композиция для защиты от коррозии и солеотложений систем водоснабжения и водоотведения

Формула изобретения

Композиция для защиты от коррозии и солеотложений систем водоснабжения и водоотведения, содержащая фосфорную кислоту, оксид кальция, или гидроксид кальция, или карбонат кальция, или их смесь, оксид магния или гидроксид магния, или карбонат магния, или их смесь, гидроксид калия, или карбонат калия, или их смесь, диоксид кремния или растворимое стекло, отличающаяся тем, что она дополнительно содержит фосфаты натрия общей формулы xNa₂ ·O·yP₂O₅ ·zH₂O при молярном отношении (Na ₂O+H₂O)/P₂O ₅ от одного до трех, оксиды марганца общей формулы Mn _хО_у при молярном отношении Mn/O от одного до двух при следующих отношениях компонентов, мас.%:

Фосфорная кислота (в пересчете на 100-%ную)	0,01-74
Оксид кальция, или гидроксид кальция, или карбонат
кальция, или их смесь (в пересчете на оксид кальция)	5-25
Оксид магния, или гидроксид магния, или
карбонат магния, или их смесь
(в пересчете на оксид магния)	0,45-5
Гидроксид калия, или карбонат калия, или их смесь
(в пересчете на оксид калия)	0,01-5
Диоксид кремния или растворимое стекло
(в пересчете на диоксид кремния)	0,02-2,2
Фосфаты натрия общей формулы xNa 2·O·yP2O 5·zH2O
при молярном отношении (Na 2O+H2O):P2O 5 от 1 до 3-х
(в пересчете на оксид натрия)	8-75
Оксиды марганца общей формулы Mn xОу
при молярном отношении Mn:O от 1 до 2-х
(в пересчете на марганец)	0,01-0,3

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к средствам защиты оборудования от коррозии и солеотложений, преимущественно накипи, и может быть использовано в сетях бытового и промышленного водоснабжения, а также водоотведения.

Известна композиция для защиты от коррозии поверхности железа и малоуглеродистой стали, содержащая фосфорную кислоту в количестве 66,7 мас.% и гексаметафосфат натрия в количестве 33,3 мас.% (см. патент США №4105406, С09К 15/02, C23F 11/18).

Недостатками известной композиции являются низкие антикоррозионные свойства за счет того, что образуемая на металлической поверхности тонкая фосфатная пленка имеет низкие гидрофобные свойства из-за высокой растворимости ее компонентов в воде, а также низкие антинакипные свойства за счет невозможности создания на микрокристаллах солей жесткости, находящихся в воде, адсорбционной пленки, в результате чего происходит слипание мелких частиц солей жесткости в крупные, которые толстым слоем оседают в виде накипи на поверхности систем водоснабжения.

Кроме того, известная композиция способствует активизации процесса эвтрофикации воды за счет того, что компоненты композиции, обладая высокой растворимостью, насыщают воду фосфатами высокой концентрации, которые являются основой "цветения" воды и появления у нее гнилостного запаха.

Наиболее близким аналогом к заявляемому объекту является композиция для защиты от коррозии и солеотложений систем водоснабжения, содержащая фосфорную кислоту, гидроксид натрия или карбонат натрия, или их смесь, оксид магния или гидроксид магния, или карбонат магния, или их смесь, гидроксид калия или карбонат калия, или их смесь, диоксид кремния, или раворимое стекло при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Фосфорная кислота	66,5-72,0
Гидроксид натрия или карбонат натрия,
или их смесь (в пересчете на оксид натрия)	14,5-19,5
Оксид кальция или гидроксид кальция, или карбонат
кальция, или их смесь (в пересчете на оксид кальция)	6,5-9,5
Оксид магния или гидроксид магния, или карбонат
магния, или их смесь (в пересчете на оксид магния)	0,9-3,0
Гидроксид калия или карбонат калия
или их смесь (в пересчете на оскид калия)	0,9-3,7
Диоксид кремния или растворимое стекло
(в пересчете на диоксид кремния)	0,8-2,2

(см. патент №2149219 РФ, МКИ C 23 F 11/00, 14/02).

Известная композиция хотя и является экологически безопасной, тем не менее она имеет невысокие антикоррозионные и антинакипные свойства за счет неоднородной структуры композиции, в результате чего образуемая на внутренней поверхности систем водоснабжения фосфатная пленка имеет невысокую прочность и гидрофобность. Кроме того, известная композиция не обеспечивает процесс торможения эвтрофикации воды за счет того, что защитная фосфатная пленка, образуемая не только на поверхности систем водоснабжения, но и на поверхности микрофлоры воды, быстро теряет свою сплошность из-за частичного гидролиза легкорастворимых натриевых и калиевых компонентов и тем самым не препятствует доступу кислорода к микрофлоре воды, что приводит к ее активному размножению, сопровождающемуся цветением воды и появлением гнилостного запаха.

В основу изобретения поставлена задача разработать состав экологически безопасной композиции, которая при малой концентрации в воде одновременно с высокой антикоррозионной и антинакипной защитой систем водоснабжения и водоотведения обеспечила бы повышение качества воды за счет торможения процесса эвтрофикации воды.

Поставленная задача решается тем, что известная композиция для защиты от коррозии и солеотложений систем водоснабжения и водоотведения, содержащая фосфорную кислоту, оксид кальция или гидроксид кальция, или карбонат кальция, или их смесь, диоксид кремния или растворимое стекло, согласно изобретению дополнительно содержит фосфаты натрия общей формулы xNa₂ O·yP₂O₅·zH ₂O при молярном отношении (Na₂O+H ₂O)/P₂O₅ от одного до трех, оксиды марганца общей формулы Mn _хО_у при молярном отношении Mn/O от одного до двух при следующих отношениях компонентов, мас.%:

Фосфорная кислота (в пересчете на 100%-ную)	0,01-74
Оксид кальция или гидроксид кальция, или карбонат кальция,
или их смесь (в пересчете на оксид кальция)	5-25
Оксид магния или гидроксид магния, или
карбонат магния, или их смесь (в пересчете
на оксид магния)	0,45-5
Гидроксид калия или карбонат калия, или их смесь
(в пересчете на оксид калия)	0,01-5
Диоксид кремния или растворимое стекло
(в пересчете на диоксид кремния)	0,02-2,2
Фосфаты натрия общей формулы xNa 2O·yP2O5 ·zH2O
при молярном отношении (Na 2O+H2O)/P2O 5 от 1 до 3-х
(в пересчете на оксид натрия)	8-75
Оксиды марганца общей формулы Mn хОу
при молярном отношении Mn/O от 1 до 2-х
(в пересчете на марганец)	0,01-0,3

Заявляемую композицию для защиты от коррозии и солеотложений систем водоснабжения и водоотведения готовят следующим образом.

Предварительно сухие компоненты композиции измельчают до мелкодисперсной фракции с размерами частиц не более 1 мм. После чего компоненты, взятые в заявляемом количестве, тщательно перемешивают до образования сухой однородной массы. Затем в нее добавляют фосфорную кислоту небольшими порциями с постоянным перемешиванием получаемой смеси, которую затем выдерживают при комнатной температуре не менее 24 часов для обеспечения протекания предварительных химических процессов. После этого полученный твердопластичный или хрупкий полупродукт плавят при температуре не выше 900°С до получения однородной легкоподвижной жидкой массы и выдерживают последнюю при температуре плавления не менее 30 минут с периодическим перемешиванием. Затем жидкую массу разливают по формам и охлаждают до образования прозрачных стекловидных гранулятов различной формы, зависящую от конкретных условий применения, например в виде сфер, цилиндров, кусочков и т.п.

Изготовленные таким образом грануляты композиции готовят к применению в системах горячего и холодного водоснабжения, а также в системах водоотведения.

Срок хранения гранулятов заявляемой композиции в сухом помещении не ограничен.

Для обоснования преимуществ заявляемой композиции по сравнению с композицией, взятой за прототип, в лабораторных условиях были проведены испытания.

Было приготовлено по вышеописанной технологии девять составов, в том числе: шесть составов композиции с заявляемым соотношением компонентов (составы 1-6); два состава - с соотношением компонентов, выходящих за заявляемые пределы (составы 7 и 8) и один состав композиции, взятой за прототип (состав 9). Указанные составы приведены в таблице 1.

Составы композиции для защиты систем водоснабжения и водоотведения приведены в табл. 1

Таблица 1
Компоненты	Номер состава композиции
	1		2		3		4		5	6			7		8		9
	Заявляемая															Прототип
	Содержание компонентов, мас.%
1	2	3		4		5		6			7	8		9				10
Фосфорная кислота (100%-ная)	0,01	20,0		24,5		38,6		54,5			72,0	73,0		0,01				69,25
Оксид кальция или гидроксид кальция, или карбонат кальция, или их смесь (в пересчете на оксид кальция)	20,0	12,0		5,0		15,0		25,0			5,0	17,0		12,5				8,0
Оксид магния или гидроксид магния, или карбонат магния, или их смесь (в пересчете на оксид магния)	4,0	3,0		0,45		2,75		5,0			0,5	0,001		5,5				1,95
Гидроксид калия или карбонат калия, или их смесь (в пересчете на оксид калия)	0,95	3,0		0,01		2,5		5,0			3,0	0,001		5,65				2,3
Диоксид кремния или растворимое стекло (в пересчете на диоксид кремния)	0,03	1,8		0,02		1,0		2,2			0,4	3,5		0,001				1,5
Фосфаты натрия общей формулы xNa 2O·yP2O5 ·zH2O при молярном отношении (Na 2O+H2O)/P2O 5 от 1 до 3 (в пересчете на оксид натрия)	75,0	60,0		70,0		40,0		8,0			17,0	7,0		76,0				-
Оксиды марганца общей формулы Mn хОу при молярном отношении M n/O от 1 до 2 (в пересчете на марганец)	0,01	0,2		0,02		0,15		0,30			0,1	0,001		0,348				-
Гидроксид натрия или карбонат натрия, или их смесь (в пересчете на оксид натрия)	-	-		-		-		-			-			-				17,0

Экологическую безопасность каждого состава композиций определяли значением водородного показателя (рН) водного раствора, насыщенного при комнатной температуре. Результаты приведены в таблице 2.

Значения водородных показателей (рН) насыщенных водных растворов составов композиции

Таблица 2
Водородный показатель	Номер состава композиции
	Заявляемая								Прототип
	1	2	3	4	5	6	7	8	9
рН	6,3	8,5	8,0	8,5	7,0	6,1	5,5	9,5	7,3

Анализ результатов, приведенных в таблице 2, позволяет сделать вывод, что заявляемые составы композиции (составы 1-6)являются экологически безопасными, также как и композиция - прототип (состав 9), так как они соответствуют предельно допустимым значениям 6 рН 9 по санитарно-гигиеническим нормам пожарно-питьевой воды.

Составы композиции 7 и 8 использовать в системах водоснабжения и водоотведения по допустимым санитарно-гигиеническим нормам нецелесообразно, так как рН состава 7 равен 5,5, то есть ниже предельно допустимого значения из-за превышения кислотной составляющей, а рН состава 8 равен 9,5, то есть выше предельно допустимого значения из-за превышения основных составляющих композиции.

Для обоснования повышения антикоррозионных и антинакипных свойств заявляемой композиции по сравнению с композицией-прототипом было приготовлено по пять водных растворов различной концентрации каждого состава композиции (составы 1-9, таблица 3). Исследованию также подвергалась вода, необработанная композициями (состав 10, таблица 3).

Водные растворы составов 1-9 и воду без обработки (состав 10)подогревали до температуры 60±1°С, что соответствует температуре горячей воды, подаваемой в системы горячего водоснабжения. При этом температуру нагрева воды выбирали с учетом более высокой ее агрессивности на трубопровод в сравнении с холодной водой.

Антикоррозионные и антинакипные свойства исследуемых композиций

Таблица 3
Номер состава композиции		Концентрация композиции в воде, мг/дм3	Скорость коррозии, мг/см2	Толщина слоя накипи после испытаний, мм	Содержание солей жесткости в слое накипи (в пересчете на СаО), %
1		2	3	4	5
Заявляемая композиция	1	1,0	0,060	0,32	7,0
		2,0	0,051	0,28	8,0
		5,0	0,049	0,22	6,0
		10,0	0,036	0,20	6,0
		20,0	0,026	0,24	4,0
	2	1,0	0,061	0,41	9,0
		2,0	0,058	0,28	8,0
		5,0	0,053	0,26	7,0
		10,0	0,036	0,20	6,0
		20,0	0,022	0,19	5,0
	3	1,0	0,075	0,33	9,0
		2,0	0,060	0,32	6,0
		5,0	0,051	0,28	7,0
		10,0	0,036	0,24	6,0
		20,0	0,019	0,22	4,0
	4	1,0	0,053	0,30	10,0
		2,0	0,052	0,27	8,0
		5,0	0,046	0,28	6,0
		10,0	0,034	0,20	6,0
		20,0	0,020	0,15	5,0
Заявляемая композиция	5	1,0	0,056	0,36	8,0
		2,0	0,051	0,37	7,0
		5,0	0,047	0,26	7,0
		10,0	0,032	0,25	5,0
		20,0	0,021	0,21	3,0
	6	1,0	0,057	0,30	7,0
		2,0	0,050	0,25	6,0
		5,0	0,044	0,23	6,0
		10,0	0,030	0,24	5,0
		20,0	0,023	0,18	4,0
	7	1,0	0,110	0,80	16,4
		2,0	0,104	0,78	15,8
		5,0	0,098	0,79	15,7
		10,0	0,094	0,64	14,9
		20,0	0,091	0,68	13,9
	8	1,0	0,106	1,00	19,4
		2,0	0,107	0,95	18,8
		5,0	0,103	0,84	18,3
		10,0	0,090	0,80	17,0
		20,0	0,087	0,74	17,2
Прототип	9	1,0	0,085	0,60	14,0
		2,0	0,081	0,55	15,0
		5,0	0,082	0,60	13,0
		10,0	0,071	0,40	14,0
		20,0	0,052	0,40	12,0
Вода без обработки композицией	10	-	0,30	2,0	76,0

В горячую воду погружали отрезки труб из низкоуглеродистой стали, используемой в системах городского водоснабжения.

Для усиления коррозионного процесса путем образования гальванопары к отрезкам труб подсоединяли медные пластинки. С помощью магнитной мешалки осуществляли вращение горячей воды, имитируя скорость прохождения воды через сетевой трубопровод. Испытание проводили в течение 2-х часов.

Антикоррозионные свойства композиций (составы 1-9) и воды без обработки (состав 10) определяли по общей массе продуктов коррозии железа, перешедших в раствор во время испытаний, а также снятых с поверхности труб раствором соляной кислоты с уротропином, который предотвращает растворение металлического железа в кислоте. Скорость коррозии определяли как отношение массы прокорродировавшего железа на 1 см² площади отрезков труб .

Результаты испытаний, приведенные в таблице 3 (графа 3), показывают, что антикоррозионные свойства заявляемой композиции (составы 1-6) в 1,6-2,7 раза выше антикоррозионных свойств композиции-прототипа (состав 9) при одинаковых их концентрациях в водных растворах и в 4-15,8 раза выше по сравнению с необработанной водой (состав 10). Использовать для обработки воды составы 7 и 8 композиции с соотношением компонентов, выходящих за заявляемые пределы, нецелесообразно, так как их антикоррозионные свойства ухудшаются.

Исследование антинакипных свойств композиций (составы 1-10 табл.3) осуществляли на опытной установке, трубопроводы которой были выполнены из углеродистой стали и соответствовали по своим техническим характеристикам трубопроводам городской системы водоснабжения и водоотведения. По трубопроводам опытной установки пропускали потоки подогретой до температуры 60±1°С воды Янгельского водохранилища, имеющей повышенное содержание солей жесткости - до 7 моль-экв/м³. При этом через первый трубопровод пропускали воду, обработанную заявляемой композицией (составы 1-8 табл.3), через второй трубопровод - воду, обработанную композицией-прототипом (состав 9 табл.3), а через третий трубопровод проходила вода, необработанная композициями (состав 10 табл.3). Скорость потока воды в трубопроводах составляла 1 л/мин. После проведения испытаний от трубопроводов отрезали куски труб и замеряли толщину слоев накипи, образовавшейся на внутренних поверхностях стенок отрезков труб.

Результаты испытаний приведены в графе 4 таблицы 3. Данные результаты подтверждают эффективность использования заявляемой композиции для обработки воды по сравнению с композицией-прототипом. Толщина слоя накипи, образованного на поверхности трубы, через которую проходила вода, обработанная заявляемой композицией (составы 1-6, табл.3), в 1,5-2,7 раза меньше толщины слоя накипи, образовавшегося на трубе, через которую пропускали воду, обработанную композицией-прототипом (состав 9, табл.3), и в 6-16,7 раза меньше толщины слоя накипи, образовавшегося при прохождении через трубопровод необработанной воды (состав 10, табл.3).

Использование для обработки воды составов 7 и 8 композиции нецелесообразно из-за снижения их антинакипных свойств.

Для определения содержания солей жесткости в составе накипи, образовавшейся на стенках трубопровода, накипь обрабатывали раствором соляной кислоты с уротропином. Содержание солей жесткости в исследуемых растворах определяли трилонометрическим методом. Результаты исследований приведены в графе 5 таблицы 3. Указанные результаты даны в пересчете на оксид кальция.

Из результатов, приведенных в графе 5 таблицы 3, видно, что в накипи, образованной на стенках трубопровода при прохождении по нему воды, обработанной заявляемой композицией (составы 1-6), содержание солей жесткости в 1,4-4 раза меньше, чем в накипи, образованной при прохождении по трубопроводу воды, обработанной композицией-прототипом (состав 9), и в 7,6-25 раз меньше, чем в накипи, образованной при прохождении по трубопроводу необработанной воды (состав 10).

Результаты испытания воды, обработанной составами 7 и 8, показали нецелесообразность их использования в системах водоснабжения и водоотведения из-за высокой скорости коррозии (графа 3, табл.3) и увеличение примерно в 2 раза толщины слоя накипи на поверхности труб (графа 4, табл.3), а также значительного увеличения содержания солей жесткости в составе накипи (графа 5, табл.3). В связи с этим составы композиции 7 и 8 были исключены из последующих исследований.

Для обоснования расширения области применения заявляемой композиции по сравнению с композицией-прототипом были проведены эксперименты по определению скорости растворения составов 1-6 и 9 (табл.1) в воде, имеющей следующую заданную температуру:

10°С - средняя температура природной воды из подземных источников;

25°С - комнатная температура воды;

60°С - средняя температура горячей воды в системах водоснабжения и водоотведения;

100°С - средняя температура воды в системах теплоснабжения жилых помещений.

Для экспериментов выбирали образцы композиции, имеющие одинаковую форму, например в виде сфер или полусфер, и примерно одинаковую исходную массу. Образцы помещали в воду с заданной температурой, поддерживаемой методом термостатирования.

Ежедневно, в течение 7 суток, осуществляли взвешивание образцов композиции, вынутых из воды. Затем их вновь помещали в новые порции воды с заданной температурой. Результаты испытаний приведены в таблице 4.

Растворимость композиций в воде с различной температурой

Таблица 4
Номер состава композиции		Растворимость состава композиции, мг/дм3
		Температура воды, °С
		10	25	60	100
Заявляемая композиция	1	1,0	3,0	20,0	35,0
	2	1,0	2,0	10,0	30,0
	3	2,0	3,5	40,0	50,0
	4	0,1	0,2	2,0	2,8
	5	0,05	0,1	1,0	3,0
	6	1,5	3,0	25,0	50,0
Прототип	9	3,0	5,0	50,0	100,0

По результатам испытаний, приведенных в табл.4, можно сделать вывод, что по сравнению с композицией-прототипом (состав 9) заявляемые составы композиции 1-6 можно использовать в широком интервале температур с сохранением регулируемой растворимости:

- составы композиций 1, 3, 6 имеют регулируемую растворимость до 25°С и могут быть использованы для обработки холодной воды, подаваемой в систему холодного водоснабжения;

- составы композиций 2 и 5 могут быть использованы для обработки воды, подаваемой как в системы горячего водоснабжения и водоотведения, так и в системы теплоснабжения;

- состав композиции 2 сохраняет регулируемую растворимость до 60°С и может быть использован для обработки холодной и горячей воды.

Таким образом, заявляемая композиция, являясь экологически безопасной по содержанию фосфатов, имеет широкий спектр действия, так как обеспечивает регулируемую растворимость в воде, имеющей в зависимости от условий применения широкий диапазон температур от 10°С до 100°С.

Составом 9 композиции-прототипа можно обрабатывать только воду, имеющую температуру не выше 25°С, так как именно до этой температуры композиция имеет регулируемую растворимость, а при температуре воды, превышающей 25°С, растворимость композиции становится нерегулируемой. Это приведет к тому, что в горячей воде содержание фосфатов будет значительно превышать предельно-допустимые санитарные нормы.

Для обоснования повышения качества обрабатываемой воды за счет снижения скорости процесса эвтрофикации воды были проведены следующие испытания.

Из Верхнеуральского водохранилища, в береговых мелководных зонах которого в жаркое время года наблюдается "цветение" воды, было отобрано 3 образца воды до начала цветения водорослей:

- первый образец воды - контрольный;

- второй образец воды - с добавлением композиции-прототипа в количестве 5 мг/дм ³;

- третий образец воды - с добавлением заявляемой композиции в количестве 5 мг/дм³.

Открытые емкости с указанными образцами воды были установлены на освещенной южной стороне помещения, температура в котором практически постоянно составляла примерно 25°С.

Наблюдение за образцами воды проводили до первых признаков появления слизистых образований зеленоватого цвета, что сопровождалось одновременным появлением у воды неприятного гнилостного запаха.

Результаты испытаний показали:

- у 1-го контрольного образца воды через 7 суток произошло активное "цветение" в виде образования слизистых хлопьевидных и нитевидных водорослей как во всем объеме воды, так на стенках и дне емкости, при этом вода имела стойкий гнилостный запах;

- "цветение" 2-го образца воды, обработанной композицией-прототипом, началось через 10 суток и появилось в виде густого зеленоватого налета на стенках и дне емкости, вода при этом имела слабый гнилостный запах;

- у 3-го образца воды, обработанной заявляемой композицией, на 30-е сутки с начала испытаний наблюдалось слабовыраженное "цветение" воды в виде легкого зеленоватого налета на дне емкости.

При этом у воды отсутствовал гнилостный запах.

По вышеописанной методике были также проведены опыты с хлорированной водопроводной водой. Результаты опытов подтвердили торможение процесса эвтрофикации в воде, обработанной заявляемой композицией, что позволяет сделать вывод о повышении качества воды. Так, начало "цветения" хлорированной водопроводной воды, обработанной заявляемой композицией, наблюдалось через 109 суток, в воде, обработанной композицией-прототипом - через 25 суток, а в контрольном образце воды - через 13 суток.

На основании вышеизложенного можно сделать вывод, что заявляемая композиция для защиты от коррозии и солеотложений систем водоснабжения и водоотведения работоспособна и устраняет недостатки, имеющие место в прототипе, что подтверждается примерами конкретного выполнения. Соответственно заявляемый состав композиции может быть использован в сетях бытового и промышленного водоснабжения и водоотведения, а также теплоснабжения и, следовательно, соответствует условию "промышленной осуществимости".