Электролиз подтоварной воды

УДК 620.193.3

А. Р. Гарифуллин, К. Г. Садиков

ЭЛЕКТРОЛИЗ ПОДТОВАРНОЙ ВОДЫ

Ключевые слова: электролиз, подтоварная вода, показатель коррозии.

Приведены результаты исследования воздействия электролизом на подтоварную воду. Показаны изменения показателя коррозии и pH подтоварной воды после электролиза, проведенного в монополярном электролизере с мембраной и в монополярном электролизере без мембраныс графитовыми электродами. Приведен предположительный механизм происходящих химических реакций.

Keywords: electrolysis, producedwater, corrosionrate.

The results of research of the electrolysis impact to produced water. Shows changes of the corrosion rate and pH of the produced water after the impact with electrolysis.Electrolysis has been done in the monopolar electrolyzer with membrane and in the monopolar electrolyzer without membranewith the graphite electrodes. Shows aproposed mechanisms of the chemical reactions.

Подтоварная вода отбивается от нефти при подготовке ее на установках предварительного сброса. Как правило, она бывает очень засолена и содержит остатки нефтепродуктов. После разделения подтоварной воды от нефти ее закачивают обратно в пласт для поддержания пластового давления. Высокое содержание солей, растворенного сероводорода и диоксида углерода в подтоварной воде является причиной высокого показателя коррозии. Каждый год нефтяные компании тратят огромные деньги на замену трубопроводов, если добиться снижения показателя коррозии, то осуществлять замену трубопроводов придется значительно реже.

Было предложено подвергнуть подтоварную воду электролизу, и исследовать изменение таких параметров, как показатель коррозии - пК и pH воды [1-2].Для чего было сконструировано два типа электролизеров: монополярный электролизер с мембраной и монополярный электролизер без мембраны с графитовыми электродами [3-5].Для измерения пК использовался коррозиметр «Эксперт-004», а для измерения pH- pH-метр «Аквилон-рН410».

Таблица 1

Содержание сероводорода и углекислого газасоставляет 116,7 мг/л и 62,3 мг/л соответственно. Сначала был осуществлен электролиз подтоварной воды в монополярном электролизере без мембраны, в качестве электродов использовались графитовые стержни, для питания установки использовался источник питания постоянного тока на 12 В. В течении эксперимента через равные промежутки времени определялись показатель коррозии и pH подтоварной воды. Ниже, на рис. 1 и рис.2 приведены графики зависимости показателя коррозии и pHот времени электролиза. Изначально pHводы был равен 6,7, а пК был равен 152,4 мкм/год. Как видно из рис.1, pHподтоварной воды сначала уменьшается до определенной величины (pH=4,5; 1=70 с), потом начинает монотонно возрастать и среда становится щелочной.

В целях проведения эксперимента была отобрана подтоварная вода из очистных сооружений Миннибаевского центрального пункта сбора. Результаты анализа воды приведены в таблице 1. Из нее видно, что в растворе в основном преобладают хлориды кальция СаС12.

Щелочность, мг-экв/л Жесткость, мг-экв/л Хлориды, мг/л Кальций, мг/л Магний, мг/л Сульфаты, мг/л Нефтепродукты, мг/л Нитраты, мг/л Аммоний, мг/л

5,2 605,5 87460,1 11020 662,7 18,21 0,12 7,61 89,29

Рис. 1 - Зависимость рН от времени электролиза

40 «I 80 100 1»

Рис. 2 - Зависимость показателя коррозии от времени электролиза

Показатель коррозии, как видно из графика на рис.2, возрастает экспоненциально. Также был проделан электролиз в монополярном электролизере с мембраной. Через определенные промежутки времени измерялись рНи пК в анодном и катодном пространстве. Были получены очень интересные результаты - как видно из рис. 3, рНна катодном пространстве монотонно убывает и среда становится кислой (рН=1,6; 1=300 с). А рН на анодном пространстве, напротив, монотонно возрастает, и среда приобретает щелочной характер (рН=9,7; 1=300 с). Что же касается показателя коррозии, то из графика, предоставленного на рис. 4, видно, что на катодном пространстве показатель коррозии экспоненциально возрастает. На анодном пространстве, пК резко уменьшается до 19,5 мкм/год, потом начинает незначительно расти. Следовательно, после 90 с электролиза мы добились уменьшения пК в 15 раз.

Рис. 3 - Зависимость рН от времени электролиза с разделением анодного и катодного пространства

Рис. 4 - Зависимость показателя коррозии от времени электролиза с разделением анодного и катодного пространства

Рассмотрим механизм электролиза подтоварной воды, учитывая, что в составе воды в основном преобладает хлорид кальция СаС12 [6-7].

Запишем уравнение диссоциации электролита хлорида кальция в воде:

СаС12 ^ Са2+ + 2С!" Катионы активного металла не восстанавливаются, а идет восстановление молекул воды. Процесс, протекающий на катоде при электролизе соли хлорида кальция:

2Н2О + 2е" ^ 2Н0 + 20Н" 2Н0 ^ Н2| - реакция молекуляризации. Процесс, протекающий на аноде при электролизе: 2С!" - 2е" ^ 2С!0 2С!0 ^ С!2| - реакция молекуляризации. Запишем ионно-молекулярное уравнение электролиза

Са2+ + 2С!" + 2Н2О ^ Са2+ + С!2|+ 20Н" + Н2Т

На основании ионно-молекулярного уравнения составим молекулярное уравнение электролиза хлорида кальция:

СаС!2 + 2Н20 ^ Са(0Н)2 + С!2|+ Н2| Хлор, выделяющийся на аноде, будет взаимодействовать с щелочью с образованием гипохлорита кальция Са(С10)2:

2Са(0Н)2 + 2С!2 ^ Са(С!0)2 + СаС!2 + 2Н2О В целом можно заключить, что посредством проведения электролиза подтоварной воды, была получена хлорная известь - смесь гипохлорита кальция, хлорида кальция и гидроксида кальция и было достигнуто снижение показателя коррозии подтоварной воды в 15 раз.

Литература

1. ГОСТ 9.908-85 Методы определения показателей коррозии и коррозионной стойкости.

2. ГОСТ 8.134-98 Методы определения рН водных растворов.

3. Слугинов Н. Теория электролиза, 1881 г. - 162с.

4. Мухин В.А. Окислительно-восстановительные процессы: учебное пособие,Издательство Омского государственного университета им. Ф.М. Достоевского, 2009 г. - 184 с.

5. В.В. Скорчеллетти. Теоретическая электрохимия. 2-изд. 1963 год - 610 стр.

6. Ившин Я.В. Исследование коррозионно-электрохимического поведения стали в модельных средах с ингибиторами коррозии/ Я.В.Ившин, О.В.Угрюмов, Кайдриков Р.А., Иванов В.А. // Вестник Казан. технол. ун-та. 2006. № 3. С. 140-145.

7. Быстрова О.Н. Математическое описание механизма коррозии железа в растворах с Н28/ Быстрова О.Н.// Вестник Казан. технол. ун-та.. 2012. Т. 15. № 9. С. 237-242.

8. ГОСТ 9.908-85 Методы определения показателей коррозии и коррозионной стойкости.

9. ГОСТ 8.134-98 Методы определения рН водных растворов.

10. Слугинов Н. Теория электролиза, 1881 г. - 162с.

11. Мухин В. А. Окислительно-восстановительные процессы: уч. Пособ. Изд-во Омского государственного университета им. Ф.М. Достоевского, 2009 г. - 184 с.

12. В.В. Скорчеллетти. Теоретическая электрохимия. 2-изд. 1963. 610 с.

13. Ившин Я.В. Исследование коррозионно-электрохимического поведения стали в модельных средах с ингибиторами коррозии/ Ившин Я.В., Угрюмов О.В., Кайдриков Р.А., Иванов В.А.//Вестник Казанского технологического университета. 2006. № 3. С. 140-145.

14. Быстрова О.Н. Математическое описание механизма коррозии железа в растворах с Н28/ Быстрова О.Н.// Вестник Казан. технол. ун-та. 2012. Т. 15. № 9. С. 237-242.

А. Р. Гарифуллин - студ. каф. ХТПНГ КНИТУ, Gar-azat@mail.ru; К. Г. Садиков - инж.-проектировщик 1 кат. каф. технической физики и энергетики К(П)ФУ.

A. R. Garifullin - stud. of the CTROG cathedra KNRTU, Gar-azat@mail.ru. K. G. Sadikov - designengineer, cathedra of the technical physics and energetics KFU.