Пошук академічних текстів

Реєстраційний номер

0824U000797, Дисертація доктора філософії

Назва роботи

Одержання мономерної ортокремнієвої кислоти як модифікатора алюмінійвмісних коагулянтів

Здобувач

Мандрика Артем Григорович,

Керівник Верещак Віктор Григорович
Опонент Знак Зеновій Орестович
Опонент Косогіна Ірина Володимирівна
Рецензент Смотраєв Роман Васильови
Рецензент Фролова Лілія Анатоліївна

На здобуття

Доктор філософії, 161, Хімічні технології та інженерія

Дата захисту

23-01-2024

Опис

Проведено теоретичне обґрунтування та експериментальне підтвердження процесів стабілізації ортокремнієвої кислоти. Проведено квантово-хімічне моделювання кластерів ортокремнієвої кислоти з неорганічними кислотами. Показано, що найбільша стійкість молекули H4SiO4 спостерігається в присутності аніонів HPO42–, сума міжмолекулярних водневих зв’язків яких складає –186,27 кДж/моль. Розрахунки показали, що стабільність молекули H4SiO4 підвищується в ряду HSO4− < CH3SO3− < H2PO4− < SO42− < PO43− < HPO43− за рахунок утворення двох водневих зв’язків з HO-групами ортокремнієвої кислоти. Також вперше показано, що найстабільнішим кластером ортокремнієвої кислоти з метансульфонат-аніоном є [H4SiO4 · 4CH3SO3–]. Даний факт свідчить про те, що метансульфонат-аніон здатний стабілізувати мономер ортокремнієвої кислоти та зменшити можливість її димеризації. Для одержання розчинів ортокремнієвої кислоти з максимальним вмістом мономеру проаналізували графіки форм існування ортокремнієвої кислоти в залежності від рН розчину, було з’ясовано що в діапазоні рН від 1 до 4 ортокремнієва кислота знаходиться в розчинах у недиссоційованій формі. Для одержання розчинів ортокремнієвої кислоти з максимальним вмістом мономеру було обрано інтервал рН від 1.5 до 3.5. Було досліджено вихід та стабільність розчинів ортокремнієвої кислоти в залежності від виду кислоти взятої для гідролізу, а також від силікатного модулю. Показано, що вихід ортокремнієвої кислоти при меншому силікатному модулі вищий, а стабільність розчинів підвищується в ряду аніонів SO42− < Cl− < CH3SO3− < HPO42−. Було висунуто пояснення, що це відбувається через меншу полімеризацію в розчинах рідкого скла з нижчим силікатним модулем. Експериментально доведено, що вихід мономеру ортокремнієвої кислоти залежить від впливу концентрації фонових електролітів та значення рН. Максимальний відносний вміст ортокремнієвої кислоти спостерігався при рН розчину 3,5 та при мінімальній концентрації фонових електролітів. За допомогою квантово-хімічних розрахунків, були розраховані комплекси гідроксихлориду алюмінію з ортокремнієвою кислотою у її мономерній, димерній та тримерній формах. Були запропоновані два механізму реакцій утворення AlCl2OH з ортокремнієвою кислотою у водному розчині (на прикладі мономерної форми ортокремнієвої кислоти). Було показано що енергія Гіббса взаємодії гідроксихлориду алюмінію з мономерною формою ортокремнієвої кислоти за механізмом І –48,38 кДж/моль, що дещо вище за енергію взаємодії з димерною та тримерною формою - −32,94кДж/моль та −41,86 кДж/моль відповідно. Експериментально підтверджено зниження концентрації мономерної форми ортокремнієвої кислоти після її змішування з гідроксихлоридом алюмінію, що підтверджує утворення сполуки між ними.Були досліджені два методи модифікації гідроксихлоридів алюмінію: шляхом кислотного гідролізу рідкого скла за допомогою низькоосновного гідроксихлориду алюмінію та шляхом змішування попередньо одержаного розчину ортокремнієвої кислоти з високим вмістом мономеру (вище 50 %) з гідроксихлоридами алюмінію різної основності. Також вперше була вивчена стабільність одержаних модифікованих коагулянтів. Експериментально підтверджено, що сумісний кислотний гідроліз рідкого скла та гідроксихлориду алюмінію приводить до одержання каламутних малостабільних розчинів, проте змішування готового розчину ортокремнієвої кислоти одержаного з використанням метансульфонової кислоти з високоосновними гідроксихлоридами алюмінію в діапазоні співвідношень Al/Si 250–50 призводить до одержання стабільних прозорих розчинів з терміном зберігання 6 місяців і вище. Шляхом висушування модифікованого алюмокремнієвого коагулянту та подальшого його розчинення з утворенням прозорих концентрованих розчинів доведено взаємодію між гідроксихлоридом алюмінію та ортокремнієвою кислотою та збереження цього зв’язку після повторного розчинення. У п’ятому розділі проведені дослідження ефективності модифікованого алюмокремнієвого коагулянту по очищенню природної води та було доведено його вищий на 12% ступінь видалення каламутності та нижчу на 8% концентрацію залишкового алюмінію при низьких температурах. Висунуто пояснення, що це відбувається за рахунок збільшення середньої молекулярної ваги комплексів алюмінію при взаємодії з ортокремнієвою кислотою. Експериментально підтверджено більшу гідравлічну крупність флокул модифікованого коагулянту. Експериментально встановлено, що модифікація гідроксихлоридів алюмінію розчинами ортокремнієвої кислоти з вмістом мономеру вище 50% та у співвідношенні Al/Si від 100 до 20 дозволяє одержувати стабільні розчини коагулянтів. У шостому розділі на основі теоретичних та експериментальних результатів розроблена технологічна схема та виконана оцінка витрат на одержання водного розчину ортокремнієвої кислоти з використанням метансульфонової кислоти та модифікації гідроксихлоридів алюмінію різної основності.