Scientific journal

Modern high technologies

ISSN 1812-7320

"Перечень" ВАК

ИФ РИНЦ = 0,940

К числу продуктов на основе аморфного кремнезема относят золи и нанопорошки SiO2 [1–2]. Золи и нанопорошки SiO2 отличают возможность применения в высокотехнологичных отраслях промышленности [3] и высокий уровень цен [4–5].

Целью нашей работы было изучение параметров микрофильтрационного мембранного концентрирования при получении гидротермальных золей кремнезема.

Материалы и методы исследования

Основная часть экспериментов по мембранному концентрированию сепарата была проведена на Мутновском месторождении парогидротерм: на площадках действующих станций – Мутновской ГеоЭС и Верхне-Мутновской ГеоЭС. Продуктивные скважины 048, 049, 055 Верхне-Мутновской ГеоЭС мощностью 12 МВт выводят на поверхность теплоноситель в виде пароводяной смеси (ПВС) с массовым паросодержанием 0,2–0,3. В сепараторах первой и второй линии при давлении 0,8 МПа и температуре 170,4 °С ПВС разделяется на паровую фазу, которая подается на турбины для генерации электроэнергии, и жидкую фазу (сепарат) с расходом 50–55 кг/с. Общее содержание кремнезема в сепарате составляет 650–820 мг/кг [6–7].

Кремнезем образуется в природном растворе из молекул ортокремниевой кислоты (ОКК), которая поступает в результате химического взаимодействия перегретого гидротермального раствора с алюмосиликатными минералами пород в недрах гидротермальных месторождений. При подъеме раствора на поверхность по продуктивным скважинам (рис. 1) и снижения температуры раствор становится пересыщенным и в нем проходят поликонденсация и нуклеация молекул ОКК, приводящие к формированию сферических наночастиц кремнезема с диаметрами 5–100 нм и более. Кроме кремнезема в растворе находятся ионы растворенных солей.

Рис. 1. Принципиальная схема Верхне-Мутновской ГеоЭС

Установка для мембранного концентрирования гидротермального раствора включала патрон (патроны) с микрофильтрационными мембранными фильтрами, насос, расходомеры, манометры, запорную и регулирующую арматуру, емкости исходного раствора, концентрата и фильтрата (рис. 2).

Рис. 2. Схема микрофильтрационной мембранной установки: 1 – микрофильтрационный мембранный фильтр; 2 – центробежный насос; 3 – расходометр; 4, 5 – манометр; 6, 7 – задвижка

Результаты исследования и их обсуждение

Исходные параметры золя на основе гидротермальных растворов: плотность ρ = 1010 г/дм3, содержание SiO2 = 22 г/дм3, рН = 9,6, солесодержание TDS = 393 мг/дм3. Полученный золь далее концентрировали на баромембранной установке, включающей микрофильтрационный патрон типа «Аквакон-200» трубчатого типа.

Параметры, фиксируемые в ходе эксперимента, по концентрированию золя указаны в таблице, где: Qf – производительность установки по фильтрату, Р – давление в установке, TDSк – соленость концентрата, TDSф – соленость фильтрата, ρк – плотность концентрата, ρф – плотность фильтрата, φSiO2 – селективность по кремнезему, рассчитанная по формуле

φSiO2 = (φSiO2к – φSiO2ф)/φSiO2к, (1)

φTDS – селективность по солям, рассчитанная по формуле

φTDS = (φTDSк – φTDSф)/φTDSк. (2)

По содержанию SiO2 и солесодержанию в пробах концентрата и фильтрата были определены селективность мембран по кремнезему и солям в зависимости от времени (рис. 3, 4). Проницаемость мембран уменьшалась с течением времени по зависимости близкой к линейной (рис. 5), при этом селективность по кремнезему и солям увеличивалась, что можно объяснить формированием гелевого слоя на мембранном слое. Доля SiO2 по твердой фазе в гелевом слое, образовавшемся при концентрировании, составила 91,6–96 мас. %. Доля микрокомпонент в гелевом слое была от (3–4)·10-4 мас. % до 216·10-4 мас. %, химический состав и концентрация микрокомпонентов гелевого слоя указаны в табл. 1, 2.

Рис. 3. Селективность мембран по диоксиду кремния в зависимости от времени

Рис. 4. Селективность мембран по солям TDS в зависимости от времени

Таблица 1

Химический состав отложений гелевого слоя

Таблица 2

Концентрации микрокомпонентов в составе гелевого слоя

Селективность микрофильтрационной мембраны по частицам кремнезема увеличивалась равномерно со временем фильтрования в пределах 0,86–0,98. Селективность мембраны по растворенным солям увеличивалась также равномерно во времени в более широких пределах: 0,33–0,7 (рис. 3, 4).

Рис. 5. Проницаемость мембраны в зависимости от времени

Рис. 6. Плотность концентрата в зависимости от времени

Рис. 7. Содержание солей TDS в концентрате в зависимости от времени

Рис. 8. Содержание солей TDS в фильтрате в зависимости от времени

Рис. 9. Отношение концентрации кремнезема к содержанию солей TDS (SiO2/TDS) в зависимости от времени нарастает

Рис. 10. Отношение концентрации кремнезема к содержанию солей TDS (SiO2/TDS) в зависимости от нарастания содержания SiO2 в концентрате возрастает

Рис. 11. Отношение концентрации солей TDS к содержанию кремнезема SiO2 (TDS/SiO2) в зависимости от нарастания содержания SiO2 в концентрате

Плотность, общее солесодержание концентрата и фильтрата увеличивались во времени по зависимости более сильной, чем линейная (рис. 6–8).

Благодаря тому, что селективность по частицам SiO2 была близка к 1,0–0,86–0,98, а селективность по солям была в пределах 0,33–0,7, с помощью микрофильтрационного мембранного концентрирования удалось получить образцы стабильных золей с высоким значением параметра ms = SiO2/TDS (рис. 9, 10).

По мере концентрирования при увеличении солесодержания TDSк в концентрате и в фильтрате TDSф снижалась проницаемость мембранного слоя G при постоянном перепаде давления на мембранном слое ΔP = 0,75 МПа. Селективность мембранного слоя по общему солесодержанию φTDS = (TDSк – TDSф)/TDSк достигала 0,98 (табл. 3), плотность фильтрата ρф = 1000 г/дм3, содержание SiO2 в фильтрате (СфSiO2) в пределах 3 г/дм3, pH концентрата была в пределах от 9,6 до 9,2.

Выводы

1. По содержанию SiO2 и солесодержанию в пробах концентрата и фильтрата были определены селективность мембран по кремнезему и солям в зависимости от времени. Проницаемость мембран уменьшалась с течением времени по зависимости близкой к линейной, при этом селективность по кремнезему и солям увеличивалась, что можно объяснить формированием гелевого слоя на мембранном слое.

2. Селективность микрофильтрационной мембраны по частицам кремнезема увеличивалась равномерно со временем фильтрования в пределах 0,86–0,98. Селективность мембраны по растворенным солям увеличивалась также равномерно во времени в более широких пределах: 0,33–0,7.

3. Плотность, общее солесодержание концентрата и фильтрата увеличивались во времени по зависимости более сильной, чем линейная.

4. Благодаря тому, что селективность по частицам SiO2 была близка к 1,0–0,86–0,98, а селективность по солям была в пределах 0,33–0,7, с помощью микрофильтрационного мембранного концентрирования удалось получить образцы стабильных золей с высоким значением параметра ms = SiO2/TDS.