Бесплатный автореферат и диссертация по географии на тему
Разработка экстракционного метода очистки водных потоков от диспергированных масел и нефтепродуктов
ВАК РФ 11.00.11, Охрана окружающей среды и рациональное использование природных ресурсов

Автореферат диссертации по теме "Разработка экстракционного метода очистки водных потоков от диспергированных масел и нефтепродуктов"

РГБ ОД

; у >ЕВ 1996

на правах рукописи

Сайд Аль-Изи Салех Атия

РАЗРАБОТКА ЭКСТРАКЦИОННОГО МЕТОДА ОЧИСТКИ

ВОДНЫХ ПОТОКОВ ОТ ДИСПЕРГИРОВАННЫХ МАСЕЛ И НЕФТЕПРОДУКТОВ

11.00.11-Охрана окружающей среды и рациональное использование природных ресурсов

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степ' < кандидата технических наук.

Москва, 1096 г.

Работа выполнена в Российском химико-технологическом университете им. Д.И.Менделеева на кафедре промышленной экологии.

Научный руководитель : доктор химических наук , профессор Тарасов В.В.

Официальные оппоненты:

1. Доктор химических наук, профессор Тихонов А.П.

2. Кандидат технических наук, старший научный сотрудник

Ведущая организация: Научно - исследовательский и конструкторский институт монтажной технологии ( НЙКИМТ)

аудитории/б^гЛ^А^^/».на заседании диссертационного совета Д 053.34.11 в РХТУ им. Д.И.Менделеева по адресу: 125047 Москва ,А-47, Миусская пл.,д.9.

С диссертацей можно ознакомиться в научно-информационном центре РХТУ им.Д.И.Менделеева.

Автореферат разослан "• • 1996г.

Ученый секретарь

диссертационного совета Каменчук И.Н.

Гдалин С.И.

Залщта состоится

СК2АЯ ХАРАКТ5Р»50ТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы._Загрлйкекш ирирсдных лод кастами, кира-

¡¡II, нефтепродукта;!! и другими трудвораотвор1Л!Ымк в воде веществами, образующими гетерогенные систел!, является широко распространенны);!, а по своим последствия« - однш иг- наиболее' тяжелых. '

Особую опасность нефтяные и масляные сбросы представляют в сочетании с ПАВ, широко используемыми в виде моющих средств и специальных добавок в быту и на производстве. В таких случаях образуются наиболее трудно отстаиваемые и разрушаемые прямые эмульсии масла в воде. Ярким примером таких эмульсий являются используемые в металлообработке, машиностроении и др. производствах смаэочно - охлаждающие жидкости -СШ, очистка сточных вод от которых представляет весьма сложную и но везде решенную проблему.

Проблема сброса, эмульсий является важной и для йеменской Республики, которая стала экспортером нефти и имеет многочисленные ремонт-пае мастерские - источники COS.

Считают, что перспективным направлением очистки стоков является создание комбинированных методов, построенных по блочному принципу. Такие схемы, при включении в них блока экстракции, могли бы обладать повышенной адаптируемостью к широко вариирующим по составу стокам.

Несмотря на успех процессов жидкостной экстракции при создании прогрессивных технологий, наличия широкого ассортимента . аппаратуры для проведения экстракции, в научно - технической литературе имеются лишь эпизодические указания на возможность применения экстракции для удаления из водных потоков диспергированных масел и нефтепродуктов, что, по нашему мнению, свидетельствует о неизученности таких процессов.

Работа проведена в рамках Федеральной программы " Экология России", проект N 7.3.7, 1992 г., а также в соответствии с Проектом N 436 "Гибкие безреагентные технологии очистки водных сред от масел, нефтепродуктов и тяжелых металлов" в научно - технической программе " Химия и технология чистой воды" (1993 - 1995 г.г.).

Цель работы. Обосновать и развить метод экстракционного осветления прямых эмульсий загрязняющих веществ и на его основе разработать технологию очистки стоков, загрязненных смазочно-охлаждающими жидкостями.

Для достижения поставленной цели необходимо было решить следую-

щие задачи:

1) провести теоретический анализ процессов, происходящих при смешиЕании гру^о и мелкодисперсных эмульсий ;

2) установить закономерности процесса осветления эмульсий и объяснить его. особенности по сравнению с классической жидкостной экстракцией;

3) испытать различные аппаратурные решения для осуществления экстракционного осветления и предложить технологические схемы и регламент очистки стоков, загрязненных СОН;

4) провести эколого - экономические оценки эффективности предлагаемых вариантов очистки.

НАУЧНАЯ НОВИЗНА.Впервые теоретически и экспериментально изучены и установлены механизмы экстракционной очистки водных потоков от диспергированных масел и нефтепродуктов, а также определены основные закономерности этого коллоидно - химического процесса. Показано, что определяющими скорость процессами при ооветлегии нестабилизированных эмульсий являются коагуляция и коалесценция, а при проведении процесса в поле центробежных сил - седиментация. При осветлении стабилизированных эмульсий СОЖ существенное значение имеют скорости удаления прослоек водной фазы из уплотненного слоя эмульсии-и разрушение стабилизирующих оболочек.

Установлено, что механизмы классической и мембранной экстракции при экстракционном осьетлении эмульсий диспергированных веществ со столь нивкой растворимостью в водной фазе, как у. масел и нефтепродуктов, не играют существенной роли.

Выявлены управляющие скоростью процесса экстракционного осветления фактор!', среди которых важнейшими являются концентрация коагулянта (флокулянта), соотношение фаз и гидродинамическая обстановка б аппарате, а также массоперенос третьего компонента, приводящий к возникновению эффектов Марангони-Гиббса.

ПРАКТИЧЕСКАЯ ЗНАЧИМОСТЬ РАБОТЫ. Разработан метод экстракционной очистки водных потоков от змульгированн&ч масел и нефтепродуктов, позволяющий за одну стадию удалить более 94% диспергированных веществ, включая и вещества, специально стабилизированные поверхностны)«! структурами, как в случае СОЖ металлообрабатывающих заводов и производств стекловолокна.

Показано, что скорость экстракционного осветления прямых устойчивых эмульсий в десятки и даже сотни раз превышает скорость

гравитационного осветления.

Установлено, что для успешного осуществления процесса экстракционного осветления прямых эмульсий можно воспользоваться аппаратурой жидкостной экстракции, учтя необходимость увеличения времени пребывания обрабатываемой смеси в аппарате.

Предложена технологическая схема, ее аппаратурное оформление и технологический регламент очистки водных потоков, содержащих СОЖ.

АПРОВАДИЯ РАБОТЫ. Основные материалы работы докладывались на X конференции по экстракции, Уфа, 1S34 г., а такие на конференции "Решение экологических проблем г.Москвы в рамках программы " Конверсия -городу " и на конференции молодых ученых инженерного экологического факультета РХТУ им. Д.И. Менделеева, Москва, 1995.

На защиту выносятся:

1. Анализ промышленных источников прямых эмульсий.

2. Результаты кинетических исследований экстракционного осветления прямых устойчивых эмульсий и представления о механизме протекающих процессов.

3. Результаты испытаний периодического реактора и центробежного экстрактора в режимах экстракционного осветления нестабшшзированных и стабилизированных эмульсий СОЖ.

4. Технологические схемы и регламент очистки стоков, содержащих компоненты СОЖ.

5. Сравнительные эколого - экономические оценки эффективности разработанных технологических решений.

Структура и объем диссертации.

Диссертационная рабста изложена на 163 страницах машинописного текста. Она состоит из двух частей: обзора литературы и теоретико -экспериментальной. Диссертация содержит 23 рисунка , 33 таблиц, введение, литературный обзор, теоретический анализ проблемы, экспериментальный раздел, включая методики эксперимента, результаты экспериментов и их обсуждение, сведения об испытании предложенного метода очистки водных потоков от компонентов СОЖ, сравнительную эколого- экономическую оценку эффективности предлагаемых технологических решений, общих выводов, списка использованной литература, состоящего из 55 библиографических наименований.

- 4 -

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ ЧАСТЬ ПЕРВАЯ

1. Введение. Обоснована актуальность проблемы и сформулировзга основная цель исследования.

2. Обзор -литературы. Описаны промышленные источники прямых эмульсий , приведены краткие сведения об обезвреживании маслосодерка-цих стоков различных производств.

Основное внимакиэ уделено физико-химическим принципа!,1 управления устойчивостью прямых эмульсий. Зтот раздел вмещает данные о типа--: эмульсий и видач их устойчивости, теорию ДЛФО и ее модификации, современные представления о процессах, обеспечивающих устойчивость систем по отношен™ к процессам коагуляции, гетерокоагуляции и адагуля-ции.

Критически проанализированы существующие методы и аппаратура для очистки стоков от диспергированных миров, масел и нефтепродуктов и сделано заключение о недостатке теоретических и экспериментальных результатов, описывающих процессы при смешении прямых устойчивых эмульсий с органическими растворителями, нерастворимыми б водной фаза. Именно этот недостаток не позволяет применить прогрессивный метод экстракции для очистки стоков, зачастую представляющих собой прямые эмульсии. В то же время, последние обусловливают сброс в канализационные системы и поверхностные еоды основной части стоков, приводящих к повышенным ' величинам ХПК, ЁПК и органического углерода и к переносу органических з'агрязняющих веществ на большие расстояния.

ЧАСТЬ ВТОРАЯ

5. Теоретический анализ проблемы.

Намечаемое в. данной работе экспериментальное исследование потребовало проведения априорного системного анализа процессов, протекающих в турбулентных потоках при смешении двух роев капель: изначального, представляющего капли прямой устойчивой эмульсии загрязняющего вещества и специально создаваемого множества более крупных капель экстраген-та. Этот анализ подразумевает выделение наиболее значимых стадий, определяющих скорость процесса, с тем , чтобы в дальнейшем упростить поиск управляющих факторов в планируемом эксперименте.

На рис.1 представлена подвергнутая анализу схема параллельных и последовательных стадий, от скорости которых зависит общая скорость процесса осветления. Рассчитать скорость каждой из стадий при данном уровне знаний не представляется возможным, можно лишь по порядку величины оценить характерные времена осветления при независимом проте-

- о -

калии катдой иа ни;:.

Оказалось, что при размере капель , мкм для гравитационного осветления наполовину путем седиментации требуются часы. Применение искусственных полей гравитации ускоряет этот процесс, согласно формуле Сгекса в е / (?цраз. В случае применения центробежных экстракторов марки ЩЭ центробежные силы увеличивают силу тяжести почти на два порядка, что сокращает время осветления до первого десятка минут.

Экотрокцип

Флокуляцил

Седиментация

Коагуляция

X ] N

Коалесценция Седиментация

-Флотация

- Экстракция чераз прослойку

Флотацкя Адагуляция

экстракция через прослойку

Родиспергарованне -

Седиментация Седиментация

Рис.1. Схема процессов при экстракционном осветлении.

Механизмы классической или мембранной ( через прослойку мевду контактирующими каплями ) экстракции оказываются несущественными. Характерное время процесса в этом случае может достигать ( из-за малой растворимости поллютанта в воде) тысяч и даже десятков тысяч часов.'

Поэтому при проведении процессов в поле гравитации и при характерном экспериментальном времени осветления, измеряемом минутами, кинетика осветления определяется процессами коагуляции, флокуляции, ко-алесценции и масляной флотации. В то же время при проведении экстракционного осветления в поле центробежных сил на первый план выступает седиментация в сочетании с теми же процессали.

Гидродинамика играет двоякую роль. С одной стороны, частота соударения капель возрастает с увеличением интенсивности перемешивания, а с другой - вероятность слияния капель уменьшается из -за возрастания частоты распада дублетов и мультиплетов.

По этим же причинам значимым может быть влияние объемной доли экстрагента в смесительной камере аппарата, а о ведущей роли стадии коалесценции могло бы свидетельствовать влияние массопереноса растворимого в воде компонента на кинетику осветления, подобно наблюдаемому

при сепарации эмульсий в отстойных камерах экстракторов. 4. Экспериментальная часть.

Для приготовления устойчивых эмульсий использовали диспергатор марки МРИ-32 ( п = 8000 мин-'", Ь = 20 мин ).

^ В табл.1 приведены сведения о диспергированных органических веществах, диапазоне их концентраций, аппаратах для проведения экстракционного осветления, типе экстрагентов и о размерах капель осветляемой эмульсии, определенных по методу лазерного светорассеяния на интерферометре марки ЛКС - 1.

Таблица 1.

Исследованные системы и некоторые характеристики прямых эмульсий

№ Диапазон Диапазон

Диспергированные Экстра- конц. дис- размеров Аппарат

п/п в воде вещества гент персной капель,

фазы, иг/л шш

1 Моторное масло М5310Г cci4 150-500 1-20 "Шюттель"

2 Моторное иасло М5310Г СНС13 150-500 1-20 "Шюттель"

3 Моторное масло Mg31qT С8Н18 150-500 1-15 "Шюттель"

4 Моторное масло М5310Г С10Н22 150-500 1-15 "Шюттель"

5 Приборный вазелин МВП cgi4 150-500 1-10 "Шюттель"

6 Приборный везелин МВП CHClg 150-500 1-10 "Шюттель"

7 Приборный вазелин МВП We 150-500 1-10 "Шюттель"

8 Пр" П вазелин МВП С10Н22 150-500 1-10 "Шюттель"

9 Иг. льное С10Н22 1000 3-30 Реактор

La ело И-20

10 Додеканол С10Н22 1000 0,8-5 Реактор

11 С0Ж металлорезки 1000 0,5-2 Реактор

(на основе укринола-1)

12 Декан С10Н22 1000 5-30 Центробе-

еный экс-

трактор

13 COS стекловолокно- С10Н22 10000 0,5-3 То se

го производства

Предварительные эксперименты ( опыты серий 1-8, табл.1 ) проведены с использованием конических колб (об'ем 100 см3), размещаемых на механическом всряхивателе марки "Шюттель". Степени извлечения оп-

|.адлягян по изменения поглещепш света экстрактами с испольвовяшем спок?ро$отсмесра " Срееогс! -40 " н?. длине волны <->35 - 312 им а вааи-сю.'.осси от извлекаемого вещества н типа экотрагента.

При проведении экспериментов с регктором периодического действия ( опыты серий 9 -'11, табл.1 ) основным методом анализа была турбиди-метрия, осуществляемая на фотоэлектроколсриметре марки КГ - 77 . Лопастная мэиалка в реакторе объемом 200 см^ снабженной отражательными перегородками и рубашкой для термостатирования, приводилась во Ераце-ние электродвигателем - вариатором МЯ -25, обеспечивающем точное выставление частот в диапазоне 50 - 2500 мин/

Непрерывный процесс экстракционной очистки изучали с использованием лабораторной модели малогабаритного центробежного экстрактора марки ЩЗ конструкции НИКШТ (опыты серий 12 и 13, табл.1 ). Измерения интенсивности вращения вала аппарата производили стробоскопическим методом. Расходы фаз выставляли о помощью перистальтических насосов-дозаторов. Схема включения мцэ и дозаторов давала возможность осуществлять любую степень рециркуляции каждой из фаз ( эмульсии и зкстрагеи-та). Для определения степеней осветления применяли турбидиметрический метод анализа.

Отдельные эксперименты, проведенные с целью установления механизма лимитирующей стадии процесса осветления, предусматривали применение термостатированной диффузионной ячейки Льюиса объемом 200 см ^ о удельной поверхностью контакта фаз - 0,314 см3и возможностью из^р-нения частоты вращения лопастных мешалок в диапазоне 100 - 400 мин/'

Статистическая обработка данных выполнена на персональной! компьютере по стандартной программе.

Поиск условий экстракционного осветления прямых эмульсий '(предварительные эксперименты) -

Серия данных экспериментов проведена с нестзбтййзированными эмульсиями, седиментационная устойчивость которых обеспечивается малым размером капель, а агрегативная - особенностями формирования 'потенциальных и силовых ям на кривых взаимодействия лиофобных дисперсий ( теория ДЛЮ ). Цель этих экспериментов - в определении кинетических особенностей взаимодействия капель неполярного "масла" -размером 1-20 мки с крупными каплями (1 - 5 мм) неполярного экстрзтейта.

Данные табл.2 дают представление о характерных временах осветления при проведении процесса в режиме "ленивого" перемешивания, когда удельная поверхность контакта экотрагента с осветляемой эмульсией

з

составляет величину порядка нескольких см . Они свидетельствуют также и о том, что_природа извлекаемого вещества и зкстрагента не является определяющим фактором, хотя в случае октана получено труднообъяснимое снижение скорости, выходящее далеко за коридор ошибок. Кроме того полученные данные говорят о принципиальном изменении механизма дестабилизации эмульсий по сравнению с седиментационным. Время половинного отстаивания составляет десятки часов, а время экстракционного осветления - десятки минут.

Таблица 2

Кинетика экстракционного осветления некоторых прямых эмульсий

По Система Конц. Степень извлечения (Е) со время т мин

п/п Извлека- Зкст- мг/л 5 Равнове-

емое 10 15 20 25

вещество рагент сне |

1 м5з10г СС14 150 - 0,67 о,ьо - - 0,93-0,01

2 М5з10г СС14 300 0,70 0,88 0,88 - - 0,90-0,03

3 м5з10г СС14 500 0,60 0,72 0,73 0,78 0,80 0,89±0,03

4 мвп 150 0,88 0,88 0,85 0,89 - 0,92±0,03

5 мвп СС14 300 0,81 0,80 0,78 0,79 0,94 0,95±0,03

6 мвп СС14 500 0,75 0,86 0,89 0,89 0,86 0,92-0,02

7 м5з10г СНС13 150 0,64 0,77 0,81 0,85 0,94 0,93±0,05

8 М5з10г СНС13 300 0,77 0,81 0,35 0,86 0,87 0,95-0,03

9 %3,'оГ СНС13 500 0,61 0,65 0,70 0,79 0,80 0,90±0,03

10 мвп С10Н22 150 0,46 0,72 0,75 0,78 0,84 0,86±0,06

11 Ш1 С10Н22 300 0,56 0,57 0,69 0,70 0,77 0,85^0,05

12 мвп с10н22 500 0,52 0,64 0,74 0,83 0,85 0,89±0,03

13 мвп С8Н18 150 0,27 0,39 0,42 0,45 0,46 0,73±0,08

14 мвп °8Н18 300 0,39 0,43 0,44 0,45 0,45 0,80±0,06

15 мвп С8Н18 500 0,44 0,42 0,47 0,48 0,48 0,85±0,05

Вачсиейшая особенность процесса состоит в резком замедлении скорости осветления по мере извлечения "масла", подобно тому , как это происходит при экстракции с образованием межфазных пленок. Так, извлечение за первые 5 минут намного больше, чем за последующие 20.

Применение ячеек Льюиса для изучения процесса осветления по методологии, развитой для исследований механизма экстракции, показало,

что осветление, скорее всего, протекает черев стадии адсорбции (коагуляции в дальнем потенциальном минимуме ) мелких капель на плоской мегг.фэ5ной поверхности системы жидкость - жидкость с последующей лимитирующей процесс стадией утоньчения водной прослойки, гавершг^дейсп коалесценцией. -Об этом ке говорит отсутствие зависимости коэффициентов массопередачи от гидродинамической обстановки в ячейке, ожидаемое з соответствии с уравнением кинетики массопередачи:

Р Ч

ЗЬ = к 0 / й » сопэЬ Ре • 5с где к - коэффициент массопередачи, Б - коэффициент диффузии, а -определяющий размер, Ее - критерий Рейнольдса, 5с 0 - критерий ¡Дмвдта, р и д - параметрические чувствительности.

Обычно при жидкостной экстракции величина р изменяется в пределах 0,6 - 0,8. Более низкие величины характерны для случаев протекания медленных поверхностных процессов, такчх как химические реакции и образование межфазных пленок.

При экстракционном осветлении эмульсии моторного масла М5з10г четыреххлористым углеродом в диффузионной ячейке Льюиса величина р, рассчитанная по формуле:

р = С 1п кг - 1п ] / . С 1п п^ - 1п п^] сказалась равной 0,094, что подтверждает вывод о протекании медленных поверхностных процессов.

Сравнение абсолютных скоростей и коэффициентов массопередачи в опытах, проведенных на встряхивателе " Шоттель •„" и на ячейках Льюиса, свидетельствуют о существенном влиянии процессов обновления межфаэной поверхности на общую скорость осветления. Коэффициенты массопередачи в ячейке Льюиса оказались на порядок более низкими, что является дополнительным подтверждением лимитирующей роли стадии удаления водной прослойки. В результате в ячейке Льюиса происходив быстрое "старение" межфазной границы, выражающееся в накоплении на ней слоев мелких капель в процессе обратимой коагуляции. Эти капли не успевают коалесци-ровать, а их плотная упаковка препятствуют оттоку жидкости прослойки и уменьшает общую скорость осветления.

Величины предельного извлечения не зависят от объемной доли экс-трагента X = ч0/ У/при ее изменении от 2,6 до 0,5 и варируют в диапазоне 0,73-0,96 ( табл.2 ) с относительной погрешностью, достигающей иногда 11%. Из этих наблюдений следует важный для аналитических определений нефтепродуктов вывод о том, что основная ошибка анализа может

Сыть связана с дисперсией воопрокаводкмсотв процесса экстракционного концентрирования, который ьсегда предшествует приборному измеряй».

Законе?, ¡ерности процесса экстракционного осветления ппямых кест~-билизированных эмульсий в непроточном реакторе.

Возможность физического моделирования и масштабирования процессов в реакторах на основании данных, полученных на лабораторных моделях, является важным достоинством таких экспериментов. Кроме того, при использовании периодического реактора улучшалась воспроизводимость результатов и уменьшались затраты времени и материалов.

Прежде всего было проведено сравнение кинетики процессов седиментации и экстракционного осветления при одинаковых составах исходных устойчивых эмульсий индустриального масла И-20 ( характеристика эмульсий дана в табл.1 под N 9 ). Цель эксперимента - подтвердить сделанный выше вывод о существенном выигрыше в скорости при переходе от отстаивания к экстракции и найти дополнительные управляющие воздействия.- Для сравнения кинетики процессов экстракции и седиментации предложено пользоваться величинами факторов ускорения- Фу(1), которые были рассчитаны по формуле;

Фу 00 = ку К с = 1п [ 1 - ЕЬэЗ / 1п С 1 - Е1с] .где К и К - коэффициенты скорости процессов, Е1 и ЕЬ - степени осветления, подстрочные значки э и с относят величины к процесса.! экстракции к седиментации, соответственно.

В табл.3 представлены результаты сравнительного анализа процессов экстракционного и седиментационнаго осветления эмульсии масла И -20 при его концентрации 1000 мг/л и рН = 5,5, показывающие возможность увеличивать скорость осветления почти на два порядка по сравнению с обычно используемым процессом отстаивания. Эти же данные свидетельствуют о существенном влиянии небольших добавок сульфата алюминия на кинетику обоих процессов, что говорит об общности механизмов осветления, включающих стадию коагуляции как значимую.

Сравнение абсолютных скоростей экстракционного осветления при проведении процесса в периодическом реакторе с процессами при " ленивей,! " перемешивании на встряхивателе " Шюттеля" указывает на сложное и даме неоднозначное влияние гидродинамической обстановки. Действительно, увеличение интенсивности перемешивания в реакторе, сопровождающееся резким увеличением числа капель - "захватчиков" не приводит к столь же большому увеличению числа капель - "пленников", поскольку захват является обратимым, т.к. осуществляется весьма слабыми силами ,

- и -

действующими в дальней потенциальной яме. Дублеты и мультиплеты раава-ливаютоя в турбулентном поле, поэтому требуется оптимизация услоеий перемешивания и создание поля изотропной турбулентности с тем, чтобы достичь достаточно большой межфазной поверхности при относительно малых внутренних градиентах скоростей.

Перспективным представляется разделение процессов приготовления эмульсин экстрзгента и смешения ее с дисперсией поллктакта.

Таблица 3

Сравнение кинетики экстракционного осветления и седиментации

через факторы ускорения Фу

Парвметры процессовв и факторны ускорегашя КОНЦ. СОЛИ АЛЮМИНИЯ (III) иоль/л.

0 10'"5 ш-4 ю-3 10-2

Кс(15),мин~1 кэ(15),мгаГ1 Фу (15) кс(60),мшГ1 КдСбО),^!"1 Фу (60) 5,56.10~3 0,114 20,5 1,93.10"3 0,116 60 8,52.10_3 0,130 15,3 3,72. Ю-3 0,126 34 16,5.10-3 0,220 13,3 6,92.10"'3 0,221 32 31 ,0.10""° 0,350 11 ,3 11 ,О.10~3 0,352 32 30,7.10"3 0,410 13,3 13,6.1 а-3 0.462 34

В литературе большое значение придается влиянию диффузионных потоков на процесс утончения прослойки сплошной фазы, разделяющей сливающиеся капли. Механизм этого явления связывают с возникновением градиентов межфазного натяжения и течений Марангонн-Гиббса.

Обнаружение заметного влияния переноса ПАВ (изобутанола) могло бы свидетельствовать о значимости процесса утончения прослойки и последующей коалесценции. Обсуждаемые эффекты были обнаружены и оказались значительными при переносе изобутанола в системах с низкими величинами межфазного натяжения (осветление эмульсий додеканола) и совсем незначительными в системах с высоким натяжением (осветление эмульсий масла И-20). Эти факты были объяснены с помощью представлений о спонтанном эмульгировали!, и образовании микрогетерогенной межфазной структуры в неравновесных системах жидкость-жидкость, обеспечивающей более.прочное удержание " пленника" вследствие увеличения эффективной площади его взаимодействия с окружающими микрокаплями, чем это имеет место на "гладкой " границе.

Закономерности экстракционного осаотленгя прямых стабилизированных эмульсий в непроточном реактора (на пршеое.СОЩ.

Стоки, содержащие стабилизированные зыудьсии С0:к, существенно увеличивает ХПК, ЕПК и содержание ПАВ в принимающих коллекторах. Платы за сбросы .в- этом случае могут ощутимо сказываться на экономическом статусе предприятия. Поэтому обычно требуется созда;ие локальных установок очистки стоков от компонентов СОЖ. Такие стоки, однако, являются сложным объектом и вопрос их очистки остается не решенным удовлетворительно даже на крупных ыашностроительных заводах.

Систематические исследования кинетики очистки модельных водных систем, содержащих■СОЖ металлообработки и вытяжки стекловолокна показали, что:

* процесс осветления протекает более медленно, чем нестабилизи-рованных эмульсий,что связано с необходимостью удаления структурно -механических стабилизирующих барьеров с поверхности капель?

* кинетика осветления существенным образом зависит от стадий коагуляции, удаления прослойки и разрыва стабилизирующего барьера;

* заметную роль начинает играть стадия.масляной флотации материала барьера, собирающая его на межфазной границе в виде третьей фазы;

* влияние объемной доли экстрагента неоднозначно.

С практической точки зрения важно то, что разбавленные стоки, содержащие до 1000 мг/л ССШ можно очистить от масла и ПАВ даже без введения коагулянтов, причем скорость процесса ( в отличие от нестабили-вированных эмульсий) тем выше, чем интенсивнее, перемешивание ( см. таблицу 4 ), а степень осветления достигает 93%. Очистка может быть произведена любым органическим растворителем, например деканом, а на производстве - дизельным топливом.

Таблица 4

Влияние интенсивности перемешивания на кинетику осветления эмульсии СОЖ металлообработки, X = У0/ 1, рН = 9,2.

Интенсивность ьращения мешалки, мин~*

Степень экстракционного осветления Е ; в % за I ,мин

10 15 20 30 равновесие

1000 1500 2000 2500

6 6 - 8 10 - -

22 47 68 83 90 93

32 49 71 86 91 94

50 76 '85 88 93 92

Рм-Г'Стэ с row, использование гидродинамического фактора ограничено возможностью образования вторичных устойчивых эмульсий в связи с наличием в систем® ПАВ. Это же необходимо учитывать и при вариирова-нии объемней доли экстрагента.

„ Введение коагулянтов, например солеи алюминия в концентрациях (10'- 10"моль / л) весьма значимо сказывается на кинетике осветления.

Испытание метода непрерывного экстракционного осветления прямых эмульсий с использованием центробежного экстрактора

Применение центробежных экстракторов, представляющих собой объединенный в одном аппарате комплекс: проточный реактор - проточная лзнтрпфуга для целей экстракционного осветления требует дополнительных исследований особенно в случае эмульсий СОК, поскольку при этом возникает третья фаза и возможно присутствие твердого.

Испытания, проведенные на нестабилизированных эмульсиях декана в веде показали что в поле центробежных сил, которые для экстрактора МЦЗ пти 3000 мин'как минимум в 100 раз превышают гравитационные, осветление эмульсии происходит за счет потери седиментационной устойчивости. Осветление на 75 % достигается при простом центрифугировании уже за первую минуту. Введение декана в качестве экстрагента незначимо ускоряет процесс, почти не изменяя предельной степени очистки, которая достигает " 9-5 X - 96 '%. Полученные результаты и в этой случзе свидетельствуют в пользу седиментационного механизма осветления.

При исследовании осветления, стабилизированных эмульсий СОЖ с содержанием масла до 20 г/л установлено, что, хотя, седиментация дает значительный вклад в общее время процесса, однако его кинетика имеет и специфические черты:

* процесс протекает медленнее;

* введение экстрагента почти в 2 раза ускоряет осветление;

* исключительно велико влияние добавок коагулянтов;

* отмечается положительное влияние добавок веществ, разрушающих стабилизирующие оболочки, например мочевины.

Сказанное иллюстрирует рис.2.

Мы предполагаем, что процесс как бы протекает в две стадии. Первая, более быстрая, представляет собой седиментации капель в центробежном поле, завершающуюся образованием в центрифуге трех слоев: осветленной водной фазы, уплотненной эмульсии масла в воде и экстрагента. Эта стадия обратима, в том смысле, что при остановке экстракта-

-1 4-

Рис.2. Зависимость степени осветления (Е) стабилизированной эмульсии от времени пребывания (.1;) в МЦЭ.

1-центрифугирование; 2-зкстракция (Х=1) ; З-5-Экстракция

в присутствии ионов А1(III), моль/л:(з)10_б;(4)5'10-6;(б)10-5; б-центрифугирование в присутствии мочевины (3%).

СБРОС ИМ АДСОРБЦИОННАЯ ДООЧИСТКА

СЖИГАНИЕ

Рис.3.Технологическая схема процесса экстракционного осветления.

ра слой уплотненной эмульсии мелет самопроизвольно пептиэироваться, образуя вновь разбавленную стабилизированную прямую эмульсию. Вторая, более медленная стадия, является процессом дальнейшего уплотнения пропеку точного слоя эмульсии, завершающегося коалесценцией. Такой процесс требует фильтрации прослоек водной фазы через слой эмульсии. Именно это, по нашему мнению, и обуславливает исключительно высокую чувствительность скорости процесса к малейшим добавкам солей алюминия.

Технологическая схема и сравнительная эколого - экономическая-оценка очистки стоков, содержащих СОИ.

Эксперименты на лабораторном стенде, позволявшем проводить длительные испытания с использованием центробежного экстрактора марки МПЗ в различных режимах, показали возможность получения устойчивых результатов. При концентрации " масла" в эмульсиях ССОК до 20 г/л и ускорении силы тяжести, порядка 100 g-, удавалось достигать 95 - 97 % степени очистки как по мутности, так и по величинам ХПК. При этом время пребывания в экстракторе следует поддерживать равным 10 - 12

-2 S

минут, концентрацию коагулянта - сульфата алюминия - 10 - 10 моль/л, рН = 8,5 - 10,2 . Установлено также, что при описанных условиях, одной загрузкой -экстрагента можно (без потери эффективности очистки) обработать 9 - 10 объемов водной фазы, после чего экстрагент удаляется ка сжигание ( см. схему на рис. 3 ).

Проведены сравнительные эколого-экономические оценки двух вариантов очистки стоков СОК машиностроительного завода дебитом 1000 литров в сутки и концентрацией " масла " - 20 г /л. Первый вариант предусматривает использование центробежного экстрактора марки ЗЦТ - 100, второй - ступени смесителя отстойника с пульсационным перемешиванием и перекачкой.

Годовой эколсго-экономический эффект в первом варианте - 202,8 млн.руб., а во етором - 201,8 млн.руб. Остаточные'ущербы соответственно: 24,2 млн.руб. и 19,98 млн.руб.

5.ЕЫВ0ДЫ

1. На основании анализа литературных данных установлено, что основное количество масел и нефтепродуктов поступает от промышленных предприятии в поверхностные воды и переносится на дальние расстояния в виде разбавленных прямых эмульсий. Возникновение последних затрудняет создание эффективных комбинированных методов очистки сложных по составу стокоз.

2. Впервые теоретически проанализировано процессы, протекайте при экстракционном осветлении прямых устойчивых омулызий и на основании предложенной схемы параллельно - последовательных коллоидна - химических процессов спланированы эксперименты.

3. Установлены закономерности экстракционного осветления седц-ментационно - и агрегативно устойчивых прямых эмульсий, найдены наиболее важные факторы, влияющие на кинетику процесса и объяснены причины их существенного влияния. Показано, что механизмы жидкостной и мембранной экстракции оказываются не определяющими. При осветлении в гравитационном поле суммарную производительность определяют коагула-ционио - коалесцентные процессы, сопровождающиеся в случае СОЯ процессами разрушения стабилизирующих оболочек и их масляной флотацией с образованием самостоятельной третьей фазы. В поле центробежных сил существенную роль начинает играть седиментация.

4. Установлено, что экстракционное осветление неотабшзизированных эмульсий*в десятки раз быстрее седиментации в гравитационных отстойниках - осветлителях. Еще больший выигрыш в скорости наблюдается в случае стабилизированных эмульсий СОЖ, что открывает хорошие перспективы для применения экстракционных методов особенно, если учесть наличие .разнообразной экстракционной аппаратуры.

6. Проведены стендовые испытания установки экстракционного осветления модельных эмульсий и эмульсий СОЖ металлообработки и вытяжки стекловолокна с использованием малогабаритного центробежного экстрактора, разработанного НИКШТ. Предложена технологическая схема и отработан регламент процесса очистки стоков, содержащих до 20 г/л СОЖ ; проведены сравнительные эколсго - экономические оценки применения экстракционного осветления на производительность 1000 литров в сутки с использованием экстрактора марки ЭЦТ и ступени пульсационного смесителя - отстойника.

Основное содержание диссертации изложено в работах:

1. В.В.Тарасов, . Сайд Аль-Изи Салех Атия. Экстрактивная деэмуль-сификация.// Материалы X конференции по экстракции, г. Уфа, 14 - 18 ноября 1994 г., Изд. РАН, Москва, 1994 , с. 113.

2. В.В.Тарасов, Сайд Аль-Изи Салех Атия. Экстрактивное осветление маслосодержэлщх,стоков.// Материалы научно-практической конференции "Решение экологических проблем г. Москвы в рамках программы" Конверсия - городу". 14 - 16 декабря 1994 г., Москва, с. 140.