СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ВОДНЫХ СИЛИКАТОВ ИЛИ ЖИДКИХ СТЕКОЛ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ЖИДКОЙ ФАЗЫ ГИДРОТЕРМАЛЬНОГО РАСТВОРА

Название	СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ВОДНЫХ СИЛИКАТОВ ИЛИ ЖИДКИХ СТЕКОЛ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ЖИДКОЙ ФАЗЫ ГИДРОТЕРМАЛЬНОГО РАСТВОРА
Разработчик (Авторы)	Потапов В.В., Антипин Л.М., Тюрина Н.А., Кашпура В.Н., Горбач В.А.
Вид объекта патентного права	Изобретение
Регистрационный номер	2320538
Дата регистрации	25.08.2006
Правообладатель	Потапов Вадим Владимирович, Антипин Лев Михайлович, Тюрина Наталья Алексеевна, Кашпура Виталий Николаевич, Горбач Владимир Александрович
Медаль имени А.Нобеля

Описание изобретения

Изобретение относится к способам использования минеральных ресурсов гидротермальных растворов. Основным объектом изобретения является жидкая фаза природного гидротермального раствора, химический состав которого сформировался в контакте с горячими горными породами в недрах гидротермальных месторождений при повышенном давлении и температурах 250-300°С и более, что обеспечивает высокое содержание кремнезема. Жидкая фаза теплоносителя (гидротермальный сепарат) отделяется в сепарационных устройствах от двухфазного пароводяного потока, поступающего на поверхность по скважинам. Способ может быть реализован на геотермальных электрических и теплоэлектрических станциях (ГеоЭС, ГеоТЭС) одновременно с получением электрической и тепловой энергии, что позволит повысить эффективность использования теплоносителя. Способ может быть реализован и в отсутствии геотермального энергопроизводства только для получения водных полисиликатов и жидких стекол, которые могут быть утилизованы в различных отраслях промышленности.

Заявленный способ применяется для достижения следующих целей.

1. Получение из гидротермальных растворов мембранным концентрированием водных гидрозолей кремнезема и последующий перевод их в водные полисиликаты и жидкие стекла без осаждения кремнезема из водной среды.

2. Повышение эффективности использования теплоносителя ГеоЭС, ГеоТЭС за счет промышленной утилизации водных полисиликатов, очистки теплоносителя и получения дополнительной электрической и тепловой энергии.

Способ осуществляют по следующей схеме. Поток двухфазного гидротермального теплоносителя после подъема на поверхность по скважинам разделяют в сепараторах на пар, который в условиях ГеоЭС, ГеоТЭС подают на турбины для генерации электроэнергии, и жидкость (гидротермальный сепарат). Сепарат после использования в теплообменниках бинарного энергоблока направляют в танк для старения для завершения нуклеации и поликонденсации ортокремниевой кислоты (ОКК) и образования коллоидных частиц кремнезема заданного размера. В случае, когда извлечение проводят в отсутствие геотермального энергопроизводства сепарат после отделения от паровой фазы направляют в танк для старения для завершения нуклеации и поликонденсации ОКК. Перед вводом в танк для старения температуру сепарата можно регулировать пропусканием через теплообменники. После старения осуществляют ввод катионов металлов (Са²⁺, Mg²⁺, Al³⁺, Fe³⁺ и др.) одного типа или комбинации катионов разного типа добавлением раствора коагулянта(ов) и перемешиванием. Концентрация катионов ниже критической для хлопьеобразования и осаждения кремнезема не происходит. После ввода коагулянтов насосом раствор направляют в мембранные фильтры. Применяют баромембранное концентрирование гидротермального раствора. Концентрирование проводят в мембранных фильтрах, имеющих коллекторы для раздельного вывода фильтрата и концентрата. Схема фильтрации предполагает подачу основного потока раствора продольно относительно мембранного слоя и фильтрование через мембранный слой в направлении, перпендикулярном основному потоку раствора. На этой стадии могут быть использованы микрофильтрационные мембраны с диаметром пор мембранного слоя 1,0-0,01 мкм, а также мембраны с диаметром пор менее 0,01 мкм. Фильтры имеют коллекторы для раздельного вывода фильтрата, очищенного от коллоидного кремнезема, и концентрата с повышенным содержанием коллоидного кремнезема. Концентрат накапливают в емкости, из которой в случае необходимости дополнительного концентрирования подают в отдельную фильтрационную установку. Для дополнительного концентрирования можно использовать рециркуляцию, при которой концентрат возвращается в исходную емкость для повторного фильтрования. Содержание коллоидного кремнезема в концентрате может быть повышено в 2-150 раз и более. После получения концентрата в него вводят гидроксид щелочного металла или аммоний: NaOH, КОН, LiOH, CsOH, RbOH и др., количество которых выражается общей формулой Ме₂О, где Me - катион щелочного металла или аммоний. После ввода реагента проводят растворение коллоидного кремнезема с образованием водных силикатов. Для ускорения процесса применяют нагрев гидрозоля перед вводом реагента и проведение реакции при повышенной температуре. В случае, если отношение SiO₂:Ме₂О находится в пределах от 1:1 до 4:1, получают жидкие стекла. Если отношение SiO₂:Me₂O более 4:1, получают водные полисиликаты. Доля извлеченного коллоидного кремнезема в фильтрате зависит от диаметра пор фильтра, температуры раствора, количества катионов металлов, введенных в раствор для укрупнения частиц кремнезема, рН раствора и может меняться в зависимости от указанных факторов от 0,01 до 1,0. Очищенный фильтрат повторно используют для получения тепловой и электрической энергии.

Старение раствора гидротермального сепарата, вышедшего из теплообменников бинарного энергоблока, осуществляют для завершения нуклеации и поликонденсации молекул ОКК и образования коллоидных частиц кремнезема заданных размеров и концентрации. Скорость процессов нуклеации и роста частиц кремнезема, конечный размер частиц и их концентрацию регулируют варьированием температуры, рН водного раствора, а также добавлением водных сред, несущих коллоидные частицы кремнезема, которые могут быть центрами роста.

После ввода катионы-коагулянты Са²⁺, Mg²⁺, Al³⁺, Fe³⁺ и др. сорбируются поверхностью коллоидных частиц кремнезема и служат мостикообразователями между частицами для их укрупнения и образования агрегатов с размерами, превышающими размеры частиц, сформировавшихся в результате нуклеации и поликонденсации. Для ввода катионов коагулянтов могут использоваться дисперсные коагулянты или их водные растворы либо может применяться электрохимический ввод катионов металлов Al³⁺, Fe³⁺ и др. за счет растворения металлического анода при пропускании электрического тока. За счет уменьшения диаметра пор мембранного слоя количество вводимых катионов металлов и расход коагулянтов может быть снижен до нуля.

При подъеме по продуктивным скважинам снижаются давление и температура теплоносителя, причем давление из-за гидравлических потерь на трение, начиная с некоторой глубины, может стать ниже давления насыщенного пара, поэтому часть жидкого теплоносителя переходит в паровую фазу. Из-за риска образования твердых отложений аморфного кремнезема в скважинах, трубопроводах, теплооборудовании и аппаратах закачка сепарата проводится при повышенной температуре 140-160°С, что снижает эффективность использования теплоносителя для получения энергии и затрудняет извлечение полезных химических соединений. Очистка теплоносителя от кремнезема дает возможность понизить температуру обратной закачки сепарата и получить дополнительную тепловую и электрическую энергию.

Количество кремния, поступившего в раствор при химическом взаимодействии с минералами пород, оценивается по растворимости кварца в чистой воде. В результате восходящей фильтрации в трещиновато-пористых породах гидротермальных месторождений или при подъеме в продуктивных скважинах ГеоЭС давление и температура раствора снижаются. При этом возможно разделение раствора на паровую и жидкую фазы. Вследствие этого водный раствор становится пересыщенным относительно растворимости аморфного кремнезема.

Состояние мономерной ОКК в пересыщенном водном растворе нестабильно. Пересыщение раствора вызывает нуклеацию и поликонденсацию молекул кремнекислоты с образованием силоксановых связей и частичной дегидратацией согласно следующим реакциям:

Многоатомные агрегаты, возникшие в результате полимеризации, приобретают трехмерную структуру в виде коллоидных частиц кремнезема. Часть кремния после завершения полимеризации продолжает оставаться в виде молекул ортокремниевой кислоты Н₄SiO₄, концентрация C_s которой близка к растворимости С_е аморфного кремнезема в равновесии с коллоидным кремнеземом. Кроме коллоидных частиц и молекул кремниевых кислот, в растворе присутствует небольшое количество ионов кремниевых кислот (Н₃SiO₄ ^-, H₂SiO₄ ^2-, HSiO₃ ^- и т.д.) и макромолекулы поликремниевых кислот. При температуре 20-180°С и рН 7,0-9,2 доля димеров по отношению к ортокремниевой кислоте, концентрация которой близка к растворимости, не превышает 1,0%, доля тримеров - 0,1%, тетрамеров и низкомолекулярных циклических полимеров (до 6 единиц SiO₂)<0,1%. Доля ионов Н₃SiO₄ ^- и H₂SiO₄ ^2- при этих условиях не превышает 14,0%. Сумма концентраций коллоидного кремнезема С_col, растворимой кремнекислоты C_s и ионов кремниевых кислот С_in составляет общее содержание C_t кремнезема в растворе:

C_t=C_col+С_s+C_ion

Существующие способы извлечения и утилизации кремнезема основаны на использовании коагулянтов в режиме хлопьеобразования, получении шлама осажденного материала, отделении шлама от раствора, сушки шлама и использовании полученного материала для проведения химических реакций [1, 2]. Способ-прототип [3] (Кашпура В.Н., Потапов В.В. Способ использования геотермального кремнезема для изготовления натриевого жидкого стекла. Патент РФ № 2186025, 2002, приоритет от 25.12.2000) предполагает получение шлама осажденного кремнезема вымораживанием гидротермального раствора, сушку осажденного материала, получение из осажденного материала, щелочи и воды жидкого стекла в реакторе с подводом тепла.

Заявленный способ исключает процессы осаждения, шламообразования, отделения, сушки шлама, затраты тепловой или электрической энергии на работу реактора.

Формула изобретения

Способ получения водных силикатов или жидких стекол с использованием жидкой фазы гидротермального раствора, заключающийся в том, что перед использованием гидротермальный раствор подвергают старению для завершения поликонденсации ортокремниевой кислоты и роста коллоидных частиц кремнезема при температуре 20-180°С, вводят катионы металлов для коагуляции и укрупнения коллоидных частиц, получают из гидротермального раствора баромембранным фильтрованием концентрированный водный гидрозоль кремнезема с повышенным содержанием коллоидного диоксида кремния, в гидрозоль вводят гидроксид щелочного металла или аммоний и в зависимости от отношения SiO₂:Me₂О проводят реакцию образования водных полисиликатов или жидких стекол.

Изобретение "СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ВОДНЫХ СИЛИКАТОВ ИЛИ ЖИДКИХ СТЕКОЛ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ЖИДКОЙ ФАЗЫ ГИДРОТЕРМАЛЬНОГО РАСТВОРА" (Потапов В.В., Антипин Л.М., Тюрина Н.А., Кашпура В.Н., Горбач В.А.) отмечено юбилейной наградой (25 лет Российской Академии Естествознания)
Медаль Альфреда Нобеля

Оформление наградных документов и заказ каталога