Минеральные новообразования в системах водопользования

Изменение химического состава воды сопровождается вторичным минсралообразованием и формированием осадков на технологическом оборудовании водозаборных и очистных сооружений, водоразводящей сети. Возможные изменения химического состава с практической точки зрения должны учитываться как на стадиях оценки эксплуатационных запасов, так и при обосновании технологий водоподготовки, в связи с тем, что длительная эксплуатация может привести к необходимости чистки данного оборудования или пересмотра технологических схем. Это, в свою очередь, приводит к дополнительным усилиям и затратам. Естественные режимообразующие факторы и сложный характер работы эксплуатационных скважин оказывают непосредственное влияние на условия восполнения запасов подземных вод и их качество.

Сотрудниками кафедры водоснабжения и водоотведения Томского государственного архитектурно-строительного университета были выполнены физико-химические анализы минералообразующей способности подземных вод и комплексные исследования морфологии, микроструктур, вещественного и минералогического состава новообразований, формирующихся на технологическом оборудовании водозаборов Томской области. Результаты этих исследований отражены в коллективной монографии (Покровский и др., 2002).

Образование осадков в системах водоснабжения неизбежно сопровождает любое водопользование (рис. 7.2.1). Опыт исследования осадков на технологическом оборудовании систем водоснабжения из подземных источников позволяет считать, что их формирование является следствием сложных процессов минералообразования, вызванных изменением физико-химического состояния гидрогеохимических сред, из которых они формируются.

Осадки на внутренних поверхностях насосного фланца

Рис. 7.2.1. Осадки на внутренних поверхностях насосного фланца.

Водозабор Академгородка, скважина №8 (Покровский и др., 2002)

С генетических позиций осадки, образующиеся в системах водоснабжения, представляют собой природно-техногенные гидрогенные минеральные новообразования осадочного типа, что предопределяет методику и методы их исследований, в ходе которых необходимо изучать не только состав осадков, но и гидрогеохимические условия, и технические аспекты формирования осадкообразующей среды. На технологическом оборудовании водозаборов формируются минеральные новообразования двух морфологических типов: бесструктурные охристые массы и минеральные агрегаты, обладающие жестким структурированным каркасом, - оолиты (рис. 7.2.2). Существенных генетических различий между выделенными типами осадков нет: и те и другие обязаны происхождением изменению физико-химических условий среды, в которой они формируются. Морфологические же особенности связаны, главным образом, с гидродинамической обстановкой осадконакопления.

Пространственная организация вещества имеет параметры структуры коагуляционного типа. Экспериментальные и натурные исследования свидетельствуют, что установленные в оолитах волокнистая, кол- ломорфная, колломорфно-глобулярная и глобулярная микроструктуры формируются последовательно как звенья единой эволюционной цени осаждения и преобразования минерального вещества (рис. 7.2.3).

Оолиты из фильтра, проработавшего 5 лет

Рис. 7.2.2. Оолиты из фильтра, проработавшего 5 лет: а - общий вид; б - поперечный разрез оолита. Водозабор Академгородка, фильтр № 5 (Покровский и др., 2002)

Строение поверхности (а) и колломорфно-глобулярная микроструктура (б) оолитов. Водозабор Академгородка, фильтр № 5 (Покровский и др., 2002)

Рис. 7.2.3. Строение поверхности (а) и колломорфно-глобулярная микроструктура (б) оолитов. Водозабор Академгородка, фильтр № 5 (Покровский и др., 2002)

Среди факторов, определяющих характер минеральных новообразований, основную роль играет геохимическая специализация подземных вод продуктивных водоносных горизонтов: структурно-вещественный состав осадков отражает не только принадлежность к определенной гидрогсохимичсской провинции и ландшафтно-климатическую зональность, но и наиболее существенные различия химического состава подземных вод основных стратификационных подразделений.

В осадках на оборудовании большинства скважин водозабора Академгородка существенно преобладают железистые окисные и гидро- окисные минералы (от 45 до 60 %) - ферригидрит, гетит, реже гематит (рис. 7.2.4). В меньших, но примерно в равных долях определяются минералы: фосфатные, представленные вивианитом, скорзалитом и штренги- том (от 2 до 15 %); глинистые, представленные каолинитом (от 6 до 12 %); карбонатные, представленные кальцитом и сидеритом (от 3 до 10 % от общей массы). Доля органических минералов незначительна и составляет 3...5 %.

Ферригидрит и развивающийся по нему гематит

Рис. 7.2.4. Ферригидрит и развивающийся по нему гематит.

Микродифракционная картина агрегата. Экспериментальные условия (48 суток в проточной воде, прошедшей упрощенную аэрацию).

Томский водозабор (Покровский и др., 2002)

Что касается утилизации осадков, образующихся при водоподготовке, то, несмотря на существующие регламенты их обработки, состояние проблемы в настоящее время далеко от совершенства. Зачастую осадки просто сбрасываются на рельеф или в канализацию, что неблагоприятно сказывается как на экологической обстановке, гак и на состоянии канализационных сетей. В то же время существуют, хотя и немногочисленные, предложения по использованию осадков в качестве сырьевого компонента в металлургической промышленности (реализовано в странах Скандинавии), при производстве шпаклевок, мастик, гипсолиста, кладочных растворов и бетонов, выпуске портландцемента, для опудривания гранул при производстве керамзита, создания защитного жаростойкого покрытия поддонов и изложниц. Разработана технология получения сурикоподобного пигмента и краски на его основе из осадков водозабора г. Томска.

Сотрудниками МП «Томскводоканал» рассматривается возможность применения осадков в качестве удобрений и биодобавок в корм для скота. Слоистый минерал бузерит, обнаруженный в минеральных новообразованиях на зернистых фильтрах водозабора Академгородка, в определенных условиях, отвечающих температурным интервалам фазовых переходов, может приобретать свойство ионной сверхпроводимости и найти применение в электротехнике. В этой связи нам представляется целесообразным при разведке месторождений производить оценку не только эксплуатационных запасов подземных вод, но и содержащихся в них запасов минерального сырья.

Реализация этих предложений сдерживается низкой экономической рентабельностью, технологическими сложностями выделения твердой составляющей из промывных вод, слабой изученностью потребительских свойств минеральной фазы. В то же время следует заметить, что задачей использования осадков является лишь получение дополнительных выгод при решении экологических проблем, а не прямой экономический эффект, который, однако, при условии преодоления ряда технических сложностей может оказаться достаточно высоким (Покровский и др., 2002).

В процессе проведения опытно-методических работ сотрудниками кафедры геоэкологии и геохимии Томского политехнического университета были отобраны солевые отложения (накипь) из посуды жителей населённых пунктов юга Томской области. Данные образования представляют собой многомесячные или, возможно, многолетние солевые образования из питьевой воды, возникающие при её кипячении в нагревательных приборах (чайниках, кастрюлях и т. д.) (рис. 7.2.5). В настоящее время хозяйственно-питьевое водоснабжение как городских, так и сельских населенных пунктов области базируется па эксплуатации месторождений подземных вод водоносных комплексов неоген- четвертичных, палеогеновых, меловых и палеозойских отложений. Интенсивно эксплуатируются, в том числе и крупными водозаборами, комплексы палеогеновых и палеозойских образований (Язиков, 2006).

Использование подземных вод неоген-четвертичных отложений ограничено, а воды меловых отложений обеспечивают, главным образом, нужды производственно-технического водоснабжения (Покровский и др., 2002). Основой водоснабжения Томской области является водоносный комплекс палеогеновых отложений, развитых практически по всей территории Западно-Сибирской плиты (Ресурсы пресных..., 1991).

По мнению Л.П. Рихванова, Е.Г. Язикова и др. накипь отражает качество используемых питьевых вод, и эта среда является весьма индикаторной (Рихванов, 1997; Язиков, 2006; Язиков и др., 2009). Отбор проб проводился из посуды для кипячения воды (преимущественно эмалированные чайники). Образование накипи на поверхности теплообменной аппаратуры по своей физико-химической природе является сложным процессом кристаллизации, состоящим из трёх основных стадий: достижение состояния перенасыщения, образование центров кристаллизации и рост кристаллов. Кристаллизация - типичный пример фазового перехода, сопровождающийся изменением агрегатного состояния вещества, что приводит к образованию твердой фазы в растворах.

Движущей силой процесса кристаллизации и первопричиной является перенасыщение, то есть превышение фактической концентрации кристаллизующегося вещества над его равновесной концентрацией в данных условиях.

Общий вид накипи с эмалированного чайника (результаты электронной микроскопии)

Рис. 7.2.5. Общий вид накипи с эмалированного чайника (результаты электронной микроскопии)

При кипении воды в результате испарения концентрация ионов постепенно возрастает и по истечении определённого времени достигается состояние перенасыщения. Дальнейшее увеличение концентрации этих ионов приводит к выделению из раствора мельчайших кристалликов - центров кристаллизации, являющихся основой будущей накипи. Образование центров кристаллизации наиболее интенсивно происходит в пристенном слое из-за большой концентрации солей, которая здесь достигается вследствие более интенсивного парообразования. Далее процесс кристаллизации сопровождается ростом кристаллов, который происходит в двух направлениях: во-первых, выделение твёрдой фазы непосредственно на поверхности нагрева с образованием накипи и, вовторых, выделение твёрдой фазы в объёме воды в виде мельчайших кристалликов, затем укрупняющихся и образующих шлам. Исходя из теории электролитической диссоциации, применительно к процессу кристаллизации существует утверждение о том, что в растворе, состоящем из любого набора ионов, в первую очередь будет кристаллизоваться та соль, которая имеет самое низкое произведение растворимости (растворимость) в данных термодинамических условиях. Соответственно, в обычных условиях основной солью, кристаллизующейся на поверхности теплообменной температуры, является карбонат кальция, практически всегда содержащийся в воде природных источников. С ростом температуры растворимость карбоната кальция (СаСОз) не растет, как у большинства солей, а снижается (Gromoglasov et all, 1990). Карбонат кальция - главный виновник появления накипи. Он может кристаллизоваться в двух модификациях: кальцит и арагонит. У арагонита более высокая растворимость, ниже адгезия (прилипание) со сталью и ниже когезия (слипание) между кристаллами. То есть арагонит, даже после кристаллизации на поверхности, будет уноситься потоком жидкости в виде отдельных кристаллов.

Накипь вод Томской области представляет собой по существу карбонатные образования. По данным рентгенофазового анализа отдельных проб установлено, что основная масса накипи представлена кальцитом и арагонитом (табл. 7.2.1).

Таблица 7.2.1

Минеральный состав накипи из посуды жителей Томской области по данным рентгенофазового анализа (Язиков, 2006)

Место отбора проб

Минеральный состав

с. Кижирово, Томский район

Кальцит, Mn-кальцит, арагонит

с. Кижирово, Томский район

Кальцит, арагонит

с. Чёрная Речка, Юкса, Томский район

Кальцит, Мп-кальцит

г. Томск

Мп-кальцит

Томская область

Кальцит

Примечание. Рентгенофазовый анализ выполнен на ДРОН-ЗМ и ДРОН-2 в ТПУ.

В результате изучения темы «Минеральные новообразования в паровых котлах электростанций и системах водопользования» предлагается выполнить лабораторную работу на тему «Изучение минерального состава накипи питьевых вод».

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   ОРИГИНАЛ     След >