Научная электронная библиотека
Монографии, изданные в издательстве Российской Академии Естествознания
Заключение
В монографии представлены результаты исследований высококонцентрированных растворов и природных подземных рассолов. Установлены закономерности изменения физических, физико-химических и структурно-химических свойств в зависимости от минерализации. Выявлены концентрации 300 и 460 г/дм3, при которых происходят резкие изменения таких свойств рассолов, как вязкость, электропроводность, химический сдвиг, свидетельствующие о структурных преобразованиях растворителя.
Установлены закономерности изменения структуры раствора при переходе от однокомпонентных растворов солей к многокомпонентным растворам и природным рассолам. С увеличением минерализации структура концентрированных однокомпонентных растворов солей изменяется при определённой концентрации для каждой соли; гидратация ионов является функцией концентрации. В рассолах вода имеет структурированный характер, при повышении температуры структура воды разрушается.
На основании исследования спектральных характеристик: химического сдвига и времени релаксации кислорода 17О в водных растворах солей щелочных металлов и природных рассолах выявлены изменения структуры воды в рассолах. Определены величины релаксации модельных растворов 2-валентных ионов - Sr, Ca; аддитивность влияния ионов на химический сдвиг; изменение химических сдвигов в спектре ЯМР ядер хлора. Выявлено, что при изобарно-изотермических условиях для индивидуальных растворов Sr, Na, K, Li разной концентрации наблюдается то разрушение, то упрочнение структуры растворителя. Таким образом, показано, что эффект инверсии гидратации ионов, оказывающих упорядочивающее или разупорядочивающее действие на структуру растворителя, является функцией концентрации компонента в растворе.
На основании выявленных новых закономерностей изменения гидратации ионов в рассолах установлена возможность применения разделения ионов в рассолах вымораживанием и выявлены условия выпадения солей из рассолов. Обоснована возможность применения технологии фракционной кристаллизации для опреснения соленых вод на основе селективного извлечения из них солей металлов. Выявлены основные факторы, оказывающие основное влияние на процесс вымораживания высокоминерализованных растворов: температурный режим, состав и структурные характеристики растворов.
На основе определения основных термодинамических характеристик солевой системы природных хлоридно-кальциевых рассолов вычислены коэффициенты активности ионов металлов при изменении температуры раствора. Показано, что разные ионы имеют различный характер изменения коэффициента активности при понижении температуры, что способствует селективности выделения ионов при вымораживании.
Выявлено, что температура замерзания концентрированных растворов солей является аномально пониженной и установлено, что до минерализации 200 г/дм3 температурная зависимость точки замерзания определяется концентрацией соли, а свыше 200 г/дм3 температура замерзания определяется поликомпонентностью состава. Градиент снижения температуры замерзания в многокомпонентной системе по сравнению с раствором солей возрастает в 3,5 раза. Снижение температуры выпадения солей в природных рассолах определяет возможность селективного извлечения солей из высококонцентрированных природных солевых систем. Установленные закономерности позволяют реализовать процесс селективного извлечения солей из природных рассолов в технологических схемах их переработки, основанных на применении криотехнологических процессов.
Изучение процесса вымораживания природных рассолов показало, что при повышении общей минерализация раствора наблюдается эффект наибольшего распределение элементов между ледяной и жидкой фазами. Концентрация элементов в жидкой фазе закономерно повышается с общей минерализацией рассола, при этом получается менее минерализованный лёд
Скорость льдообразования является функцией структуры растворителя. Химический состав льда, полученного при вымораживании рассола, является функцией распределения растворимых веществ между ледяной и жидкой фазами. При размораживании ледяной фазы, полученной при вымораживании рассолов различных составов, все элементы максимально выходят с первыми порциями тающего льда. Это свойство может быть использовано для получения маломинерализованного раствора.
Использование вымораживания в качестве основного метода невозможно для непосредственного разделения компонентов из концентрированных растворов, т.к. чистого льда не получается, а выходят более и менее минерализованные растворы. Однако, метод вымораживания может быть применим как вспомогательный для селективного осаждения солей из многокомпонентных систем; его можно использовать вместе с другими более тонкими методами разделения ценных компонентов (например, ионным обменом, ионной флотацией).
Разработана принципиальная технологическая схема извлечения ценных компонентов из рассолов, включающая вымораживание и ионный обмен. Технология обогащения гидроминерального сырья с общим солесодержанием 500 г/дм3 позволяет получать стронциевые, рубидиевые, литиевые, натриевые, калиевые, кальциевые и магниевые продукты. Схема имеет уровень рентабельности 32%, срок окупаемости 2 года 6 месяцев, эколого-экономический эффект 2,5 млн.руб. Проведены технологические испытания разработанной схемы на природных рассолах.