Соединения кремния в природных водах

Соединения кремния являются составной частью многих природных и промышленных вод. ПДК по кремнию в природной воде равна 1 мг/л, но во многих природных водах это значение превышено (см.

Кремний входит в состав различных соединений, присутствующих в природной воде. Минеральные вещества (гравий, песок), содержащие кремний, образуют крупные частицы и достаточно быстро могут быть выделены из раствора. Большее время для осаждения требуется для частиц глины, которые в природных водах присутствуют в составе иловых отложений.

Кроме того, соединения кремния могут существовать в воде в виде коллоидных частиц. Ангидрид кремниевой кислоты Si02 может образовывать с водой различные кислоты: метакремниевую (H2Si03), ортокремниевую (H4Si04), поликремниевые кислоты.

Исследованиями последних лет установлено, что при содержании в воде катионов Са2" gt; 2- 1(Нг-моль/л соединения кремния образуют устойчивые коллоидные соединения. Такая концентрация катионов кальция встречается во многих природных водах (см. табл. 5.2).

В табл. 5.4 приведены данные по скорости осаждения оксида кремния(1У) (диоксида кремния), входящего в состав различных соединений, в зависимости от размера частиц.

Как видно из данных, приведенных в табл. 5.4, соединения кремния, входящие в состав крупных агломератов, можно выделить из раствора методами гравитации или фильтрации. Для кремнесодержащих бактерий и коллоидных частиц эти методы не применимы.

Таблица 5.4. Время осаждения частиц диоксида кремния в зависимости от их размера

Ортокремниевая кислота может существовать в растворе в мо- номолекулярной форме достаточно продолжительное время, по истечении которого начинается выпадение ее в осадок в виде хлопьев. Этот процесс происходит за счет образования высокомолекулярных форм кремниевой кислоты.

Кремниевые кислоты относятся к необратимым коллоидным системам. После образования геля переход его в прежнее состояние при контакте с водой невозможен. Кремниевые кислоты обладают гидрофобными свойствами. Со временем они уплотняются, затвердевают и плохо поддаются удалению, поэтому обязательным условием перед использованием воды в энергетических установках является ее очистка от соединений кремния. В промышленности для этой цели применяют ионообменные фильтры, загруженные специальными смолами.

В последнее время появились работы, свидетельствующие о возможности выделения из раствора кремния при использовании щелочных коагулянтов.

Важным условием, определяющим выбор оптимальных параметров режима, является характер содержащихся в воде соединений кремния. Ортокремниевая кислота может находиться в растворе в виде недиссоциированных молекул H4Si04 или одно- и двухзарядных анионов H3Si04 и H2Si04“. При pH 7,0 — 8,6 доля содержания кремния в виде недиссоциированной кислоты H4Si04 составляет 95—100%. При pH 9,8—11,0 значительная часть соединений кремния (50 — 80%) находится в виде однозарядного иона H3Si04. При более высоких значениях pH в растворе доминируют двухзарядные ионы ортокремниевой кислоты.

На рис. 5.2 показана зависимость степени извлечения кремния от pH раствора.

Выпадение в осадок соединений кремния зависит от щелочности раствора: при pH 7,7 —8,7, когда в растворе доминируют молекулы H4Si04, степень выпадения в осадок кремния не превышает 4 — 5%; при pH 9,0—9,8 около 23 — 25%. Наибольшая степень извлечения кремния наблюдается при pH 10,2—10,8, что отвечает условию существования в растворе ионов H2Si04 . В осадок выпадает максимальное количество кремния и степень его осаждения достигает 90 —95 % (см. рис. 5.2).

Таким образом, между формой существования кремния в растворе и возможностью выпадения его в осадок существует кор-

Рис. 5.2. Влияние pH на степень извлечения кремния из природной воды

реляционная зависимость. Методом щелочной обработки можно очистить воду от соединений кремния в степени, соизмеримой с работой анионообменных фильтров.

Дополнительным стимулом для выведения из раствора соединений кремния является образование при этих значениях pH гидроксидов магния и железа, которые являются адсорбентами для соединений кремния.