной связи фосфор — кислород. В структуре фосфатных стекол мостиковыми могут быть толь­ко три атома кислорода фосфор-кислородного тетраэдра (рисунок 2).

В этом отно­шении структура Р203 отличается от структур других стеклообразователей, у которых все атомы кислорода мостиковые. Пространственная структура фосфатных стекол может состоять из

Рисунок 2 - Схематическое изображение сочленения тетраэдров в структуре кристаллического (а) и стеклообразного (б) вещества

колец различного размера, об­разованных чередующимися атомами фосфора и кислорода, лент или цепочек из тетраэдров [РО4].

Результаты рентгеноструктурного анализа показывают, что струк­тура двойных фосфатных стекол подобна структуре двойных силикат­ных стекол по следующим двум параметрам: структурной основной единицей являются тетраэдрические элементокислородные группировки; с добавлением модифицирующих оксидов растет число не мостиковых атомов кислорода [14,15,19-22].

1.5 Варка стекла

Варка стекла — наиболее сложный и ответственный этап в производстве стекла. В процессе варки отдельные компоненты шихты претерпевают следующие изменения.

Важнейшее достоинство стекольной технологии состоит в том, что она позволяет получать в твердом состоянии вещества с нестехиометрическим соотношением компонентов, которые не существуют в кристалличе­ском состоянии. Более того, свойства стекол удается плавно регулиро­вать в нужном направлении путем постепенного изменения состава [19].

Традиционная технология получения стекол включает переохлажде­ние расплава до твердого состояния без кристаллизации. На этом спо­собе основана мировая промышленная технология производства стекла.

Создание технических устройств, позволяющих отводить тепло с бо­лее высокой скоростью, расширяет число веществ, которые удается по­лучить в стеклообразном состоянии путем охлаждения расплава.

Реакцию обезвоживания проводят при низких температурах (для того, чтобы избежать интенсивного вскипания и разбрызгивания); при этом выделяются CO2 и основное количество воды. Затем, при ~1000 °С или при более высокой производят удаление пузырей и остатков воды (полностью ее удалить не удается). Варка стекол из фосфорной кислоты не может производиться в платиновых тиглях, поскольку платина разъедается такими расплавами ещё на стадии разложения фосфорной кислоты. Использование метафосфатов допускает использование платиновых тиглей, однако необходимы гарантии химического состава этих веществ (использование солей аммония также недопустимо). Эти правила должны знать все, кто работает с фосфатными стеклами. При варке в платине возможны примеси платины в стекле порядка 0,001 мас. % [20].

Шихта в стекловаренной печи при высокой температуре претерпевает раз­нообразные превращения. При сравнительно низких температурах (~400 °С) между материалами шихты начинаются химические реакции. По мере дальнейшего нагревания в шихте появляется рас­плав различных эвтектик и солей. Образовавшиеся фосфаты и остатки непро­реагировавших компонентов цементируются в плотный спек - это первая варка стекла.

При последующем повышении температуры, содержащиеся в спеке фосфаты, расплавляются и растворяются одни в других. Образуется пенистый и не­прозрачный расплав, пронизанный частицами материалов шихты и пузырьками газов, выделяющихся при реакциях.

Постепенно твердые остатки шихты растворяются в расплаве, пена исче­зает и образуется прозрачная стекломасса. Это вторая стадия стекловарения —стеклообразование. Наконец, стекломассу нужно охладить [19].

1.6 Способы изготовления фосфатных стекол

Способ включает подготовку стекольной шихты на основе оксидов и солей металлов, варку шихты и выработку стекломассы.

Получение стекловидных фосфатов натрия в области составов, расположенных между метафосфатом и тетраполифосфатом, относительно несложно. Исходные материалы плавят обычно в платиновом тигле при температурах, находящихся выше линий ликвидуса и несколько ниже 1000 ˚С. Затем плав выливают на охладительную форму, изготовленную из меди или другого металла с хорошей теплопроводностью и охлаждаемую водой, если последовательно готовят несколько препаратов. Стекла, содержащие Na2O больше, чем это соответствует составу тетраполифосфата (~ 60,5 % Р2О5), для предотвращения кристаллизации следует очень быстро охлаждать.

Чтобы получить стекло, отвечающее составу триполифосфата, необходимо быстро поместить расплав между двумя охладительными пластинами и затем немедленно прижать их одна к другой. В этом случае охладительные пластины должны быть изготовлены из толстых листов меди или серебра.

Приготовление стекловидных фосфатов, содержащих больше Na2O, чем это отвечает составу триполифосфата, следует осуществлять методами, предусматривающими значительно более острое охлаждение, чем при обычных способах закалки. Поскольку стекловидные фосфаты натрия состоят из смеси Na2O и Р2О5 и содержат только следы других ингредиентов, для их приготовления можно использовать любое сырье, нагревание которого приводит к образованию только Na2O и Р2О5. Так, стекла с молярным отношением Na2O/ Р2О5 боль­шим, чем — 0,9, можно приготовить из таких смесей, как:

1) Na2СОз+НзРО4;

2) NaPОз-I+Na4P2O7;

3) Na2О+P2O5;

4) NaCl+H3PO4, особенно при продувании пара сквозь плав для удаления остаточного хлорида в виде НСl;

5) Na (NH4) HPO4 +Na2CO3 (если нужно);

6) Na34 или Na2HPO4+NH4H2PO4.

Если стекла с молярным отношением Na2О/P2О5, точно равным еди­нице, готовят просто плавлением однозамещенного ортофосфата натрия при температуре 700 °С, средняя длина цепи обычно колеблется в пределах 20—50, что объясняется влиянием остаточной воды. Чтобы получить стекла с боль­шей длиной цепи, расплав следует нагревать долго. Есть и другой способ — попеременное нагревание расплава выше температуры кристаллизации и охлаждение его ниже этой температуры. В этих условиях некоторое количество выделяется как бы со взрывом всякий раз, когда начинаете кристаллизация. Наибольшее значение длины цепи, найденное в образцах соли Грэма, лежит в пределах 250—500 атомов фосфора в цепи. Цепи такойдлины были получены выдерживанием расплава примерно в течение месяцав температурном интервале 700—800 °C, либо многократным чередованием на­гревания до 700 °C и охлаждения до 500 °C в течение нескольких суток. Надежные данные показывают, что длина цепи полифосфатных стекол заметно не зависит от температуры расплава или скорости его охлаждения, если только эта скорость достаточно велика, чтобы не наступила кристаллизация.

Конечные вещества должны казаться аморфными при рентге­новском исследовании и не должны содержать очень мелких кристаллов. Эти условия достигаются, если свежеприготовленное стекло выглядит совершен­но прозрачным и чистым. Помехой к выдерживанию стекол в расплавленном состоянии в течение длительного времени является их агрессивность даже по отношению к платине.

Стекловидные фосфаты натрия с молярным отношением Na2O/P2O5 меньшим ~0,9 обладают довольно значительным парциальным давлением паров P2O5, а также большой склонностью к абсорбции паров воды в расплав­ленном состоянии, поэтому их следует получать в запаянных трубках или бомбах. Стекловидные ультрафосфаты натрия были приготовлены в ампулах из стекла «викор» и в запаянных стальных бомбах как с обкладкой из плати­ны, так и без нее (платиновую обкладку следует отделить от стали слоем керамики) [19].

Таким образом, в литературных источниках приводятся способы изготовления лишь некоторых стекловидных монофосфатов, чаще всего натриевых, изготовление которых не вызывают особых затруднений.

Изготовление многокомпонентных фосфатных стекол - более сложный процесс, что было учтено при изготовлении опытно-промышленных образцов фосфатного стекла (СФК) запатентованных составов [2-4].

2 Экспериментальная часть 2.1 Общая характеристика научно-исследовательской работы

Стекловидная фосфатная композиция (СФК) запатентованных составов [4], (рисунок 3) является ингибитором коррозии и солеотложений, обладает свойством регулируемой растворимости в воде, которая задается ей в процессе изготовления. Внешний вид СФК представлен на рисунке 4.

Рисунок 3 – Патент на изобретение защитной композиции 2017 года

Рисунок 4 – Образцы СФК

Комбинации фосфатов, различия условий изготовления позволяют получить СФК сложного химического состава: от олигофосфатов до длинноцепочечных поли-, мета- и ультрафосфатов. Это обеспечивает одновременное проявление комплекса новых свойств, заключающихся, по мнению авторов, в следующем:

- в образовании на металлической поверхности защищаемых систем водоснабжения прочной антикоррозионной пленки с самовосстанавливающейся функцией. Это достигается за счет того, что длинноцепочечные фосфаты обладают высокой адгезией к поверхности металла и прочно закрепляются на ней. Гидрофобные компоненты СФК способствуют дополнительному упрочнению пленочного покрытия на поверхности металла. И, хотя защитная пленка под напором воды будет частично смываться, поступающие новые порции фосфатов будут прикрепляться к уже закрепленным на поверхности металла слоям защитной пленки активными концевыми радикалами молекул фосфатов. В результате пленочное покрытие постоянно восстанавливается;

- в предотвращении отложений солей жесткости из горячей воды (накипи) в результате того, что заряженные ионы СФК, имеющиеся в воде даже в небольших количествах (до 5 мг/дм3), адсорбируются на поверхности микрокристаллов солей жесткости и препятствуют их слипанию в более крупные кристаллы. Легкие микрокристаллы находятся в воде во взвешенном состоянии (коллоидный раствор) и легко транспортируются напором воды по трубопроводу и запорной арматуре.

Данный механизм действия СФК объясняет также причину растворения старых отложений солей жесткости на внутренней поверхности систем водоснабжения. Ионы СФК способствуют пептизации накипи, в результате чего ее размельченные частицы переходят в воду, образуя легкоподвижный коллоидный раствор.

При изготовлении СФК используются различные исходные компоненты известного химического состава. Исходные компоненты претерпевают различные химические превращения, поэтому, необходимо, во-первых, знать состав готового изделия, чтобы сопоставить его с составом исходных компонентов для корректировки состава СФК. Во-вторых, в процессе обработки воды СФК, необходимо контролировать равномерность его растворимости по различным компонентам.

Из предыдущих работ по исследованию СФК [2-13] известно, что в первую очередь авторы исследовали влияние природы катиона на растворимость СФК в холодной воде. Выбор остановили на катионах натрия, кальция, которые не только не ухудшают, но и улучшают свойства воды. В процессе исследования было замечено, что наибольшей степени регуляции по растворимости можно достичь при использовании СФК в стекловидной форме. СФК получали смешиванием различных количеств (по содержанию катионов) фосфатных соединений указанных выше катионов или их смесей с последующим расплавлением и охлаждением при прочих равных условиях.

2.2 Исследование растворимости СФК в воде поселка Смеловский

Команда исследователей МОУ СОШ «Смеловская школа» (рисунок 5) исследовала возможность применения СФК для обработки воды поселка Смеловский и начала свои исследования с важного показателя СФК – растворимости.

Рисунок 5 – Исследователи МОУ СОШ «Смеловская школа»

Растворимостью называется способность вещества растворяться в том или ином растворителе. Мерой растворимости вещества при данных условиях служит содержание его в насыщенном растворе. Поэтому численно растворимость может быть выражена теми же способами, что и состав, например, процентным отношением массы растворенного вещества к массе насыщенного раствора или количеством растворенного вещества, содержащимся в 1 дм3 насыщенного раствора. Насыщенный раствор - раствор, находящийся при данных условиях (температура, давление) в устойчивом равновесии с растворённым веществом [23].

Растворимость СФК является одним из важнейших параметров, от которого зависит образование устойчивой фосфатной пленки на защищаемой поверхности.

Для исследования потребительских свойств СФК проводили отбор проб воды из водопроводной системы поселка Смеловский в начале поселка, в центре и на окраине для определения общей и карбонатной жесткости.

Для исследования растворимости СФК опытные образцы, предварительно взвесив на аналитических весах с точностью до 0,00001 г, выдерживали в течение суток в 1 дм3 исследуемой воды (рисунок 6).

Рисунок 6 – Исследование растворимости СФК в воде поселка Смеловский

Затем образцы СФК взвешивали на аналитических весах и определяли растворимость опытных образцов по потере массы в сутки (рисунок 7).

Рисунок 7 – Взвешивание образцов СФК на аналитических весах

Рассчитывали растворимость образцов СФК S, мг/дм3, по формуле

, (1)

где mнач – начальная масса образцов композиции, г;

mкон – конечная масса образцов композиции, г;

Vводы – общий объем воды, омываемый образцы в течение времени испытания, дм3.

Общую и карбонатную жесткость воды определяли комплексонометрическим методом [24]. Метод основан на том, что ионы кальция и магния связываются трилоном Б и хлороводородной кислоты в комплексные соединения (рисунок 8).

Рисунок 8 – Подготовка образцов воды для определения жесткости воды комплексонометрическим методом

Общую жесткость воды Жо, моль-экв/м3 вычисляли по формуле

, (2)

где V1 – объем раствора трилона Б (ЭДТА), израсходованный на титрование, см3;

V – объем исследуемой воды, см3;

0,02 – молярная концентрация эквивалента раствора трилона Б, моль-экв/дм3.

Карбонатную жесткость воды Жк, моль-экв/м3 определяли по формуле

, (3)

где V1 – объем раствора хлороводородной кислоты, израсходованный на титрование, см3;

V – объем исследуемой воды, см3;

Сэкв – молярная концентрация эквивалента раствора хлороводородной кислоты, равная 0,01 моль-экв/дм3.

Результаты испытаний приведены в таблице.

Таблица – Растворимость опытных образцов СФК при комнатной температуре в водопроводной воде поселка Смеловский

Источник воды

Жесткость карбонатная, моль/м3:

Масса СФК, г:

Растворимость* СФК:

до обработки СФК

после обра-ботки СФК

Нача-льная

Конеч-ная

Измене-ние массы СФК,

∆m, г

S, мг/дм3

Начало поселка Смеловский (ул. Ленина, 10)

7,0

7,0

4,36655

4,36380

0,00275

2,75

Центр поселка Смеловский (пер. Братьев Кашириных, 6)

7,0

7,0

3,63280

3,62855

0,00425

4,25

Окраина поселка Смеловский (Молодежная, 6/2)

7,0

7,0

3,30650

3,30335

0,00315

3,15

* - средние значения растворимости СФК получены в результате двух определений.

По результатам испытаний, приведенных в таблице, можно сделать следующие выводы:

- солеотложения (накипь) из воды поселка Смеловский образуется из-за ее высокой общей и карбонатной жесткости;

- растворимость образцов СФК не превышает санитарно-гигиенической нормы для пожарно-питьевой воды и не влияет на показатели жесткости воды;

- обработка воды СФК стабилизирует минеральный состав воды и улучшает ее качество за счет модифицирующих добавок цинка (бесцветные прозрачные образцы) и меди (образцы голубого цвета);

- обработка воды СФК приводит к снижению коррозии и солеотложений (накипи) на элементах систем водоснабжения за счет образования защитной фосфатной пленки на внутренней поверхности труб и нагревательных элементов и предотвращения слипания частиц солеотложений в крупные конгломераты и выпадения в виде осадка.

- обработка воды СФК приводит к защите элементов систем водоснабжения от гнилостных образований и эвтрофикации («цветения») воды.

2.3 Технология изготовления и применения СФК

Технология изготовления СФК подробно описана в патенте [4], опробована в лабораторных условиях и при приобретении необходимого оборудования может быть реализована в условиях МОУ СОШ «Смеловская школа» и способствовать продвижению СФК на потребительский рынок.

Технология применения СФК может заключаться в установке фильтров, вмонтированных в водопроводную систему перед входом в водонагреватель. В водонагреватель, например, объемом 100 дм3, поступает проточная холодная вода, которая предварительно проходит через фильтр с образцами СФК (рисунок 9).

Рисунок 9 – Фрагмент водонагревательной системы

с фильтром для образцов СФК

Таким образом, результаты исследования показали, что обработка водопроводной воды СФК запатентованных составов, имеющей среднюю одинаковую общую и карбонатную жесткость, может быть рекомендована в целях защиты элементов систем водоснабжения от коррозии, солеотложений, гнилостных бактерий и эвтрофикации. Технология изготовления и применения СФК может быть реализована в МОУ СОШ «Смеловская школа» при приобретении необходимого оборудования.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Стекловидная фосфатная композиция (СФК) запатентованных составов представляет собой прозрачные грануляты от бесцветных до слабоокрашенных.

СФК предназначена для обработки воды на предприятиях тепловой энергетики, объектах ЖКХ, металлургической промышленности, бытовых нагревательных устройств и т.д. с целью улучшения ее качества, а именно:

- снижение скорости коррозии металлических поверхностей, соприкасающихся с такой водой;

- уменьшение количества солеотложений на поверхности из любого материала из горячей и холодной воды;

- защита любых поверхностей от гнилостных бактерий и эвтрофикации.

Применение СФК позволяет увеличить срок службы элементов систем водоводов и стабилизирует работу нагревательных элементов.

К преимуществам СФК относятся:

- СФК экологически безопасна, негорюча, невзрывоопасна, удобна в применении;

- ограниченно-постоянная растворимость в воде, задаваемая в процессе изготовления, в зависимости от свойств обрабатываемой воды, ее планируемого расхода и температуры, что способствует поддержанию концентрации СФК в необходимых пределах без использования дозирующих устройств;

- водные растворы СФК имеют нейтральную реакцию среды;

- агрессивность воды, обработанной СФК, снижается в 3-5 раз, а количество солеотложений в 5-7 раз по сравнению с необработанной водой;

- стабилизирует минеральный состав воды.

СФК имеет различные модификации и в зависимости от температуры обрабатываемой воды. Для каждой модификации растворимость СФК определяется ее составом и ограничена интервалом от 2 до 5 мг/дм3. Расход соответствующей модификации СФК зависит от объема, состава воды и состояния обрабатываемого объекта.

Технология изготовления СФК достаточно отработана в лабораторных условиях и при приобретении необходимого оборудования может быть применена для дальнейшего продвижения СФК на потребительский рынок.

Применение СФК целесообразно начинать с обработки новых (чистых) поверхностей объектов. В этом случае на поверхности формируется тонкая защитная пленка постоянной толщины.

При наличии старых солеотложений (накипи и продуктов коррозии) в системах, формирование защитной пленки на поверхности начинается не сразу, а только после удаления их с поверхности за счет воздействия композиции. Время очистки может варьироваться от нескольких дней до нескольких месяцев в зависимости от количества солеотложений, их состава (содержание оксидов/гидроксидов железа, карбонатов, сульфатов) и плотности. Процесс очистки идет автоматически и не требует специального контроля.

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ
  1. Яковлев, С. В Водоотведение и очистка сточных вод [Текст]: Учебник для вузов / С. В. Яковлев, Ю. В. Воронов: - М.: АСВ, 2002 - 704 с.

  2. Пат. 2303084 Российская Федерация. Композиция для защиты от коррозии и солеотложений систем водоснабжения и водоотведения / Б. А. Никифоров, З.И. Костина, Г.С. Слобожанкин, С.А. Крылова, В.Ф. Костин, И.В. Понурко. - Опубл. БИПМ №20, 2007. - с. 439-440.

  3. Пат. 2535891 РФ, C23F 11/18. Композиция для защиты систем водоснабжения и водоотведения / З.И. Костина, С.А. Крылова, В.Ф. Костин, И.В. Понурко. Заявл. 16.10.2013; Опубл. 20.12.2014. Бюл. № 35.

  4. Пат. 2634109 МПК С23F 11/18 Защитная композиция / И. В. Понурко, С. А. Крылова, З. И. Костина. Заявл. 20.12.2016; опубл. 23.10.2017. Бюл. № 30.

  5. Влияние анионов-заместителей на свойства фосфатных стекол [Текст]: Теория и технология металлургического производства: межвуз. сб. науч. тр/ З.И. Костина, С.А.Крылова, И.В. Понурко и др. - Магнитогорск: МГТУ, 2004.- Вып. 4.- С.116-120.

  6. Увеличение срока службы элементов систем горячего водоснабжения [Текст]: Теория и технология металлургического производства: межвуз. сб. науч. тр. / З.И. Костина, С.А. Крылова, И.В. Понурко и др. - Магнитогорск: МГТУ, 2005.- Вып. 4.- С.226-231.

  7. Прикладные аспекты использования фосфатных стекол [Текст]: Материалы 64-й научно-технической конференции по итогам научно-исследовательских работ за 2004-2005 годы: Сб. докл. / З.И. Костина, С.А.Крылова, И.В. Понурко и др. - Магнитогорск: ГОУ ВПО «МГТУ», 2006.- Т.1.- С.104-107.

  8. Разработка и использование композиций для улучшения качества пожарно-питьевой воды [Текст]: Наука и устойчивое развитие общества. Наследие В.И. Вернадского: Сб. материалов 2-й международной научно-практической конференции./ З.И. Костина, В.Ф. Костин, С.А.Крылова, И.В. Понурко. - Тамбов: Издательство: Тамбовпринт, 2007- С.120-121.

  9. Разработка составов и схем применения фосфатных композиций для различных объектов [Текст]: Материалы 65-й научно-технической конференции: Сб. докл / З.И. Костина, В.Ф. Костин, С.А.Крылова, И.В. Понурко. - Магнитогорск: ГОУ ВПО «МГТУ», 2007.- Т.1.- С.116-119.

  10. Анализ состояния стойкости элементов индукционного нагрева с водяным охлаждением [Текст]: Химия. Технология. Качество. Состояние, проблемы и перспективы развития: Межвуз. сб. науч. тр. / З.И. Костина, В.Ф. Костин, С.А.Крылова, И.В. Понурко. - Магнитогорск: ГОУ ВПО «МГТУ», 2009. Вып.2. - С.85-89.

  11. Пассивация внутренних поверхностей металлических водоводов [Текст]: Процессы и оборудование металлургического производства: Межрегиональный сб. науч. тр. Вып.8 / З.И. Костина, В.Ф. Костин, С.А.Крылова, И.В. Понурко.- Магнитогорск: ГОУ ВПО «МГТУ», 2009 - С.200-205.

  12. Химическая защита элементов водоснабжения от агрессивного воздействия воды [Текст]: Чистая вода- 2009: труды Международной научно-практической конференции. / З.И. Костина, В.Ф. Костин, С.А. Крылова, И.В. Понурко. - Кемерово, 2009- С. 396-398.

  13. Исследование возможности применения ингибитора «Ф» для защиты от коррозии и солеотложений оборудования нефтепродуктообеспечения [Текст]: Актуальные проблемы современной науки, техники и образования. Материалы 69-й межрегиональной науч.-техн.конф.:Сб. докл./З.И. Костина, С.А. Крылова, И.В. Понурко и др. - Магнитогорск: Изд-во Магнитогорск. гос.техн.ун-та им.Г.И. Носова, 2011.Т.1. С.112-114.

  14. Абдрахимов, В.З. Основы технологии стекла [Текст]: учебное пособие / В.З. Абдрахимов, А.А. Бурый, Е.С. Абдрахимова – Самара: Новая техника, 2005. – 300 с.

  15. Фельц, А. Аморфные и стеклообразные неорганические твердые тела [Текст]: учебное пособие / А. Фельц – М.: Мир, 1986. – 558 с.

  16. http://www.chem21.info/info/277163/

  17. http://mash-xxl.info/info/176105/

  18. http://www.findpatent.ru/patent/242/2426701.html

  19. Везер, В. Фосфор и его соединения [Текст]: учебное пособие / В. Везер – М.: Издательство иностранной литературы, 1962

  20. Гулоян, Ю. А. Технология стекла и стеклоизделий [Текст]: учебное пособие / Ю. А. Гулоян. – Владимир: Транзит-Икс, 2003. - 479 с.

  21. Шульц, М.М. Современные представления о строении стекол [Текст]: учебное пособие / О.В. Мазурин, М.М. Шульц. – Л.: Химия, 1974

  22. Сырицкая, З.М. Стеклообразование в трехкомпонентных фосфатных системах [Текст]: Сборник «Стеклообразное состояние» / З.М. Сырицкая – Минск, 1964, с.8-12.

  23. Коростелев, П.П. Титриметрический и гравиметрический анализ в металлургии [Текст]: справ. изд. /П.П. Коростелев – М.: Металлургия, 1985. – 320 с.

  24. Анализ объектов в химической промышленности [Текст]: Учеб. Пособие / З.И. Костина, С.А. Крылова, Т.М. Куликова, И.В. Понурко. – Магнитогорск: ГОУ ВПО «МГТУ», 2009. - 49 с.

33