Введение к работе
Актуальность работы. Совершенствование методов комплексного использования энергетического и минерального потенциала природных гидротермальных растворов имеет большое значение для повышения эффективности использования этого вида ресурсов. Аморфный коллоидный кремнезем - один из важнейших минеральных компонентов, ценность которого увеличивается с учетом роста потребления аморфных кремнеземов современной промышленностью, в том числе в высокотехнологичных отраслях, связанных с использованием золей и ультрадисперсных порошков. Кремнеземсодержащие материалы с различными физико-химическими характеристиками могут быть выделены в промышленных количествах различными методами, например, осаждены из гидротермальных растворов вводом коагулянтов. Баромембранным концентрированием гидротермальных растворов можно получать стабильные водные золи кремнезема - один из наиболее ценных продуктов.
Одной из важных задач при разработке технологии извлечения коллоидного кремнезема из гидротермального раствора является изучение кинетики нук-леации ортокремниевой кислоты (ОКК). Данные по кинетике нуклеации необходимы для контроля за скоростью образования коллоидных частиц и их конечными размерами и концентрациями. Конечное распределение частиц по размерам - одна из основных характеристик водных золей кремнезема, и требуется совершенствование методов управления этой характеристикой. Кроме того, данные по кинетике позволят контролировать рост твердых отложений кремнезема, возникающих вследствие гетерокоагуляции коллоидных частиц на стенках скважин, аппаратов и теплооборудования технологической линии, по которой проходит гидротермальный раствор.
В России имеются значительные высокотемпературные гидротермальные ресурсы. Суммарный энергетический потенциал только одного Мутновского месторождения (Южная Камчатка) составляет примерно 300 МВт. При использовании 20% этого потенциала расход отсепарированного водного теплоносителя Мутновских ГеоЭС на данный момент составляет около 1100-1200 т/ч со средним содержанием кремнезема 700 мг/кг. При степени извлечения 45-60% выход аморфного кремнезема может составить до 3-5 тыс. тонн в год.
Степень извлечения кремнезема и физико-химические характеристики полученного материала зависят от концентрации и размеров коллоидных частиц кремнезема, образовавшихся в результате нуклеации ОКК.
Цель работы - разработка технологии получения золей кремнезема из гидротермальных растворов на основе численного моделирования процесса нуклеации ортокремниевой кислоты в водных средах.
Основные положения, выносимые на защиту.
Зависимость скорости нуклеации ОКК и конечного среднего размера частиц кремнезема от температуры, рН, ионной силы, начального пересыщения, исследованные методом численного моделирования.
Влияние переменного температурного режима на временные зависимости функции пересыщения и скорости нуклеации ОКК, приводящее к появлению неоднородностей в этих зависимостях и изменению конечной формы распределения частиц кремнезема по размерам.
Соотношение продолжительностей стадий гомогенной и гетерогенной нуклеации в гидротермальных растворах при различных рН и температурах.
Рекомендации по выбору технологических параметров - продолжительности пребывания раствора на участках, его расхода, температурного профиля, рН, общего содержании кремнезема, диаметра пор мембранного слоя и др. - для получения водного золя кремнезема с заданными характеристиками.
Научная новизна.
Получены данные о влиянии различных параметров - температуры, рН, начальной концентрации ОКК, ионной силы - на скорость процесса нуклеации в гидротермальных растворах и размеры образующихся частиц кремнезема в широком диапазоне значений этих параметров.
Изучена зависимость продолжительности стадий гомогенной и гетерогенной нуклеации от физико-химических характеристик гидротермального раствора.
Исследовано влияние переменного температурного режима на вид временных зависимостей функций пересыщения и форму распределения образующихся частиц кремнезема по размерам.
Разработан метод, позволяющий прогнозировать характеристики конечного продукта - водного золя кремнезема - получаемого баромембранным концентрированием гидротермального раствора. С помощью метода, основанного на численном моделировании нуклеации ОКК, стало возможным определять концентрации, радиусы частиц и форму распределения частиц при различных условиях в технологической схеме, включающей скважины, трубопроводы, сепараторы, теплообменники, танки для старения, мембранные фильтры и др.
Достоверность научных положений и следующих из них выводов обеспечивается соответствием результатов численного моделирования процесса
нуклеации ортокремниевой кислоты экспериментальным данным (временные зависимости концентрации ОКК, конечные размеры частиц), полученным на растворах различных гидротермальных месторождений, модельных растворах, а также характеристикам водных золей кремнезема - продуктов мембранного концентрирования растворов скважин Мутновской ГеоЭС.
Практическое значение работы. Подход на основе численного моделирования, развитый в данной работе, можно применять при проектировании оборудования для технологической схемы получения водных золей кремнезема из гидротермальных растворов, а также из другого сырья. Подобный подход позволяет учесть зависимость конечных концентрации и размеров коллоидных частиц от следующих параметров: 1) температурный профиль при течении раствора по скважинам, трубопроводам и оборудованию; 2) рН, ионную силу, концентрацию компонентов раствора; 3) продолжительность пребывания раствора на различных участках технологической линии. Концентрация и размеры частиц в значительной степени определяют характеристики золя кремнезема, возможные направления его использования и характеристики материалов, получаемых с использованием золя. В частности, удельная поверхность порошков кремнезема, диаметр и объем пор связаны с размерами частиц в исходном золе.
Реализация работы. Разработанная методика расчета размеров частиц кремнезема была использована в ООО НПФ "Наносилика" для получения водных золей кремнезема с заданными характеристиками ультрафильтрационным мембранным концентрированием сепарата скважин Мутновской ГеоЭС.
Апробация работы. Результаты работы представлены тезисами докладов на международных семинарах "Структура и разнообразие минерального мира" (Сыктывкар, 17-19 июня 2008 г.), "Минералогическая интервенция в микро- и наномир" (Сыктывкар, 9-11 июня 2009 г.); на Международных научных конференциях: 32, 33, 34 Workshop on Geothermal Reservoir Engineering of Stanford University (California, 2008 и 2009 гг.) и статьями в российских рецензируемых журналах: "Химическая технология", "Теплоэнергетика", "Водоснабжение и санитарная техника".
Объем и структура диссертации. Диссертация состоит из введения, 6 глав, выводов, списка литературы. Работа изложена на 177 страницах и содержит 41 таблицу и 53 рисунка. Список литературы включает 60 наименований.
