Розробка нових реагентів та технологій для стабілізаційної обробки води в промисловому та комунальному водоспоживанні

Скорочена інформація про документ
dc.contributor.advisorНосачова, Юлія Вікторівна
dc.contributor.authorКосмина, Микола Миколайович
dc.date.accessioned2026-09-03T13:29:34Z
dc.date.available2026-09-03T13:29:34Z
dc.date.issued2026
dc.description.abstractКосмина М.М. Розробка нових реагентів та технологій для стабілізаційної обробки води в промисловому та комунальному водоспоживанні. – Кваліфікаційна наукова праця на правах рукопису. Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора філософії за спеціальністю 101 «Екологія». – Національний технічний університет України «Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського», Київ, 2026. Дисертаційна робота присвячена пошуку нових реагентів та технічнологічних рішень для забезпечення ефективного функціонування систем водокористування. Стабільність якості води у системах промислового та комунального водоспоживання є однією з ключових передумов надійної експлуатації теплотехнічного обладнання, мереж гарячого та холодного водопостачання, оборотних та замкнутих систем охолодження, а також безпечного функціонування систем комунального водопостачання. Корозія металевих елементів, накипоутворення, деструкція захисних плівок і розвиток мікробіологічних процесів призводять до втрати герметичності трубопроводів, зниження теплотехнічної ефективності обладнання, збільшення витрат енергоносіїв та ризиків потрапляння вторинних забруднювачів у навколишнє середовище. Сучасні підходи підкреслюють тісний взаємозв’язок між корозією матеріалів, якістю води в розподільчих мережах, утворенням корозійних продуктів та вторинними забрудненнями, що прямо впливають на безпеку споживачів та стан довкілля. В країнах із зношеною інженерною інфраструктурою, до яких належить і Україна, ці проблеми загострюються через значну тривалість експлуатації трубопроводів, нерівномірність якості вихідної води, обмежені можливості модернізації обладнання та високий рівень втрат води в мережах. Результати дисертаційної роботи представлені у чотирьох розділах та додатках. У першому розділі дисертаційної роботи описано основні дослідження які проводились у сфері протикорозійної стабілізаційної обробки води. Були проаналізовані основні напрямки попередніх досліджень. На основі проведеного аналізу було сформовано основні напрями та методи дисертаційного дослідження та зроблені деякі висновки, що стосуються дисертаційного дослідження У другому розділі дисертації представлено об`єкти та методи досліджень, котрі включають в себе опис, характеристику, фізико-хімічні властивості тих середовищ, матеріалів та реагентів, які застосовувались та наведені в наступних розділах дисертаційної роботи. Об`єктами дослідження були водопроводна та природна води, а також модельні розчини, що імітують склад промислових вод. Описані методики проведення експериментальних досліджень та контролю фізико-хімічних процесів та визначення концентрацій речовин у водних середовищах. У третьому розділі дисертаційної роботи визначено ефективність фосфатних, фосфонатних, сульфонатних та амінних антискалантів і встановлено перевагу фосфонатних та сульфонатних реагентів, зокрема нітрилметиленфосфонатів у середовищах сульфату кальцію. Розроблено метод синтезу нітрилметиленсульфонатів на основі моноетаноламіну та обґрунтовано умови стабілізаційної обробки води з високим карбонатним індексом. Вивчено, а також експериментально проведено та проаналізовано основні засади корозійних процесів в водних середовищах з підвищеним мінеральним складом та в присутності органічних складових. Досліджено вплив неорганічних і органічних інгібіторів на процес корозїї сталі при різних рН та температур. У таблицях показано зміну ступеню захисту від корозії при різних температур та рівнів рН. Також у даному розділі були проаналізовані таблиці та написані відповідні висновки щодо дослідження корозійних процесів. Показано, що зростання мінералізації та аерації води підвищує її корозійну активність, причому ефект більш виражений для міді та латуні, ніж для заліза. Встановлено визначальний вплив температури у водно-нафтових середовищах, тоді як нафта проявляє частковий інгібуючий ефект через обмеження дифузії кисню, який посилюється зі зростанням рН. Доведено, що у прісній воді фосфати, поліфосфати, фосфонати, фосфінати, сульфонати та амінні сполуки ефективно інгібують корозію нелегованої сталі за умов аерації, причому їх дія посилюється в присутності іонів жорсткості та цинку. У мінералізованих середовищах інгібітори пасиваційного типу втрачають ефективність через руйнування захисних плівок хлоридами та сульфатами. Встановлено, що підвищення мінералізації зменшує ефективність адсорбційних інгібіторів і потребує збільшення їх дозування до 10 – 15 мг/дм3. Найвищу ефективність продемонстрували тіокарбамід, уротропін та алкілімідазолін, причому дія останнього посилюється у присутності нафтопродуктів завдяки формуванню гідрофобної плівки. Показано, що корозійна агресивність водно-нафтових систем визначається сукупною дією мінералізації, кислотності, температури та органічної фази. Нафта формує гідрофобний шар на сталі, однак у присутності хлоридів та органічних кислот її інгібуючий ефект знижується. Встановлено, що навіть невелике зниження рН істотно підвищують електрохімічну активність середовища через зниження рН і утворення розчинних метал-ацетатних комплексів, що інтенсифікує анодно-катодні процеси. Доведено, що підвищення температури до 80 °С у водно-нафтових системах прискорює корозію у 2 – 5 разів унаслідок активації масопереносу та зменшення в’язкості нафти. Показано, що тіосечовина, уротропін та алкіламідозоліни проявляють різні механізми інгібування у водно-нафтових середовищах, причому алкіламідозоліни формують найбільш стійкі гідрофобні плівки та забезпечують максимальний рівень захисту. Обґрунтовано перспективність застосування комбінованих систем стабілізації водних середовищ, що поєднують видалення кисню, регулювання мінералізації та інгібування корозії, забезпечуючи підвищення надійності обладнання та зниження екологічних ризиків у промислових технологіях України. У четвертому розділі дисертації експериментальним шляхом досліджено головні чинники, які сприяють знекисненню води у статичних умовах. У цьому розділі було досліджено вплив таких сполук як гідразин гідрат, метабісульфіт натрію на процеси знекиснення води при низьких температурах. Також вивчено вплив іонів металів на швидкість відновлення кисню. Встановлено, що кінетика та глибина реагентного знекиснення води визначаються температурою, природою відновника та наявністю каталітичних домішок іонів перехідних металів. Показано, що гідразин гідрат у некаталізованих системах забезпечує ефективне видалення розчиненого кисню лише за підвищених температур, тоді як у низькотемпературних умовах процес характеризується недостатньою швидкістю. Використання іонів Fe2+ та Cu+ як каталізаторів реакції гідразинового знекиснення сприяє зростанню швидкості процесу, однак каталітичний ефект є обмеженим і не гарантує стабільного глибокого зниження концентрації кисню в низькому температурному діапазоні. На відміну від гідразину, метабісульфіт натрію продемонстрував високу ефективність знекиснення, особливо у поєднанні з каталітичними кількостями іонів Mn2+, що забезпечує інтенсивне протікання реакції та досягнення мінімальних залишкових концентрацій кисню. Встановлено, що система «метабісульфіт натрію – Mn2+» характеризується підвищеними кінетичними параметрами порівняно з гідразиновими системами, що свідчить про реалізацію ефективного каталітичного механізму відновлення кисню та зниження енергетичних витрат процесу. Отримані результати обґрунтовують доцільність застосування метабісульфіту натрію для реагентного знекиснення води в промислових і комунальних системах, зокрема за помірних температур та в умовах обмежень щодо використання гідразину. Таким чином, реагентна система на основі метабісульфіту натрію з каталітичними активаторами Mn2+ та Fe2+ може розглядатися як більш універсальне та технологічно ефективне рішення для стабілізаційної обробки води порівняно з гідразиновими системами.
dc.description.abstractotherKosmyna.M.М. Development of new reagents and technologies for water stabilization treatment in industrial and municipal water consumption – Qualifying scientific work on manuscript rights. Dissertation for obtaining the scientific degree of Doctor of Philosophy in specialty 101 "Ecology". - National Technical University of Ukraine "Ihor Sikorsky Kyiv Polytechnic Institute", Kyiv, 2026. The dissertation is devoted to the search for new reagents and technological solutions to ensure the effective functioning of water use systems. The stability of water quality in industrial and municipal water consumption systems is one of the key prerequisites for the reliable operation of heat-technical equipment, hot and cold water supply networks, circulating and closed cooling systems, as well as the safe functioning of municipal water supply systems. Corrosion of metal elements, scale formation, destruction of protective films and the development of microbiological processes lead to the loss of tightness of pipelines, a decrease in the heat-technical efficiency of equipment, an increase in energy consumption and the risks of secondary pollutants entering the environment. Modern approaches emphasize the close relationship between material corrosion, water quality in distribution networks, the formation of corrosion products and secondary pollution, which directly affect the safety of consumers and the state of the environment. In countries with worn-out engineering infrastructure, including Ukraine, these problems are exacerbated by the significant duration of pipeline operation, uneven quality of source water, limited opportunities for equipment modernization, and high levels of water losses in networks. The results of the dissertation are presented in four sections and appendices. The first section of the dissertation describes the main research conducted in the field of anti-corrosion stabilization water treatment. The main directions of previous research were analyzed. Based on the analysis, the main directions and methods of the dissertation research were formed and some conclusions were made regarding the dissertation research. The second section of the dissertation presents the objects and methods of research, which include the description, characterization, physicochemical properties of those media, materials and reagents that were used and given in the following sections of the dissertation. The objects of research were tap and natural water, as well as model solutions that simulate the composition of industrial waters. The methods of conducting experimental research and controlling physicochemical processes and determining the concentrations of substances in aquatic environments are described. In the third section of the dissertation, the basic principles of corrosion processes in aqueous media with an increased mineral composition and in the presence of organic components were experimentally conducted, as well as analyzed and studied. The effect of inorganic and organic inhibitors on the corrosion process of steel at different pH and temperatures was studied. The tables show the change in the degree of corrosion protection at different temperatures and pH levels. Also in this section, the tables were analyzed and the corresponding conclusions were written regarding the study of corrosion processes. The effectiveness of phosphate, phosphonate, sulfonate and amine antiscalants was determined and the advantage of phosphonate and sulfonate reagents, in particular nitrile methylene phosphonates in calcium sulfate media, was established. A method for the synthesis of nitrile methylene sulfonates based on monoethanolamine was developed and the conditions for the stabilization treatment of water with a high carbonate index were substantiated. It has been shown that the increase in mineralization and aeration of water increases its corrosion activity, and the effect is more pronounced for copper and brass than for iron. The determining effect of temperature in water-oil media has been established, while oil exhibits a partial inhibitory effect due to the limitation of oxygen diffusion, which increases with increasing pH. It has been proven that in fresh water phosphates, polyphosphates, phosphonates, phosphinates, sulfonates and amine compounds effectively inhibit the corrosion of unalloyed steel under aeration conditions, and their effect is enhanced in the presence of hardness ions and zinc. In mineralized environments, passivationtype inhibitors lose their effectiveness due to the destruction of protective films by chlorides and sulfates. It has been established that an increase in mineralization reduces the effectiveness of adsorption inhibitors and requires an increase in their dosage to 10 – 15 mg/dm3. Thiourea, urotropine and alkylimidazoline demonstrated the highest effectiveness, and the effect of the latter is enhanced in the presence of oil products due to the formation of a hydrophobic film. It has been shown that the corrosive aggressiveness of water-oil systems is determined by the combined effect of mineralization, acidity, temperature and organic phase. Oil forms a hydrophobic layer on steel, but in the presence of chlorides and organic acids its inhibitory effect is reduced. The critical role of sodium chlorides in the development of local corrosion has been determined: increasing the NaCl concentration to 10% increases the rate of metal destruction dozens of times due to the activation of pitting and destabilization of oxide films. It was found that even low concentrations of acetic acid significantly increase the electrochemical activity of the medium due to a decrease in pH and the formation of soluble metal-acetate complexes, which intensifies anodic-cathode processes. It was proven that an increase in temperature to 80 °C in water-oil systems accelerates corrosion by 2 – 5 times due to the activation of mass transfer and a decrease in oil viscosity. It was shown that thiourea, urotropine and alkylamidozolines exhibit different inhibition mechanisms in water-oil media, with alkylamidozolines forming the most stable hydrophobic films and providing the maximum level of protection. The prospects for the use of combined systems for stabilizing aquatic environments, which combine oxygen removal, mineralization regulation, and corrosion inhibition, ensuring increased equipment reliability and reduced environmental risks in industrial technologies in Ukraine, are substantiated. In the fourth section of the dissertation, the main factors contributing to the deoxygenation of water under static conditions were experimentally investigated. In this section, the effect of such compounds as hydrazine hydrate and sodium metabisulfite on the processes of water deoxygenation at low temperatures was investigated. The effect of metal ions on the rate of oxygen reduction was also studied. It was established that the kinetics and depth of reagent deoxygenation of water are determined by the temperature, the nature of the reducing agent and the presence of catalytic impurities of transition metal ions. It was shown that hydrazine hydrate in uncatalyzed systems provides effective removal of dissolved oxygen only at elevated temperatures, while in lowtemperature conditions the process is characterized by insufficient speed. The use of Fe2+ and Cu+ ions as catalysts for the hydrazine deoxygenation reaction contributes to an increase in the speed of the process, however, the catalytic effect is limited and does not guarantee a stable deep decrease in oxygen concentration in the low temperature range. Unlike hydrazine, sodium metabisulfite demonstrated high deoxidation efficiency, especially in combination with catalytic amounts of Mn2+ ions, which ensures intensive reaction and achievement of minimum residual oxygen concentrations. It was established that the “sodium metabisulfite – Mn2+” system is characterized by increased kinetic parameters compared to hydrazine systems, which indicates the implementation of an effective catalytic mechanism for oxygen reduction and reduced energy consumption of the process. The results obtained justify the feasibility of using sodium metabisulfite for reagent deoxidation of water in industrial and municipal systems, in particular at moderate temperatures and under conditions of restrictions on the use of hydrazine. Thus, a reagent system based on sodium metabisulfite with catalytic activators Mn2+ and Fe2+ can be considered as a more versatile and technologically efficient solution for water stabilization treatment compared to hydrazine systems.
dc.format.extent175 с.
dc.identifier.citationКосмина, М. М. Розробка нових реагентів та технологій для стабілізаційної обробки води в промисловому та комунальному водоспоживанні : дис. … д-ра філософії : 101 – Екологія / Космина Микола Миколайович. – Київ, 2026. – 175 с.
dc.identifier.urihttps://ela.kpi.ua/handle/123456789/82808
dc.language.isouk
dc.publisherКПІ ім. Ігоря Сікорського
dc.publisher.placeКиїв
dc.subjectоборотні системи
dc.subjectмінералізовані води
dc.subjectнафтовмісні води
dc.subjectстабілізаційна обробка
dc.subjectстабілізатори накипоутворення
dc.subjectкорозія
dc.subjectорганічні інгібітори корозії
dc.subjectреагентне знекиснення
dc.subjectкаталітичні процеси знекиснення
dc.subjectrecycling systems
dc.subjectmineralized water
dc.subjectoil-containing water
dc.subjectstabilization treatment
dc.subjectscale stabilizers
dc.subjectcorrosion
dc.subjectorganic corrosion inhibitors
dc.subjectreagent deoxidation
dc.subjectcatalytic deoxidation processes
dc.subject.udc628.16:620.193:66.08
dc.titleРозробка нових реагентів та технологій для стабілізаційної обробки води в промисловому та комунальному водоспоживанні
dc.title.alternativeDevelopment of new reagents and technologies for water stabilization treatment in industrial and municipal water consumption
dc.typeThesis Doctoral

Файли

Контейнер файлів
Зараз показуємо 1 - 1 з 1
Ескіз
Назва:
Kosmyna_dys.pdf
Розмір:
2.36 MB
Формат:
Adobe Portable Document Format
Завантажити
Ліцензійна угода
Зараз показуємо 1 - 1 з 1
Ескіз недоступний
Назва:
license.txt
Розмір:
8.98 KB
Формат:
Item-specific license agreed upon to submission
Опис:
Завантажити

Зібрання

Дисертації (ЕтаТРП)
Дисертації (вільний доступ)