СПОСОБ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ КРЕМНЕЗЕМА, ОСАЖДЕННОГО ИЗ ГИДРОТЕРМАЛЬНОГО ТЕПЛОНОСИТЕЛЯ, ДЛЯ ПОВЫШЕНИЯ ПРОЧНОСТИ БЕТОНА

Название	СПОСОБ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ КРЕМНЕЗЕМА, ОСАЖДЕННОГО ИЗ ГИДРОТЕРМАЛЬНОГО ТЕПЛОНОСИТЕЛЯ, ДЛЯ ПОВЫШЕНИЯ ПРОЧНОСТИ БЕТОНА
Разработчик (Авторы)	Потапов В.В.
Вид объекта патентного права	Изобретение
Регистрационный номер	2243951
Дата регистрации	06.06.2003
Правообладатель	Потапов Вадим Владимирович
Медаль имени А.Нобеля

Описание изобретения

Изобретение относится к способам использования минералов, извлеченных из гидротермального теплоносителя, а также к способам комплексного использования энергетических и минеральных ресурсов теплоносителя. Реализация данного изобретения позволяет достичь важного технического результата - утилизовать кремнезем, осажденный из гидротермального теплоносителя, и таким образом повысить эффективность использования теплоносителя. Повышение эффективности достигается за счет суммы нескольких факторов.

Во-первых, извлечение кремнезема позволяет устранить затраты, связанные с удалением твердых отложений из скважин, трубопроводов и теплооборудования геотермальных электрических и теплоэлектрических станций (ГеоЭС, ГеоТЭС). Во-вторых, после удаления кремнезема снижается пересыщение теплоносителя по коллоидному кремнезему, что дает возможность уменьшить температуру обратной закачки теплоносителя в породы гидротермального резервуара. На этой основе можно получить дополнительную электрическую энергию в бинарном энергомодуле ГеоЭС, ГеоТЭС с органическим низкокипящим рабочим телом, а также дополнительную тепловую энергию.

Третий фактор повышения рентабельности теплоносителя - получение добавочного минерального сырья в виде аморфного кремнезема. В зависимости от режима извлечения кремнезем имеет различные физико-химические характеристики: концентрация примесей (Са, Mg, Al, Fe и др.), микроструктура (размер, форма частиц и их комплексов), диаметр, удельная площадь, объем пор, способность по поглощению органических жидкостей, сорбционные, оптические свойства поверхности и др. В зависимости от величины этих характеристик кремнезем используется в разных областях силикатной и химической промышленности: для производства бумаги, резины, клея, стекла, керамики, цемента, кирпича, адгезивных средств, катализаторов, сорбентов, удобрений для почв, а в случае извлечения в суперчистом виде - в хроматографии и для изготовления чипов электронных устройств.

Предлагаемый способ заключается в использовании осажденного кремнезема для добавления в цемент с целью повышения прочности бетонных изделий. Способ осуществляется следующим образом.

Двухфазный гидротермальный теплоноситель (пароводяная смесь) поступает на поверхность по продуктивным скважинам ГеоЭС, ГеоТЭС. В сепараторах происходит разделение смеси на пар и жидкую фазу (гидротермальный сепарат). Пар подается на паровую турбину для генерации электрической энергии, а сепарат переводится в блок осаждения кремнезема, где проходят стадии осаждения кремнезема с вводом извести. Последовательность стадий такова: 1. старение раствора и полимеризация мономерного кремнезема с образованием коллоидных частиц, причем концентрация и конечный размер коллоидных частиц определяются температурой старения от 20 до 140° С; 2. ввод гашеной извести в раствор с полимеризованным кремнеземом для его коагуляции, хлопьеобразования и осаждения; 3. отделение хлопьев осажденного материала и осветление раствора; 4. обезвоживание и сушка осажденного материала.

Коагуляция и осаждение коллоидного кремнезема происходят под действием катионов Са²⁺ по следующему механизму: 1) добавление в раствор критического количества катионов Са²⁺ - 57,1 мг/кг; 2) сорбция поверхностью коллоидного кремнезема небольшой части из них 7,0-7,7 мг/кг до полной нейтрализации отрицательного поверхностного заряда частиц; 3) коагуляция частиц за счет образования мостиковых связей между нейтрализованными частицами с участием катионов Са²⁺ и осаждение коллоидного кремнезема, при этом в реакциях нейтрализации и образования мостиковых связей на 1 катион-коагулянт приходится в среднем до 60 молекул диоксида кремния SiO₂. Мономерный кремнезем осаждается в результате образования кальцийсиликатных комплексов при соединении катионов Са⁺² и ионов Н₃SiO 

, концентрация которых при высоком рН раствора становится значительной из-за диссоциации кремниевой кислоты.

Высушенный материал добавляется в портланд-цемент, на основе которого готовится бетон, прочность которого в 7-дневном и 28-дневном возрасте выше либо не ниже, чем бетона, изготовленного на основе цемента без добавки геотермального кремнезема. В случае, когда прочность бетона после добавления в цемент кремнезема не повышается, добавление позволяет экономить цемент. Весовую долю кремнезема по отношению к цементу необходимо выдерживать в пределах от 1 до 6-7%, водоцементное отношение - от 0,25 до 0,38.

Подобная схема осаждения и использования кремнезема применима к жидкой фазе высокотемпературного гидротермального теплоносителя с общим содержанием кремнезема SiO₂ от 300 до 1500 мг/кг, средним радиусом коллоидных частиц кремнезема 3,0-16,0 нм, удельной площадью поверхности частиц 500-2000 см²/см³ (30-300 м²/г), минерализацией 1000-2500 мг/кг, ионной силой 10-20 ммоль/кг, естественным показателем рН от 9,5 до 7,0. Схема осаждения применима при температуре ниже традиционной температуры реинжекции сепарата - от 160-140° С до 20° С.

При обработке раствора коагулянтом осаждается коллоидный и мономерный кремнезем (“мономерный кремнезем” - отдельные молекулы и анионы мономерных кремниевых кислот). Образование коллоидного кремнезема в гидротермальном растворе происходит в результате последовательных физико-химических процессов. Первоначально кремний поступает в раствор вместе с другими соединениями в результате химического взаимодействия воды с алюмосиликатными минералами пород гидротермальных месторождений на глубине 1,0-3,5 км в зонах тепловых аномалий при повышенных температуре (250-300° С и более) и давлении (4,0-10,0 МПа и выше).

При температуре 250-300° С кремний присутствует в растворе главным образом в виде отдельных молекул ортокремниевой кислоты H₄SiO₄. Общее содержание С_t кремнезема SiO₂ в воде при этих условиях можно оценить по растворимости кварца при 250-300°С: С_t=500-700 мг/кг. При движении на поверхность в продуктивных скважинах ГеоЭС, ГеоТЭС давление и температура раствора снижаются и раствор частично выпаривается. Общее содержание С_t кремнезема в воде достигает при этом 700-1000 мг/кг и более. Вследствие этого водный раствор становится пересыщенным относительно растворимости аморфного кремнезема С_е. Согласно экспериментальным данным величина С_е для чистой воды зависит от абсолютной температуры Т(К) следующим образом:

log(С_е/60)=-0,1185-1,126· 10³/T+2,3305· 10⁵/T²-3,6784· 10⁷/T³ (1).

При температуре 200°С растворимость Се равна 940,8 мг/кг, при 150° С С_e=651,8 мг/кг, при 100°С С_е=405,3 мг/кг, при 25°С С_е=130,8 мг/кг.

Такое состояние мономерного кремнезема в водном растворе нестабильно. Пересыщение раствора S_m, равное разности (C_s-C_e) концентрации мономерного кремнезема Cs и растворимости Се, является движущей силой процессов нуклеации и полимеризации молекул кремнекислоты с конденсацией силанольных групп, образованием силоксановых связей и частичной дегидратацией в следующих реакциях [9, 10]:

В результате нуклеации и полимеризации в растворе формируются коллоидные частицы гидратированного кремнезема mSiO₂·nH₂O с радиусами 3-5 км и более. Часть силанольных групп SiOH на поверхности частиц диссоциирует с отщеплением протона H⁺, и поверхность частиц приобретает отрицательный электрический заряд. Отрицательный поверхностный заряд препятствует коагуляции частиц за счет сил электростатического отталкивания и обеспечивает устойчивость коллоидного кремнезема в растворе. После завершения реакции полимеризации и образования коллоидных частиц коллоидный и мономерный кремнеземы находятся в равновесии, концентрация мономерного кремнезема равна растворимости Се аморфного кремнезема. Кроме коллоидных частиц и молекул кремниевых кислот в растворе, присутствует небольшое количество ионов ортокремниевой кислоты (Н₃SiO 

, H₂SiO 

) и макромолекулы поликремниевых кислот.

Неустойчивость коллоидного кремнезема около внутренней поверхности скважин, трубопроводов и теплооборудования ГеоЭС, ГеоТЭС приводит к росту твердых отложений кремнезема. В настоящее время разработан ряд способов осаждения и использования кремнезема с целью снижения скорости роста твердых отложений и повышения эффективности использования теплоносителя [1-3]. Способ-аналог предполагает осаждение кремнезема вымораживанием диспергированного гидротермального сепарата, получение тонкодисперсного порошка с низкой долей примесей (Са, Mg, Al, Fe) и использование его для изготовления жидкого натриевого стекла [3] (Кашпура В.Н., Потапов В.В. Способ использования геотермального кремнезема для изготовления натриевого жидкого стекла. Патент РФ, №2186025, 2002). К недостаткам этого способа следует отнести высокие требования к химической чистоте кремнезема, используемого для изготовления жидкого стекла, в частности к концентрации Са. Предлагаемый нами способ исключает такие ограничения, что расширяет возможности по утилизации кремнезема, полученного из гидротермального теплоносителя в различных режимах осаждения, и повышению эффективности использования теплоносителя.

Формула изобретения

Способ использования кремнезема, осажденного из гидротермального теплоносителя, заключающийся в том, что перед осаждением гидротермальный раствор подвергают старению до завершения полимеризации и роста коллоидных частиц кремнезема, затем в раствор вводят гашеную известь при расходе СаО от 100 до 1500 мг/кг и осуществляют осаждение кремнезема, отделение, обезвоживание, сушку, измельчение осадка, отличающийся тем, что полученный кремнезем добавляют в цемент, на основе которого изготавливают бетон, причем весовую долю кремнезема по отношению к цементу выдерживают в пределах от 1 до 6-7%, водоцементное отношение - от 0,25 до 0,38.

Изобретение "СПОСОБ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ КРЕМНЕЗЕМА, ОСАЖДЕННОГО ИЗ ГИДРОТЕРМАЛЬНОГО ТЕПЛОНОСИТЕЛЯ, ДЛЯ ПОВЫШЕНИЯ ПРОЧНОСТИ БЕТОНА" (Потапов В.В. ) отмечено юбилейной наградой (25 лет Российской Академии Естествознания)
Медаль Альфреда Нобеля

Оформление наградных документов и заказ каталога