Установили: исходным сырьем для получения ферроценовой пленки послужат органические соединения класса циклоолефинов входящие в состав СВБ – ауксины и простгландины (стимуляторы роста и регуляторы функции клеток СВБ). Для образования ИП (ингибиторной пленки) толщиной не менее 3мкм, требуется количество биомассы на 1 см2 поверхности не менее 50 мг.
Присутствие ферроцена в диффузионном слое металлической поверхности решетки ВЗС снижает химическую активность таким образом, что рост СВБ замедляется: за 800-1100 часов и более толщина биопленки менее 3 мм, устанавливается определенное «равновесие» между атмосферной и биокоррозией и долей неокисленных атомов железа (24-28%), последующий эксперимент направлен был на поиск доступного в реальных условиях способа снижения химической активности металлической поверхности решетки.
Ферроцен – производное циклопентадиена (С5Н6 – жидкость) получаем электрохимически – анодным окислением, предварительно собрав результаты экспериментов, необходимых для реализации схемы.
Используя известные схемы фракционирования органических веществ природного происхождения, при исследовании биомассы СВБ, на основе которых был проведен дальнейший экспериментальный поиск по выработке условий пассивации металлической поверхности, а анализ высокомолекулярных веществ в дальнейшем позволил выработать условия получения веществ, под действием анодного тока, класса ферроценов.
Полученные данные позволили проводить дальнейший эксперимент непосредственно с атомами железа и циклоолефинами, находящимися в диффузионном слое.
Как показали исследования при действии постоянного анодного тока определенных величин из СВБ образуются определенные вещества, которые можно назвать ингибиторами коррозии стали в рассматриваемых условиях. Экспериментально было определено оптимальное время обработки образцов, при котором достигается максимальная защита от биообрастания и коррозии, что составило 14-18 минут (табл. 3).
Таблица - 3. Результаты испытания ингибирующей способности в модельных растворах.
Номер образца | Время обработки, мин | Степень защиты от биообрастания в речной воде (май), % | Степень защиты от биообрастания в речной воде (август), % |
1 | 2 | 10,3 | 12,1 |
2 | 4 | 22,6 | 25,6 |
3 | 6 | 30,2 | 34,5 |
4 | 8 | 36,8 | 39,7 |
5 | 10 | 46,1 | 49,4 |
6 | 12 | 62,3 | 65,7 |
7 | 14 | 74,5 | 77,8 |
8 | 16 | 82,6 | 88,7 |
9 | 18 | 80,3 | 85,3 |
10 | 20 | 78,1 | 83,6 |
Вместе с этим исследована возможность использования для противокоррозионной защиты углеродистой стали активных компонентов бактериальной пленки СВБ.
Следовательно, способность веществ при взаимодействии с СВБ ингибировать частные электродные реакции коррозионного процесса не является определяющей в торможении коррозии, вызванной СВБ. Продукты жизнедеятельности СВБ способны изменять эффективность защитного действия ингибиторов коррозии.
В лабораторных условиях была предпринята попытка определения реальных структур веществ, полученных в диффузионном слое после электрообработки. При этом были использованы, с учетом опыта многих научных школ, различные методы анализа, но предпочтение было отдано спектроскопии. Предположительно, железо присутствует в образованных соединениях в составе комплексного соединения, где ион железа во анионе комплексной части молекулы.
Его брутто-формула С28Н26Fe2О4Fe, результаты элементного анализа (%: С 56.48/56.56; Н 4.36/4.38; Fe 28.19/28.28). Образование комплекса подтверждается чёткими аналитическими признаками в ИК спектре (рис. 6).
Рис. 6. ИК - (а) и электронный (б) спектры поглощения комплекса железа (II) в диффузионном слое.
Электронный спектр комплекса (рис. 6) имеет п. п. 192, 236 (плечо) и 304 нм, не изменяющие своё положение относительно лиганда. В видимой части спектра присутствует п. п. при 436 нм, претерпевающая гипсохромной сдвиг по сравнению с лигандом. На фоне интенсивных п. п. ферроценового фрагмента регистрируются слабые d−d переходы хелатированного железа (плечо) при 547 нм. В составе полученного комплекса имеются два атома железа – в сэндвичевом фрагменте (Feґ) и в хелатном цикле (Fe”).
Как показали результаты ИК-спектроскопии и хроматографии в диффузионном слое обнаружены высокомолекулярные соединения на основе производных ферроцена. Следует отметить, что диффузионный слой после электрохимической обработки более электропроводен, что также подтверждает образование ферроцено-полимеров.
В лабораторных условиях в качестве катода использовали инертный материал – графит в виде пластин. В реальных условиях – графитовую сетку, при отношении SA:SK=8:1.
Ингибиторная пленка на основе ферроцена и его гомологов выполняет роль щита для металлической поверхности решетки, заключающаяся в том что подавляется рост бактерий и снижается реакционная активность поверхности металла.
Подтверждением замедления процесса биообрастания и повышения эффективности работы ВЗС является уровень окислов железа в биопленке, который составил через 2 месяца 49-55%, 3 месяца – 25-31%, а также скорость коррозии на индикаторах, соответственно, 0,4807 мм/год и 0,1337 мм/год.
В четвертой главе на основе теоретического обоснования и результатов экспериментальных исследований приведены рекомендации по профилактике и защите от биообрастания и коррозии существующих и проектируемых решеток и водоводов ВЗС, а также проведен расчет эколого-экономической эффективности наиболее долговечных систем защиты решеток оголовка ВЗС.
Рекомендовано: для вновь запускаемых водоводов ВЗС обработка возможна через 140-150 часов эксплуатации, необходимыми для образования пленки СВБ не менее 3 мм.
Представлена блок-схема, взятая за основу производственной установки.
| Рис. 7. Блок-схема лабораторной установки. 1. Блок питания. 2. Амперметр. 3. Вольтметр. 4. Двухкоординатный самописец (компьютер) . 5. Электрохимическая ячейка. 6. Анод (окисляемый металл решеток). 7. Катод (графит). 8. Противоэлектрод (хлор-серебряный электрод). |
Обработка осуществляется на решетках ВЗС через специальные присоединения. Разработанный способ позволяет проводить профилактическую обработку в процессе эксплуатации, не приостанавливая работу водозаборных сооружений.
Для площади поверхности решеток 1 м2 рекомендованная сила тока i=5-6 А, при плотности тока j=0,01-0,02 А/дм2, потенциал окисления относительно хлор-серебряного электрода 0,22 - 0,28 В. Рекомендуемое время обработки варьируется от 14 до 18 минут, в зависимости от диаметра решеток и толщины отложений на нем. После электрообработки опытных образцов выявлено, что через 9-10 месяцев требуется повторная обработка поверхности, при предложенных параметрах.
Повторную профилактическую обработку рекомендуется проводить через 9-10 месяцев, в связи с тем, что образованная защитная пленка на поверхности решетки оголовка ВЗС подвержена механическому истиранию потоком воды.
В главе проведен расчет эколого-экономической эффективности наиболее долговечных систем защиты решеток оголовка ВЗС (металлоконструкций) в соответствии со СНиП 2.03.11-85, ГОСТ 9.401-91 и ВСН 214-82 ., на основе предложенного метода
Эколого-экономический расчет эффективности предложенного технологического метода защиты водоводов и решеток ВЗС от биообрастаний показал, что снижение эксплуатационных годовых затрат на систему водоснабжения составит 22,8-28,2%. Окончательный ожидаемый экономический эффект составит 1,67 млн. руб./год (акты внедрения прилагаются). С учетом дисконтируемости предполагаемый срок окупаемости 3 года, по окончании поэтапного внедрения в соответствии с мероприятиями, запланированными Федеральным законом Российской Федерации от 7 декабря 2011 г. N 416-ФЗ "О водоснабжении и водоотведении".
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
В диссертационной работе на основе проведенных исследований дано решение актуальной задачи – предотвращение биологического обрастания металлических конструкций оголовка ВЗС.
Выводы:
1. Теоретически обоснована и доказана на основе комплексного экспериментального исследования причина обрастания моллюсками дрейссены решетки оголовка ВЗС в воде Нижней Волги: возрастает химическая активность металлической поверхности.
2. Интенсивному росту СВБ способствуют биокатализаторы, образующиеся в процессе биокоррозии в диффузионном слое на границе раздела металл – биопленка.
3. Биообрастание возможно предотвратить, если создать условия на металлической поверхности решетки максимально замедляющие развитие диффузионного слоя, прежде всего процесс биокоррозии, используя вещества класса ферроценов.
4. Впервые выявлены условия, позволяющие на основе активации поверхности решетки оголовка ВЗС анодным током, получать в диффузионном слое вещества класса ферроценов, способных обеспечить защиту металлической решетки от биообрастания;
5. Разработаны практические рекомендации по предотвращению биообрастания металлических решеток оголовка водозаборных сооружений, в условиях поверхностных водных источников Нижней Волги, не требующие дополнительных затрат на демонтаж и очистку основных конструкций, на основе электрохимического воздействия.
6. Определено, что совместное применение анодного окисления и стандартных способов повышает степень защиты поверхностей оборудования систем водоснабжения от биообрастания, коррозии.
|
Из за большого объема этот материал размещен на нескольких страницах:
1 2 3 4 5 |
