Magnetiitin zeta-potentiaali painevesivoimalaitoksen sekundääripiiriä vastaavissa olosuhteissa
Väisänen, Saija (2012)
Väisänen, Saija
2012
Teknis-luonnontieteellinen koulutusohjelma
Luonnontieteiden ja ympäristötekniikan tiedekunta - Faculty of Science and Environmental Engineering
This publication is copyrighted. You may download, display and print it for Your own personal use. Commercial use is prohibited.
Hyväksymispäivämäärä
2012-04-04
Julkaisun pysyvä osoite on
https://urn.fi/URN:NBN:fi:tty-201205151121
https://urn.fi/URN:NBN:fi:tty-201205151121
Tiivistelmä
Tämä diplomityö on osa laajan SAFIR 2014 (Safety of Nuclear Power Plants –Finnish National Research Programme) -tutkimusohjelman WAPA (Water Chemistry and Plant Operating Reliability) -projektia, jonka tavoitteena on kehittää malli lämpötilan, kiehumisen, hydrodynaamisten olosuhteiden ja rakennemateriaalien vaikutuksista magnetiitin saostumiseen painevesilaitoksen primääri- ja sekundääripiireissä. Työssä perehdyttiin kolloidisten magnetiittipartikkelien (Fe3O4) saostumiseen vaikuttaviin tekijöihin ja tutustuttiin kolloidihiukkasten saostumiseen vaikuttavan zeta-potentiaalin (ζ) mittaamiseen soveltuviin kokeellisiin menetelmiin. Työn tavoitteena oli myös mitata kolloidisten magnetiittipartikkelien ζ-potentiaalia painevesilaitoksen sekundääripiirin olosuhteissa.
Kolloidisten hiukkasten stabiilisuuteen ja niiden toisiinsa sekä pinnoille kiinnittymiseen liittyvistä vuorovaikutuksista tärkeimmät ovat van der Waals’n vetovoima ja sähköstaattinen voima. Kolloidipartikkelien pinta on vesiympäristössä yleensä sähköisesti varautunut. Tietoa pinnan sähköisestä tilasta saadaan ζ-potentiaalin avulla. Jos se on lähellä nollaa, hiukkasilla on taipumus kiinnittyä toisiinsa ja muodostaa saostumia pinnoille. Jos sen itseisarvo on suuri, hiukkaset hylkivät toisiaan, mutta saattavat saostua niiden varaukseen verrattuna vastakkaismerkkisesti varatulle pinnalle.
Tässä työssä magnetiitin ζ-potentiaalia tutkittiin streaming-potentaaliin perustuvalla menetelmällä. Ammoniakki- ja rikkihappoliuoksissa huoneenlämpötilassa hapettomissa olosuhteissa happamuuden funktiona suoritettujen mittausten perusteella magnetiitin isoelektrinen piste näyttää olevan välillä 4 - 5, jolloin kolloidiset magnetiittipartikkelit pyrkivät siis saostumaan. Huoneenlämpötilassa pH-arvoon 9,2 säädetyssä ammoniakkiliuoksessa hapettomissa olosuhteissa lämpötiloissa 139 °C ja 143 °C ζ- potentiaali oli negatiivinen ja sen itseisarvo laski lämpötilan funktiona. Magnetiitti näytti saavuttavan isoelektrisen pisteensä lämpötilan noustessa hieman yli 143 °C:n. Lämpötilan noustessa kolloidisten magnetiittipartikkelien yhteen kiinnittymisen todennäköisyys vaikuttaa siis kasvavan ja ne saattavat sen seurauksena alkaa saostua pinnoille. Zeta-potentiaalin havaittiin olevan negatiivinen myös morfoliini- ja etanoliamiiniliuoksissa huoneenlämpötilassa hapettomissa olosuhteissa pH-arvon ollessa 9,2. Itseisarvoltaan se oli kuitenkin paljon suurempi etanoliamiiniliuoksessa. Ammoniakkiliuoksessa zeta-potentiaali sijoittui näiden arvojen väliin. Tulosten perusteella näyttää siis siltä, että huoneenlämpötilassa kolloidisten magnetiittipartikkelien saostumiseen voidaan vaikuttaa happamuuden säätämiseen käytettävien kemikaalien avulla.
Tulevaisuudessa tarvitaan lisää mittauksia magnetiitin ζ-potentiaalin selvittämiseksi korkeissa lämpötiloissa, sillä aiheesta tehtyjä tutkimuksia on vain muutamia ja saadut tulokset poikkeavat toisistaan. Lisäksi happamuuden säätökemikaalin vaikutusta kolloidisten magnetiittipartikkelien ζ-potentiaalin arvoon tulee tutkia eri lämpötiloissa, koska pH:n säätökemikaaleilla näyttää olevan vaikutusta ζ-potentiaaliin. This Master of Science thesis is a part of the WAPA (Water Chemistry and Plant Operating Reliability) project of SAFIR 2014 (Safety of Nuclear Power Plants -Finnish National Research Programme) research programme. The goal of the project is to develop a model for the deposition of magnetite in pressurized water reactor (PWR) primary and secondary circuit conditions including the effects of temperature, boiling, hydrodynamical conditions and structural materials. The purpose of this thesis was to investigate the factors affecting the deposition of colloidal magnetite (Fe3O4) particles and to get acquainted with the methods for measuring zeta potential (ζ). In addition, the aim was to measure the zeta potential of colloidal magnetite in PWR secondary circuit conditions.
The most important factors affecting the stability of colloidal particles, their tendency to form aggregates and their ability to deposit onto surfaces are the van der Waals and electrostatic forces between the particles. The surface of colloidal particles in aqueous media is usually charged. Information on the electrical state of the surface can be obtained with ζ potential measurements. If ζ potential is close to zero the particles tend to form aggregates and deposit onto surfaces. If the absolute value of ζ potential is large the particles tend to repel one another. In this case, however, the particles may form deposits onto oppositely charged surfaces.
The current research included measuring the ζ potential of magnetite with a method based on streaming potential. According to the measurements of ζ potential as a function of pH in ammonia and sulphuric acid solutions in anoxic conditions at room temperature it seemed that the isoelectric point of magnetite was between 4 - 5 meaning that the colloidal magnetite particles tend to form aggregates and deposits under these conditions. The ζ potential was found to be negative in anoxic conditions at temperatures 139 °C and 143 °C in ammonia solution, the pH of which was adjusted to 9,2 at room temperature. The absolute value of ζ potential decreased as a function of temperature, and magnetite seemed to reach its isoelectric point when the temperature was just above 143 °C. Therefore, the probability of colloidal magnetite particles to form aggregates and deposits seems to increase as the temperature rises. The ζ potential was also found to be negative in morpholine and ethanolamine solutions of pH 9,2 in anoxic conditions at room temperature. The absolute value was, however, bigger in ethanolamine solution. The ζ potential in ammonia solution was in between those. Thus, it seems that at room temperature the deposition of colloidal magnetite particles can be affected by changing the chemical used to adjust the solution pH.
Future work should be devoted to measuring the ζ potential of magnetite at high temperatures because the research already done is scarce and the results obtained differ from each other. In addition, the effect of chemical used to adjust solution pH should be studied at different temperatures because it seems to have an effect on ζ potential.
Kolloidisten hiukkasten stabiilisuuteen ja niiden toisiinsa sekä pinnoille kiinnittymiseen liittyvistä vuorovaikutuksista tärkeimmät ovat van der Waals’n vetovoima ja sähköstaattinen voima. Kolloidipartikkelien pinta on vesiympäristössä yleensä sähköisesti varautunut. Tietoa pinnan sähköisestä tilasta saadaan ζ-potentiaalin avulla. Jos se on lähellä nollaa, hiukkasilla on taipumus kiinnittyä toisiinsa ja muodostaa saostumia pinnoille. Jos sen itseisarvo on suuri, hiukkaset hylkivät toisiaan, mutta saattavat saostua niiden varaukseen verrattuna vastakkaismerkkisesti varatulle pinnalle.
Tässä työssä magnetiitin ζ-potentiaalia tutkittiin streaming-potentaaliin perustuvalla menetelmällä. Ammoniakki- ja rikkihappoliuoksissa huoneenlämpötilassa hapettomissa olosuhteissa happamuuden funktiona suoritettujen mittausten perusteella magnetiitin isoelektrinen piste näyttää olevan välillä 4 - 5, jolloin kolloidiset magnetiittipartikkelit pyrkivät siis saostumaan. Huoneenlämpötilassa pH-arvoon 9,2 säädetyssä ammoniakkiliuoksessa hapettomissa olosuhteissa lämpötiloissa 139 °C ja 143 °C ζ- potentiaali oli negatiivinen ja sen itseisarvo laski lämpötilan funktiona. Magnetiitti näytti saavuttavan isoelektrisen pisteensä lämpötilan noustessa hieman yli 143 °C:n. Lämpötilan noustessa kolloidisten magnetiittipartikkelien yhteen kiinnittymisen todennäköisyys vaikuttaa siis kasvavan ja ne saattavat sen seurauksena alkaa saostua pinnoille. Zeta-potentiaalin havaittiin olevan negatiivinen myös morfoliini- ja etanoliamiiniliuoksissa huoneenlämpötilassa hapettomissa olosuhteissa pH-arvon ollessa 9,2. Itseisarvoltaan se oli kuitenkin paljon suurempi etanoliamiiniliuoksessa. Ammoniakkiliuoksessa zeta-potentiaali sijoittui näiden arvojen väliin. Tulosten perusteella näyttää siis siltä, että huoneenlämpötilassa kolloidisten magnetiittipartikkelien saostumiseen voidaan vaikuttaa happamuuden säätämiseen käytettävien kemikaalien avulla.
Tulevaisuudessa tarvitaan lisää mittauksia magnetiitin ζ-potentiaalin selvittämiseksi korkeissa lämpötiloissa, sillä aiheesta tehtyjä tutkimuksia on vain muutamia ja saadut tulokset poikkeavat toisistaan. Lisäksi happamuuden säätökemikaalin vaikutusta kolloidisten magnetiittipartikkelien ζ-potentiaalin arvoon tulee tutkia eri lämpötiloissa, koska pH:n säätökemikaaleilla näyttää olevan vaikutusta ζ-potentiaaliin.
The most important factors affecting the stability of colloidal particles, their tendency to form aggregates and their ability to deposit onto surfaces are the van der Waals and electrostatic forces between the particles. The surface of colloidal particles in aqueous media is usually charged. Information on the electrical state of the surface can be obtained with ζ potential measurements. If ζ potential is close to zero the particles tend to form aggregates and deposit onto surfaces. If the absolute value of ζ potential is large the particles tend to repel one another. In this case, however, the particles may form deposits onto oppositely charged surfaces.
The current research included measuring the ζ potential of magnetite with a method based on streaming potential. According to the measurements of ζ potential as a function of pH in ammonia and sulphuric acid solutions in anoxic conditions at room temperature it seemed that the isoelectric point of magnetite was between 4 - 5 meaning that the colloidal magnetite particles tend to form aggregates and deposits under these conditions. The ζ potential was found to be negative in anoxic conditions at temperatures 139 °C and 143 °C in ammonia solution, the pH of which was adjusted to 9,2 at room temperature. The absolute value of ζ potential decreased as a function of temperature, and magnetite seemed to reach its isoelectric point when the temperature was just above 143 °C. Therefore, the probability of colloidal magnetite particles to form aggregates and deposits seems to increase as the temperature rises. The ζ potential was also found to be negative in morpholine and ethanolamine solutions of pH 9,2 in anoxic conditions at room temperature. The absolute value was, however, bigger in ethanolamine solution. The ζ potential in ammonia solution was in between those. Thus, it seems that at room temperature the deposition of colloidal magnetite particles can be affected by changing the chemical used to adjust the solution pH.
Future work should be devoted to measuring the ζ potential of magnetite at high temperatures because the research already done is scarce and the results obtained differ from each other. In addition, the effect of chemical used to adjust solution pH should be studied at different temperatures because it seems to have an effect on ζ potential.