Бесплатный автореферат и диссертация по географии на тему

Структурные и ампирические исследования микрофильтров из отходов шиноремонтного производства

ВАК РФ 11.00.11, Охрана окружающей среды и рациональное использование природных ресурсов

Текст научной работыДиссертация по географии, кандидата технических наук, Газизова, Ольга Викторовна, Казань

/

КАЗАНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ

УНИВЕРСИТЕТ

СТРУКТУРНЫЕ И ЭМПИРИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ МИКРОФИЛЬТРОВ ИЗ ОТХОДОВ ШИНОРЕМОНТНОГО

ПРОИЗВОДСТВА

11.00.11. - Охрана окружающей среды и рациональное использование

природных ресурсов.

На правах рукописи

Газизова Ольга Викторовна

ДИССЕРТАЦИЯ

на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Научный руководитель: д.х.н., профессор А.А.Мухутдинов

Казань-1999 г.

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ 5

ГЛАВА 1. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ И ПЕРСПЕКТИВЫ 10

ПРИМЕНЕНИЯ МИКРОФИЛЬТРОВ ПРИ ОЧИСТКЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ЖИДКОСТЕЙ И СТОЧНЫХ ВОД

1.1. Особенности разделения жидких сред микрофильтрацией 10

1.2. Использование микрофильтрации для очистки сточных вод 13 и технологических жидкостей

1.3. Выбор материала и способа изготовления микрофйльтров 18

1.3.1. Полимерные микрофильтры 20

1.3.1.1. Микрофильтры из растворов полимеров 21

1.3.1.2. Микрофильтры из порошков полимеров 22

1.3.1.3. Микрофильтры из полых волокон 24

1.3.1.4. Микрофильтры из макромонолитных плёнок 25

1.3.2. Металлические микрофильтры 26

1.3.3. Стеклянные микрофильтры 27

1.3.4. Керамические микрофильтры 28

1.3.5. Композиционные микрофильтры 29

1.3.6. Динамические мембраны 31

1.4. Отходы шиноремонтного производства и перспективы их 34 применения для получения микрофильтров

1.4.1. Способы утилизации отходов шиноремонтного производства 34

1.4.2. Получение микрофильтров из отходов шиноремонтного 37 производства

-з -

ГЛАВА 2. СТРУКТУРНЫЕ И ЭМПИРИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ 39 МИКРОФИЛЬТРОВ ИЗ ОБОЖЖЁННОЙ РЕЗИНОВОЙ КРОШКИ

2.1. Исследование структурных характеристик и физико-химических 39 свойств обожжённой резиновой крошки

2.1.1. Структурные исследования частиц ОРК 3 9

2.1.2. Основные физико-химические свойства ОРК 44

2.2. Структурные характеристики микрофильтров из ОРК 45

2.3. Эмпирические исследования микрофильтров из ОРК 51

2.3.1. Современное состояние проблемы очистки глицериновой воды, 52 полученной при безреактивном расщеплении жиров

2.3.2. Исследование эмпирических характеристик микрофильтров из 60 ОРК в лабораторных условиях

2.3.2.1. Исследование влияния степени измельчения ОРК и толщины 60 фильтрующего элемента на проницаемость и селективность микрофильтров

2.3.2.2. Исследование влияния рабочего давления на проницаемость 64 микрофильтров из ОРК

2.3.2.3. Исследование влияния концентрации глицерина на 66 проницаемость микрофильтров из ОРК

2.3.2.4. Исследование влияния температуры раствора на 68 проницаемость и селективность микрофильтров из ОРК

2.3.2.5. Определение фильтрационной ёмкости микрофильтров 70 из ОРК

2.3.3. Проведение и анализ опытно-промышленных испытаний 74 микро фильтров из ОРК

2.4. Разработка усовершенствованной технологии очистки 81 глицериновой воды микрофильтром из ОРК.

ГЛАВА 3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ 85

3.1. Получение обожжённой резиновой крошки 85

3.2. Методы исследования структурных и физико-химических 85 свойств ОРК

3.2.1. Дисперсный анализ частиц ОРК 85

3.2.2. Определение насыпной плотности ОРК 86

3.2.3. Структурные исследования частиц ОРК 86

3.2.4. Методы исследования физико-химических свойств ОРК 87

3.3. Получение микрофильтров из ОРК 87

3.3.1. Получение микрофильтров из порошковой ОРК 87

3.3.2. Получение композиционных микрофильтров из ОРК 88

3.4. Методы исследования и расчёты структурных характеристик 89 микрофильтров из ОРК

3.4.1. Электронно-микроскопические исследования структуры 89 композиционных микрофильтров из ОРК

3.4.2. Определение общей пористости микрофильтров из ОРК 89

3.4.3. Определение плотности пор 91

3.4.4. Расчёт среднего радиуса сквозных пор в микрофильтрах 91 из ОРК

3.5. Исследования эмпирических характеристик микрофильтров 92 из ОРК

ВЫВОДЫ 96

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 97 ПРИЛОЖЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность работы. В настоящее время процесс микрофильтрации находит всё большее применение для решения проблем, связанных с очисткой технологических жидкостей и сточных вод. Это связано с тем, что использование микрофильтрации открывает возможности для создания принципиально новых технологических процессов - малоэнергоемких, без-реагентных и экологически безопасных, позволяющих осуществлять локальную очистку стоков по месту их образования с одновременным извлечением и утилизацией ценных компонентов / 1 / .

Очистка жидких сред от находящихся в них частиц разной природы методом микрофильтрации происходит как вследствие ситового эффекта, так и в результате действия на них поверхностных сил (дисперсионных, куло-новских, структурных) в области пор 12 1. По этой причине характеристики процесса микрофильтрации во многом зависят от выбора материала для изготовления микрофильтров.

В настоящее время для изготовления микрофильтров используется много разных материалов. Широкое распространение нашли полимерные микрофильтры. Их выпускают более 50-ти зарубежных фирм. Наиболее крупные из них: « Миллипор корпорейшн», « Абкор инкорпорейтид», « Амикон», «Гелман», «Зайтекс», «Нуклепор». В России изготовлением микрофильтров занимается ряд организаций. По ряду характеристик не уступают зарубежным аналогам отечественные полимерные микрофильтры «Владипор» производства Владимирского НПО «Полимерсинтез». Однако невысокая химическая и термическая стойкость большинства полимерных материалов ограничивает их применение.

Микрофильтры из других известных материалов не нашли широкого распространения по ряду причин: металлические - из-за высокой стоимости, стеклянные - из-за низкой проницаемости, керамические - из-за лёгкости разрушения при динамических нагрузках.

В связи с этим, расширение ассортимента материалов для изготовления микрофильтров является актуальной задачей. Особый интерес представляет использование с этой целью вторичных ресурсов. В этом плане весьма перспективным материалом является обожжённая резиновая крошка, полученная из отходов шиноремонтного производства, проблема с утилизацией которых до сих пор окончательно не решена.

Проведённые нами исследования структурных и эмпирических характеристик микрофильтров, изготовленных из обожжённой резиновой крошки, показали, что они отвечают основным требованиям, предъявляемым к микрофильтрам: обладают высокой проницаемостью и селективностью, химической и термической стойкостью, доступностью и дешевизной сырья для их изготовления, простотой способа получения.

В производстве технического глицерина по методу безреактивного расщепления жиров очистка глицериновой воды от эмульгированных жирных кислот является наиболее важной стадией, определяющей качество готового продукта. Из-за несовершенства и трудоёмкости действующей технологии данная стадия является одним из узких мест в производстве. Применение микрофильтрации позволило бы существенно повысить селективность очистки глицериновой воды от жирных кислот без внесения существенных изменений в технологическую схему, полностью исключить из неё процесс сепарирования, значительно снизить трудоёмкость узла нейтрализации, сократить потери глицерина и жирных кислот со шламом, улучшить качество готового продукта. Исследования в этом направлении ведутся более 20 лет. Использование полимерных микрофильтров не привело к положительным результатам. Поэтому, эмпирические исследования,

проведённые в данной работе, которые направлены на выявление возможности применения микрофильтров из обожжённой резиновой крошки для решения этой важной технологической проблемы, являются актуальными.

Данная работа открывает перспективы использования отходов шиноремонтного производства для решения ряда технологических и экологических проблем, связанных с очисткой жидкостей от эмульгированных загрязнений с низкой концентрацией дисперсной фазы. Областью возможного использования микрофильтров из обожжённой резиновой крошки может стать очистка сточных вод от жиров, нефтепродуктов, смазочных масел в различных отраслях промышленности.

Диссертационная работа выполнена в рамках программы «Конверсия и высокие технологии» (1994-1995), государственной программы республики Татарстан « Химия и химическая технология» (1997-2000).

Целью работы является разработка технологии получения микрофильтров из отходов шиноремонтного производства, исследование их структурных и эмпирических характеристик и выявление возможности использования микрофильтров из обожжённой резиновой крошки для очистки глицериновой воды от эмульгированных жирных кислот в промышленном масштабе.

Научная новизна:

- проведены исследования структуры и физико-химических свойств нового материала для изготовления микрофильтров, полученного при обжиге отходов шиноремонтного производства;

- разработана технология получения микрофильтров из обожжённой резиновой крошки;

- методом электронной микроскопии исследованы структурные характеристики полученных микрофильтров;

- показана возможность применения микрофильтров из обожжённой резиновой крошки для очистки глицериновой воды от эмульгированных жирных кислот;

- установлено, что селективность и проницаемость микрофильтров зависят от размеров частиц обожжённой резиновой крошки, толщины фильтрующего элемента, температуры и концентрации глицериновой воды.

Практическая значимость:

- предложен способ рационального использования резиновой крошки - отхода шиноремонтного производства, проблема с утилизацией которого до сих пор окончательно не решена;

- разработана принципиальная технологическая схема очистки глицериновой воды от жирных кислот с использованием микрофильтров из обожжённой резиновой крошки;

- проведены опытно-промышленные испытания в цехе № 7 АО «Нэфис», г. Казань, которые выявили возможность использования микрофильтров из ОРК для усовершенствования технологии очистки глицериновой воды от жирных кислот в производстве технического глицерина.

Апробация работы: результаты диссертации докладывались на Республиканской научно-практической конференции по экологии (г.Казань, 1994г.), Международной конференции по каучуку и резине «1ЫС94» (г.Москва, 1994г.), 2-ой региональной конференции «Экологические аспекты устойчивого развития республики Татарстан» (г.Казань, 1995г.), 2-й Российской научно-практической конференции резинщиков «Сырьё и материалы для резиновой промышленности: настоящее и будущее» (г.Москва, 1995г.), Международной конференции «Фундаментальные и прикладные проблемы охраны окружающей среды» (г.Томск, 1995г.), 4-ой конференции по интенсификации нефтехимических процессов «Нефтехимия-96» (г.Нижнекамск, 1996г.), отчётных научно-технических конференциях КГТУ (г.Казань, 1994-1996г.)

Публикации: основные результаты работы изложены в двух статьях и 4-х тезисах докладов.

Объём и структура работы: диссертация изложена на 110 страницах машинописного текста, включает 14 таблиц, 20 рисунков и список использованной литературы из 142 ссылок.

Работа состоит из введения, трёх глав, выводов и списка использованной литературы. В первой главе (литературный обзор) рассмотрены перспективы применения микрофильтров из различных материалов при очистке технологических жидкостей и сточных вод. Во второй главе изложено обсуждение полученных результатов по исследованию структурных и эмпирических характеристик микрофильтров из обожжённой резиновой крошки. В

третьей главе . х ______ : описана технология получения микрофильтров

из ОРК, приведены расчёты их структурных характеристик и методы исследования эмпирических свойств.

ГЛАВА1. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ И ПЕРСПЕКТИВЫ ПРИМЕНЕНИЯ МИКРОФИЛЬТРОВ ПРИ ОЧИСТКЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ЖИДКОСТЕЙ И СТОЧНЫХ вод

1.1. Особенности разделения жидких сред микрофильтрацией

Микрофильтрация - баромембранный процесс, который используется для разделения коллоидных систем, осветления растворов и отделения от них взвешенных микрочастиц и осуществляется с помощью пористых перегородок с диаметрами пор от 100 до 10000 нм / 1 /. Поскольку пористые перегородки для микрофильтрации имеют большие поры и оказывают относительно малое сопротивление потоку, то для создания движущей силы достаточно применения сравнительно небольших давлений ( 0,07 - 0,2МПа) 121.

Процесс микрофильтрации занимает промежуточное положение между ультрафильтрацией и « классическим » фильтрованием, поэтому на него в определенной мере распространяются закономерности каждого из этих процессов. Главное отличие этого процесса от ультрафильтрации в том, что при микрофильтрации допускается возможность образования на поверхности пористой перегородки твердой фазы (осадка), как при обычном фильтровании 13/. При микрофильтрации исходный поток может подаваться как тангенциально к поверхности разделительной перегородки, что характерно для ультрафильтрации, так и нормально, как при обычном фильтровании. Направление потока выбирается в зависимости от технологических условий проведения процесса /4,5 /.

При микрофильтрации в качестве модели структуры разделяющей перегородки принимается сито, обеспечивающее разделение многокомпонентной системы прежде всего из-за различия геометрических размеров живого

сечения капилляра и частиц одного из компонентов системы, поэтому для описания этого процесса можно использовать те же математические модели, что и для ультрафильтрации 16 1.

Вопрос о распространении уравнений гидродинамики, используемых при обычном фильтровании на процесс микрофильтрации, является спорным 111. По существу микрофильтрование является процессом разделения дисперсных систем на пористой перегородке с использованием тех же приемов, что и в случае «классического» фильтрования. Однако между этими процессами есть существенное различие, которое заключается в более высоких гидравлических сопротивлениях микрофильтров, обусловленное существенно меньшими диаметрами пор / 8 /. При малых значениях диаметров пор увеличивается вклад поверхностных взаимодействий на границе раздела жидкость — твердое тело в общее гидравлическое сопротивление / 9 /, , также возможно изменение значений местных коэффициентов сопротивления при изменении профиля или живого сечения канала за счет образования зон застойной и связанной жидкости в порах фильтрующего элемента /10/.

Обзор литературы за последние годы показывает, что наиболее перспективным направлением теоретических исследований является разработка метода расчета процесса микрофильтрации на базе основного уравнения массопередачи 111. Согласно этому методу процесс разбивают на три стадии : массоотдача от разделяемого раствора к микрофильтру, массопередача через микрофильтр и массоотдача от микрофильтра к фильтрату. Затем находят уравнения для определения скорости переноса вещества на каждой стадии /11/. Такой способ расчета открывает пути к оптимизации процесса микрофильтрации, так как позволяет определить, какая стадия является лимитирующей и указывает параметры, позволяющие снизить сопротивление массопереносу на той или иной стадии . На сегодняшний день разработка этого метода не завершена, поэтому для процесса микрофильтрации практикуется использование традиционно сложившихся методов расчета баро-

мембранных процессов / 1 /, базирующихся на эмпирических корреляциях по влиянию определённых факторов на основные характеристики (проницаемость и селективность), которые предполагают проведение лабораторных исследований с последующей проверкой на опытных установках / 12 /.

Микрофильтрации, как и всем баромембранным процессам, свойственно явление концентрационной поляризации /13/, которое заключается в постепенном увеличении концентрации растворённого вещества у поверхности микрофильтра вследствие преимущественного переноса растворителя через мембрану. В результате происходит падение проницаемости и селективности, сокращается срок службы микрофильтров /14 /. Для уменьшения вредного влияния концентрационной поляризации необходимо турбулизи-ровать прилегающий к поверхности микрофильтра слой жидкости, чтобы ускорить перенос растворённого вещества в ядро разделяемого раствора /15/. Этого добиваются применением в лабораторных условиях магнитных мешалок и вибрационных устройств / 16 /, а в промышленных установках -увеличением скорости протекания жидкости вдоль микрофильтра / 17,18 / и использованием различного рода турбулизаторов /19 /.

Теоретические и экспериментальные исследования последних лет /20-22 / показывают отсутствие принципиальных отличий между процессами ультрафильтрации и микрофильтрации, микрофильтрации и фильтрования. Такой интегральный подход представляется наиболее общим и позволяет более полно развивать представления о механизме каждого процесса в отдельности. Однако такой подход отчасти является причиной существующей на сегодняшний день неоднозначности в понятиях и терминологии процессов мембранного раздел