дизайна и технологии, Россия

ЭЛЕКТРОГИДРОФИЛЬТРУЮЩАЯ УСТАНОВКА ДЛЯ ИЗВЛЕЧЕНИЯ КОЛЛОИДНОГО КРЕМНЕЗЁМА

Козляков В.В., Кипнис М.А.

Московский государственный университет

дизайна и технологии, Россия

Основными тенденциями сформировавшимися в настоящее время в энергетике являются: повышение эффективности использования природных ресурсов, энергосбережение и снижения негативного воздействия на окружающую среду.

Тема использования возобновляемых источников энергии приобретает актуальность, одним из которых является прямое использование тепловой энергии земли (геотермальная энергетика).

На современных геотермальных электростанциях коэффициент использования мощности достигает 90 %, что в 3 – 4 раза выше, чем для технологий с использованием энергии ветра, солнца и приливов.

В России использование геотермальной энергии, в основном, освоено в таких регионах как Камчатка (Парутинское и Мутновское месторождение), Ставропольский край, а также на Северном Кавказе.

Геотермальный теплоноситель имеет многокомпонентный состав. В качестве примера можно привести химический состав жидкой фазы высокотемпературного теплоносителя Мутновского месторождения Камчатки (мг/кг): Na⁺ – 239, 4, K⁺ – 42, 0, NH⁴⁺ – 1, 1, Ca²⁺ – 1, 6, Mg²⁺ – 0, 72, Li⁺ – 0, 71, Fe²⁺ – 0, 1, Al³⁺ – 0, 27, Cl^- – 198, 5, SO4^2- – 192, 1, HS^- – 5, 0, HCO^3- – 81, 0, CO₃^2- – 19, 9, H₃BO₃ – 106, 9, SiO₂ – 680, 0, pH = 9, 2, минерализация Mh = 1638, 9 мг/кг, ионная сила раствора Is = 0, 01422 моль/кг.

Находящиеся в геотермальном теплоносителе кремнезём вызывает отложения в теплоэнергетическом оборудование, которые приводят к следующим негативным последствиям: увеличивается гидравлическое сопротивление труб из-за уменьшения их диаметра, уменьшается КПД (коэффициент полезного действия) теплообменных аппаратов связанное с образованием слоя кремнезема на внутренних частях аппаратов. Также образование отложений может приводить к выводу оборудования из строя, что влечет простой оборудования и экономические убытки. Не вовремя обнаруженное оборудование, нуждающееся в ремонте из-за отложений, может спровоцировать возникновение аварий, чрезвычайных ситуации, привести к несчастным случаям на производстве с обслуживающим персоналом, а также вызвать негативное воздействие на окружающую среду.

Аморфный коллоидный кремнезём образуется в геотермальном теплоносителе в результате ряда реакций с мономерным кремнием Si.

Первоначально кремний поступает в раствор в виде отдельных молекул кремниевых кислот в результате химического взаимодействия воды с алюмосиликатными минералами пород гидротермальных месторождений.

При движении геотермального теплоносителя вверх по пробуренной скважине температура и давление раствора понижается, что приводит к его разделению на две фазы паровую и жидкую. Средняя концентрация кремнезёма в жидкой фазе составляет 800 – 1000 мг/кг.

Имея такую концентрацию, жидкая фаза становится пересыщенной относительно растворимости кремнезёма. Это приводит к реакциям нуклеации и поликонденсации в растворе и образованию коллоидных частиц аморфного кремнезёма nSiO₂·mH₂О.

В настоящее время всё больше геотермальных электростанций переходят на мембранные безреагентные установки, в которых реализуются технологии фильтрации, ультрафильтрации, обратного осмоса, электродиализа, и т.д.

Перечисленные мембранные технологии имеют ряд бесспорных преимуществ перед другими применяемыми способами:

- не требуют подвода или отвода тепла,

- мембранные аппараты имеют простую конструкцию

- не загрязняют окружающую среду.

Один из видов мембранных технологий основан на свойстве кремнезёма изменять свою растворимость в зависимости от pH. Связано это с тем, что гидроксильная группа OH^- проявляет большую чувствительность к pH.

Приблизительно в интервале pH от 1 до 6 коллоидный кремнезём существует в виде нерастворимого осадка, который может быть легко удален из сепарата геотермального теплоносителя и не вызывает отложения. В этом интервале растворимость минимальна и с увеличения водородного показателя остаётся постоянной. При постепенной подщелачивании раствора cо значения pH=7 растворимость кремнезема начинает увеличиваться и при pH=12 достигает максимального значения. Жидкая фаза геотермального теплоносителя имеет pH=9, 2 что приводит к массопереносу частиц кремнезёма из потока на внутренние части теплооборудования.

На основе данного свойства разработана электрогидрофильтрующая установка (рис.1.). Она представляет собой цилиндрический алюминиевый корпус 1 с сужением к низу, которое образует приёмный бункер 7. Корпус имеет круглую крышку 3, выполненную из диэлектрика. По оси корпуса установлена мембрана из текстиля 5, выполненная в виде цилиндра с днищем и расположенным внутри выводным патрубок 4. Входной патрубок 2 расположен тангенциально к корпусу в верхней его части. Сливной патрубок 7 с запорной арматурой присоединён к приёмному бункеру. Для подачи напряжения на установку используется источник питания постоянного напряжения и тока 6.

Рис. 1. Электрогидрофильтрующая установка

Принцип действия установки заключается в следующем. Геотермальный теплоноситель, содержащий коллоидный кремнезём через входной патрубок поступает тангенциально, тем самым создаётся криволинейное движение потока. Одновременно, с вводом теплоносителя от источника питания на электроды подается постоянное напряжение 12 В с током потребления не более 0, 6 А. На электродах происходит разложение воды, на аноде происходит выделение кислорода и иона H⁺, а на катоде образования водорода и иона ОН^-. В катодной зоне, ограниченной внутренними стенками мембраны pH повышается до ~11–12, в анодной зоне, ограниченной внутренними стенками корпуса и внешними стенками мембраны, pH понижается до ~1–2. Из-за низкого pH растворимость коллоидного кремнезёма падает и он начинал выпадать в осадок. В результате движения теплоносителя по криволинейной траектории осадок отбрасывается к стенкам, где в дальнейшем под действием силы тяжести опускается на дно установки в бункер и выводится через сливной патрубок. Очищенный сепарат проходил через мембрану и выводится через выводной патрубок. Действие на кремнезём центробежной силы и кислой среды позволяет интенсифицировать процесс осаждения.

Разделяющая мембрана изготовлена из текстиля. В качестве текстиля выбран брезент без использования пропиток. Используемый для мембраны брезент состоит из хлопчатобумажной (основа) пряжи №14 или №20 и льняной пряжи (уток) №3, 57 в соотношении 49/51. Материал имеет полотняное переплетение с порами позволяющие вести процесс осаждения кремнезёма со скоростью движения геотермального теплоносителя в устройстве от 0, 01 до 0, 03 м/мин.

С помощью мембранной установки удается получить теплоноситель с относительной концентрацией кремнезёма 0, 1С_{начальная}, т.е. извлечение минерального компонента составляет 90%. Удельный расход электроэнергии в ходе эксперимента на 1 кг осажденного вещества составил 2, 1·10^-4 (кВт·ч)/кг.

С помощью мембранных технологий достигается настолько полное извлечения минеральных компонентов, что после очистки жидкая фаза практически не содержит примесей. А задержанные мембраной компоненты могут быть переработаны для получения ценного сырья и материалов.