И.В. Артамонова, Е.О. Забенькина, С.М. Русакова, Е.Б. Годунов
В настоящее время накоплен огромный экспериментальный материал по растворению оксидов, окалины с поверхности металлов и сплавов, который позволяет проводить процессы по очистке и промывке технологического оборудования. Предложенные в России и за рубежом технологии химической очистки теплотехнического оборудования обоснованы только эмпирически, технологические режимы не рациональны и недостаточно эффективны с экономической и экологической точки зрения.
В связи с этим возникла необходимость развивать новое научно-техническое направление комплексного анализа факторов, влияющих на процессы растворения, изучения природы лимитирующей стадии процесса и поиска различных моделей для полного анализа влияния стимуляторов и комплексонов на реакции, протекающие на границе раздела твердое тело/раствор для эффективного управления процессами растворения.
Цель работы – поиск эффективных режимов применения стимуляторов (ЭДТА, ОЭДФ) для проведения процессов растворения железооксидных и солевых отложений с поверхности технологического оборудования.
Для поиска оптимальных условий удаления карбонатных отложений с поверхности стальных изделий изучена кинетика растворения кальцита (СаСО3). Результаты эксперимента по растворению кальцита и взятые из литературных источников [1-6] приведены на рисунке 1.
Рисунок 1. Зависимость скорости растворения кальцита от рН: 1 –результаты эксперимента; 2 – данные из работ [1-6]
Рисунок 2. Зависимость скорости растворения кальцита от концентрации ЭДТА в 0,7М KCl при рН=12, в атмосфере азота, T=293±2 К
Из анализа кинетических закономерностей следует, что с увеличением рН скорость растворения резко снижается в интервале рН от 2 до 5. В области рН от 5 до 10 наблюдается почти постоянная скорость растворения не зависящая от концентрации ионов Н+. При рН больше 10 происходит дальнейшее снижение интенсивности процесса.
Поскольку ЭДТА полностью диссоциирован при рН 12, то нами изучена зависимость скорости растворения кальцита от концентрации ЭДТА при рН=12 (рисунок 2).
Из данных рисунка 2 следует, что с ростом концентрации комплексона скорость растворения кальцита увеличивается.
Механизм растворения кальцита в комплексонах при рН 12 представлен последовательностью стадий (1-3):
Но из данных рисунка 1 следует, что с ростом рН скорость растворения карбонатов уменьшается. В связи с этим были проведены исследования по изучению зависимости скорости растворения кальцита от рН в присутствии комплексонов, с целью определения оптимальных значений рН использования комплексонов. Результаты исследований отражены на рисунке 3.
Из анализа данных рисунка 3 следует, что использование комплексонов для удаления карбонатных отложений на поверхности теплоэнергетического оборудования наиболее эффективно в интервале рН 4-5.
На основании проведенных исследований найдены оптимальные условия удаления карбонатных отложений с поверхности технологического оборудования: раствор HCl рН=4-5, С(ЭДТА) 0,01М (соотношение НСl:ЭДТА 100:1).
Для поиска оптимальных условий удаления железооксидных отложений с поверхности стального оборудования исследовано влияние ЭДТА на скорость растворения основного компонента окалины – магнетита.
Из анализа данных, представленных на рисунке 4, следует, что скорость растворения магнетита в ЭДТА проходит через максимум от величины рН. Для ЭДТА рН максимальной скорости растворения соответствует значению рН 2,3±0,2.
Рисунок 3. Зависимость логарифма скорости растворения кальцита от рН в
присутствии комплексонов: 1 –0,7 М KCl без добавок комплексонов (контроль); 2 – с добавками 0,25 М ЭДТА
Рисунок 4. Зависимость скорости растворения магнетита в серной кислоте от рН при концентрации ЭДТА – 0,01М (1), ОЭДФ-0,1М (2)-0,01М (3), Н2SO4 контроль без добавок комплексонов (4).
Как видно из рисунка 5 скорость растворения магнетита зависит от концентрации ЭДТА в интервале 0,0025-0,02 моль/л и проходит через максимум при концентрации 0,003 моль/л.
Рисунок 5. Зависимость скорости растворения магнетита от концентрации ЭДТА при рН=3,7 и С (Fe(II))=0,001моль/л.
С повышением температуры раствора процесс растворения Fe3O4 в ЭДТА значительно интенсифицируется. Величина эффективной энергии активации процесса составляет 60±6 кДж/моль.
Как следует из рисунка 6 добавки Fe(II) ускоряют процесс растворения Fe3O4 в ЭДТА, формальные порядки реакций по ионам железа (II) равны +0,5.
Рисунок 6. Влияние концентрации комплексонатов Fe (II) с ЭДТА на скорость растворения магнетита при рН=3,7 и С(ЭДТА)=0,02 моль/л, Т=298К
На основе проведенных исследований найдены оптимальные условия использования ЭДТА для удаления окалины с поверхности стальных изделий: концентрация (ЭДТА) 0,002-0,007 моль/л; рН=2,3±0,2, Т=333 –
353К.
Выводы:
1. Найдены оптимальные условия удаления карбонатных отложений с поверхности технологического оборудования: раствор HCl рН=4-5, С(ЭДТА) 0,01М (соотношение НСl:ЭДТА 100:1).
2. Предложены оптимальные условия использования ЭДТА для удаления окалины с поверхности стальных изделий: концентрация ЭДТА 0,002-0,007 моль/л, рН=2,3±0,2, Т=333 – 353К.
Литература:
1. Plummer L. N., Wigley T. M. L., Parkhurst D. L. The kinetics of calcite dissolution in CO2-water systems at 5 10C and 0.0-1.0 atm 2 CO . // Am. J. Sci. 1978. V. 278. P. 179.
2. Fredd C. N., Fogler H.S. The influence of chelating agents on the kinetics of calcite dissolution. // Journal of colloid and interface science. 1998. V. 204. P. 187.
3. Wiese G.R., James R.O., Jates D.E., Healy T.W. Electrochemistry of the Colloid/Water Interface. International Review of Science. / Ed. J.Bockris. V.6. London. 1976. P.53.
4. Westall J., Hohl H. A Comparison of Electrostatic Models for The Oxide/Solution Interface. // Adv. Colloid Interface Sci. 1980. V.12. N 2. P.265.
5. Devis J.A., James R.D., Lackie J.O. Surface lonization and Complexation at the Oxide/Water Interface. // J. Colloid Interface Sci. 1978. V.63. N 3. P.480.
6. Devis J.A., Lackie J.O. Surface Preperties of Amorphous Iron Oxyhydroxide and Adsorption of Metal Ions. //. J. Colloid Interface Sci. 1978. V.67. N 1. P.90.