CC BY
16
Наведет результати дослiдження взаемоди солей жирних кислот як компонентiв стiчних вод з кальцю гдроксидом у кавШацшних полях, як збуд-жують в гiдродинамiчному кавiтаторi. Наведено дат IЧ-спектрографiчного аналгзу отриманих продуктiв
Ключовi слова: кавШащя, кальцю ггдроксид, солi жирних кислот
Приведены результаты исследований взаимодействия солей жирных кислот как компонентов сточных вод с гидроокисью кальция в кавитационных полях, возбуждаемых в гидродинамическом кави-таторе. Приведены данные ИК-спектро-графического анализа полученных продуктов
Ключевые слова: кавитация, гидроокись
кальция, соли жирных кислот
-□ □-
УДК 66.084.8 + 544.2
ДОСЛ1ДЖЕННЯ
вэлемодм солей
ЖИРНИХ КИСЛОТ э КАЛЬЦ1Ю Г1ДРОКСИДОМ У КАВ1ТАЦ1ЙНИХ ПОЛЯХ
Э. О. Знак
Доктор техшчних наук, професор* Контактний тел.: (032) 248-27-21; 096-457-87-73 E-mail: [email protected]; [email protected]
Р. В. Мних Астрант*
*Кафедра xiMiT i технологи неоргашчних речовин Нацюнальний ушверситет <^bBiBCb^ пол^ехшка» вул. С. Бандери, 12, м. Львiв, УкраТна, 79013
1. Вступ i постановка проблеми
В останш роки в Укра!ш дедалi загострюеться пи-тання охорони та збереження природного середовища, особливо водних об'ектш. Це зумовлено, передусiм, практично повним ^норуванням суб'ектами госпо-дарювання правил скидання стiчних вод i природнi водойми та вiдсутнiстю належного контролю з боку вщповщних шстанцш. Типовi очиснi споруди для очи-щення стокiв, що мiстять оргатчш забруднювачi, зо-крема кислоти жирного ряду та !х солi належать до бюлопчних й Грунтуються на мжробюлопчних проце-сах. Як правило, щ процеси характеризуються малою швидюстю, дуже чутливi до змiни хiмiчного складу стокiв, !х рН, температури, вшу мiкроорганiзмiв та структури екосистеми очисних споруд тощо. Реальною альтернативою бюлопчним методам е реаГентт iз застосуванням дешевих доступних реагенпв, напри-клад, кальцiю г1дроксиду, яю iз вказаними сполуками утворюють малорозчинш сполуки. Головною перешкодою застосування реаГентних методiв е порiвняно незначна розчиншсть кальцiю г1дроксиду.
Збiльшення активност як малорозчинного неорганiчного реагенту, так й штенсифжацш самого процесу очищення може бути досягнута з використан-ням кавиацшних полiв. Кавiтацiйна д1я на середовища охоплюе перемшування, диспергування, дц високих тисюв i температур, а також включае механоактиву-вання поверхонь твердих частинок.
2. Ан^з останшх дослщжень i публiкaцiй
Для створення кавиацшних полiв застосовують ультразвуковi генератори [1, 2], електророзрядш
[3] та гiдродинамiчнi [4, 5] випромiнювачi. Аналiз публжацш з питань кавГтацшно1 обробки дисперс-них середовищ дае змогу стверджувати, що лише
гiдродинамiчнi кавiтатори дають змогу забезпе-чити високi ефектившсть активацп твердо фазних реагентiв i продуктившсть процесу очищення стiчних вод та практично повну вГдсуттсть ерозп елементiв кавiтуючих пристро'1в. Тому для активацп кальцiю г1дроксиду було застосовано кавГтатор пдродинамГчно1 дГ1 оригшально1 конструкцп.
3. Мета роботи
Полягае в дослГдженш процесу активацп суспензп кальщю г1дроксиду та штенсифжацп l'l взаемоди Гз натрiю стеаратом як модельно! системи очищення стГчних вод вГд солей жирних кислот в гГдродинамГчних кавГтацГйних полях.
ДослГдження виконували в гГдродинамГчному кавГтаторГ струменевого типу Гз змшним кутом атаки сопел (90...160°), через яю подавали суспензГю Са(ОН)2. ПотужнГсть насоса - 1,1 кВт, тиск на входГ в кавГтатор -0,6 МПа.
ЕфективнГсть впливу кавГтацГйних полГв на реакцГйну здатшсть активованого Са(ОН)2 дослГджували методами потенцюметрп (кислотно-основного титрування), 1Ч-спектроскопп (1Ч-спектрограф SPECORD M-80), електронно1 мжроскопп (растровий електронний мГкроскоп JCM - 5000 Neo Scope), нефелометрп (фотоколориметр КФК-3 в режимГ нефелометра), гравГметрп та объемного (методика визначення хГмГчного споживання кисню (ХСК) в дослГджуваних середовищах за ДСТУ ISO 6060: 2003) аналГзу .
4. Результати i обговорення
Для створення ГмГтату спчно! води, що мГстить солГ жирних кислот, використовували натрГю стеарат,
i3 середньою довжиною карбонового ланцюга серед шших аналогiчних сполук. Маса натрш стеарату в розчинi-iмiтатi в1дпов1дала значенню ХСК стiчних вод 7000 (мг О2)/дм3.
Попереднiми дослiдженнями було встановлено, що оптимальний кут атаки струметв у гiдродинамiчному кавiтаторi (ГДК) дорiвнював 1150 (за цих умов досягали максимального значення теплового коефшДента корисно! дп, визначеного калориметрично, що дорiвнювало 77 %).
Результати дослщжень, виконаних i3 застосуван-ням ГДК, порiвнювали iз контрольними, отриманими за мехашчного перемiшування реакцiйного середови-ща в турбулентному режимi.
Очищення спчно! води суспензieю кальцiю г1дроксиду вщбуваеться внасл1док утворення малороз-чинного кальцш стеарату за реакцieю
2С17Н35СОО№+Са(ОН)2~ ~(С17Н35СОО)2Са+ 2NаОН. (1)
Оскiльки кальцiю пдроксид характеризуеться низь-кою розчиннiстю - близько 1,5 г/дм3 - то реакцш (1) вщбуваеться ян в об'емi середовища, так i на поверхш частинок Са(ОН)2. Унасл1док цього продукти реакцп блокують поверхню частинок кальцш пдроксиду, внасл1док чого ступшь !х використання е порiвняно невисоким. Ефектившсть кавiтацiйного оброблення водно! реакцшно! системи - розчин «натрш стеарат -Са(ОН)2» п1дтверджуеться потенцiометричним титру-ванням - типовi кривi титрування наведет на рис. 1. Наявтсть на кривих титрування двох перегишв -стрибюв титрування - свщчить про наявнiсть у системi речовин, що характеризуются р iзними кислото-основ-ними властивостями, тобто утворених кислотами й лугами рiзно! сили. Перший стрибок потенщалу в обласп 8,5.6,5 зумовлений наявнiстю в системi сильних основ (NаОН i Са(ОН)2); другий - в обласп 5,0.3,5 -наявнiстю кальцiю стеарату. Натрш пдроксид утворюеться за реакщею (1), а також внасл1док частко-вого гiдролiзу натрiю стеарату
С17Н35СОО№+Н2О~С17Н35СООН+№ОН. (2)
Наявнiсть у системi непрореагованого Са(ОН)2 зумовлена його малою розчиншстю i, як насл1док, низькою хiмiчною активнiстю, а також певним бло-куванням частинок кальцiю г1дроксиду продуктами взаемодц з натрiю стеарату.
Вiдмiнностi положення обох кривих титрування (рис. 2) в обласп рН 10,5...8,0 також вказують на бiльшу повноту взаемодц кальцш пдроксиду з натрш стеаратом. Шсля оброблення реакцшного середовища в ГДК об'ем витраченого титранту в першш област титрування е меншим на 43,7 %, шж за механiчного перемiшування. Отже, на цю ж величину повнота використання кальцш пдроксиду в ГДК е бшьшою, шж за мехашчного перемiшування. При цьому, стiйкiсть буферу (вш виникав п1д час титрування реакцшно! сумiшi розчином хлоридно! кислоти за рахунок утворення системи С17Н35СОО№-С17Н35СООН) була значно меншою, про що свщчить вiдсутнiсть плато на кривш титрування 2 (рис. 1).
pH
0 20 40 60 80 100 120 140 V HCl, мл
Рис. 1. Залежжсть рН реакцшноТ cyMiuii вщ об~ему доданого 0,01 N розчину HCl (кривi потенцiометричного титрування): 1 — без кав^ацшного оброблення; 2 — тсля кавiтацiйного оброблення
Загальний обчем розчину кислоти, що витрачаеться на титрування оброблено! в ГДК реакцшно! системи (в першiй та другГй областi стрибка потенцiалу), порiвняно з необробленою, е меншим на 42,4%.
Отримаш результати можна пояснити тим, що в кавГгацшному полi в1дбуваеться низка взаемозв\язаних процесiв. По-перше, внасл1док кумулятивного ефек-ту, що спричиняеться кавГгацшними явищами на межi твердих частинок й ргдко! фази, вгдбуваеться диспергування частинок кальцiю ггдроксиду, що спричиняе збiльшення площi контакту фаз та зро-стання швидкостГ гетерогенного процесу взаемодГ! кальцiю пдроксиду з натрш стеаратом (реакцiя 1). Подруге, в областГ руйнування твердих частинок виника-ють ювенГльнГ поверхнi, яким притаманна п1двищена реакцшна здатнiсть. По-трете, в кавiтацiйному полi iнтенсифiкуються дифузiйнi явища, що також спричиняе зростання швидкостГ гетерогенного процесу. По-четверте, пгд дiею кумулятивних струмешв, що виникають пiд час змикання кавггацшних каверн поблизу твердих частинок, очищуеться поверх-ня кальцш ггдроксиду в1д малорозчинного продукту реакцп - кальцш стеарату.
На пiдставi отриманих результатГв можна очжувати, що в твердо фазних продуктах, отриманих за мехашчного перемшування реакцшно! системи, повиннi мГститись непрореагований кальцiю г1дрокарбонат, кальцiю стеарат, натрш стеарат та деяю кшькосп стеариново! кислоти.
Виявлено, що пгд час кавiтацiйного оброблення реакцшно! сумГшГ продукти реакцп флотувались на поверхню ргдини у виглядi стшко! щГльно! ггдрофобно! пiни, тобто супутнiм процесом активацГ! твердофазного реагенту була флотацГя. Насл1дком цього явища е виведення продукпв взаемодГ! iз зони реакцп, а вгдтак змiщення рiвноваги реакцГ! 1 праворуч - у бГк утворення кальцiю стеарату. При цьому вiзуально спостерiгали штенсивне освiтлення водного розчину. У плат очищення спчних вод це дозволить суттево оптимiзувати процес - сумктити в одному апаратi кавГтатор i флотатор.
Високий ступiнь взаемодГ! активованого в ГДК реагенту з натрш стеаратом та повнота перебГгу реакцп 1 пгдтверджуеться змшою ХСК системи та маси утворе-ного й зфлотованого осаду - кальцш стеарату (рис. 2).
1600 п
1400 3 1200 Н 1000 2 800 üf 600 н
о
X 400 -200 0
Г 8
- 7
- 6 5 4
- 3
- 2 1 0
10
20 30 t, хв.
40 50 60
Рис. 2. Залежжсть маси утвореноТ пши як продукту реакцп (1) та величини ХСК розчину (мгО2/дм3) (2) вщ часу (t,XB) оброблення реакцшноТ сумiшi в ГДК
В1дб1р тни проводили в Mipy И утворення з пара-лельним визначенням прозорост та величини ХСК рщко! фази. Р1зке зменшення величини хiмiчного спо-живання кисню щодо маси утворено! пiни пояснюеться специфiкою перебiгy процесу та методикою проведен-ня дослщу: на час в1дбору проби в реакцшному об'емi вже утворились продукти реакцп у виглядi пластiвцiв, але !хнього агрегатування i флотацп ще не в1дбулось, в той же час пробу р1дко'1 фази для визначення величини ХСК, зпдно з методикою визначення цього показника, фшьтрували. Вже тсля 15 хв. оброблення величина ХСК реакцшно! сyмiшi зменшилась майже втричi й складала 500 мгО2/дм3.
Для визначення повноти використання кальцш гiдроксидy за умов мехашчного перемiшyвання та оброблення реакцшно! сумшг в ГДК здiйснювали потенцiометричне титрування водних суспензш, утво-рених з використанням наважки твердофазного продукту реакцп (1) - пши, яку попередньо промивали дистильованою водою, висушували за температури 100.105 0С до стало'! маси, розмелювали i просiювали. Даш потенщометричного титрування отримано'1 суспензп наведено на рис. 3.
8 7,5 7
^ 6,5 ^ 6 5,5 5 4,5
0 5 10 15 20 25 30 35 40 V НС1,мл
Рис. 3. Залежжсть рН суспензп продукту взаемоди C18H35COONa з Са(ОН)2 вiд об~ему V розчину 0,01 N HCl (крива потенцюметричного титрування)
гГдроксиду на переб1г реакцп (1). ОсобливГстю криво! титрування е те, що вона мае стрибкопод1бний характер: при додавант кожно! наступно! порцГ! титранту спостер1гаеться стрибкопод1бне зменшення величини рН з наступним поступовим !! зростанням до деякого сталого значення. Це означае, що в момент додавання розчину кислоти вГдбуваеться фжтивне перетитру-вання розчину. З часом протони Пдрогену дифун-дують в об'ем дисперсно! частинки, де взаемодГють з продуктом - кальцш стеаратом, тсля чого значення рН поступово зростало до досягнення стало! величи-ни. Тривал1сть встановлення стабшьних значень рН зростала в м1ру зб1льшення юлькоси розчину HCl, витрачено! на титрування. Так, наприкшщ титрування час встановлення стабшьних показ1в потенц1алу зр1с бГльше, н1ж у два рази, пор1вняно 1з початком титрування, i становив 5 хв. Це пояснюеться поступовим зменшенням вмiсту кальцiю стеарату в дисперсних частинках та зменшенням швидкост дифузГ! кислоти в об'ем твердих частинок.
Те, що отриманий в ГДК продукт - це, переважно, кальцш стеарат п Гдтверджено методом 1Ч-спектроскопГ!. Про це свГдчать характерт для кальцГю стеарату смуги поглинання з максимумами за 1580 i 1530 см-1. Розши-рення в цгй ж областГ поглинання (1650-1510 см-1) зумов-лене асиметричними валентними коливаннями Гону СОО-, притаманне солям карбонових кислот, для яких також характерт тки в областГ 1480-1400 см-1.
У продукт^ отриманому за мехашчного перемшування, в областГ частоти 1700 см-1 виявле-но смугу, притаманну групам С=О карбонових кислот, яю утворюються внаслГдок гГдролГзу непрореа-гованого натрш стеарату за реакцГею (2). ОкрГм того, пГк поглинання карбонГлу (С=О) в областГ 1720 см-1 е слабко роздвоеним. Таке роздвоення е характер-ним для сполук хелатно! структури. Це можна пояс-нити наявтстю в комплексах двох титв карбонГлГв: вГльних та карбонГлГв, з якими координацшно зв'язанГ полГвалентнГ Гони металГв, зокрема, КальцГю. Це пГдтверджуе неповне замГщення ГонГв НатрГю Гонами КальцГю за умов мехашчного перемшування систе-ми натрГю стеарат-кальцГю гГдрокарбонат. I навпаки, вГдсуттсть такого рефлексу для продукту, отриманому в ГДК, означае практично повне (в межах чутливостГ методу) змГщення рГвноваги реакцГ! (1) праворуч.
5. Висновки
Застосування кавггацшних полГв, створених у гГдродинамГчному кавГтаторГ дае змогу пГдвищити реакцГйну здатшсть малорозчинного неорганГчного реагенту - кальцГю гГдроксиду Г, як наслГдок, збГльшити ефективнГсть очищення стГчних вод вГд солей жирних кислот не менше, нГж на 40 %. ЗдГйснення процесу очищення стГчних вод в кавГтацГйних полях спричиняе Гнтенсивну флотацГю продукту очищення стГчних вод -кальцГю стеарату.
Так, початкова величина рН суспензГ! продукту, утвореного тсля здшснення процесу в ГДК, не перевищуе значення 7,8. Це вказуе на практично по-вну вГдсуттсть сильно лужних компонентГв, зокрема, Са(ОН)2 i NаОН, тобто повне витрачання кальцГю
ЛГгература
Ультразвуковое оборудование [Електронний ресурс] / ПКФ ООО „Сапфир". - Режим доступу: http: //www. sapphire.ru/ — Загол. з екрану.
0
2. Хмелев, Н.Н. Ультразвуковые многофункциональные и специализированные аппараты для интенсификации технологических процессов в промышленности, сельском и домашнем хозяйстве [Текст] / В.Н. Хмелев, Г.В. Леонов, Р.В. Барсуков.
- Бийск: Изд-во Алт. гос. техн. ун-та. - 2007. - 400 с.
3. Кудимов, Ю.Н. Электроразрядные процессы в жидкости и кинетика экстрагирования биологически активных компонентов. Часть 1. Ударные волны и кавитация [Текст] / Ю.Н. Кудимов, В.Т. Казуб, Е.В. Голов // Вестн. Тамб. гос. техн. ун-та. - 2002.
- Т. 8, №2. - С. 253-264.
4. Ивченко, В.М. Кавитационная технология [Текст] /В.М. Ивченко, В.А. Кулагин, А.Ф. Немчин; под ред. акад. Г.В. Логвино-вича; - Красноярск: Изд-во КГУ, 1990. - 200 с.
5. Балабышко, А.М. Гидромеханическое диспергирование [Текст] /А.М. Балабышко, А.И. Зимин, В.П. Ружицкий. - М.: Наука, 1998.- 330 с.
Abstract
The article represents the results of the study of the interaction offatty acids salts as components of wastewater with calcium hydroxide in the cavitation fields which were excited in the hydrodynamic cavitator offluid type. The potentiometry method revealed that in the cavitation fields the fullness of usage of calcium hydroxide has been much higher than at the mechanical mixing of the reaction system. The method of infrared spectrographic analysis of the products of interaction of calcium hydroxide with sodium stearate at different hydrodynamic conditions confirmed almost complete conversion of Ca (OH)2 in the cavitation fields. The article analyses the system of interconnected physical and chemical processes during the interaction of calcium hydroxide with sodium stearate in the cavitation fields, and the cause-and-effect relations between them. The role of the cumulative effect, caused by the cavitation was noted in the intensification of the interaction between these reagents. The effect of flotation of the poorly soluble calcium stearate was revealed after the treatment of the reaction system in the hydrodynamic cavitator.
Keywords: cavitation, cavitator, calcium hydroxide, activation, fatty acids salts, stearate, potentiometry, flotation
У статтi розглянутi вгдходи содового виробництва, способи переробки хлориду кальщю, застосування випар-них апаратiв при виробництвi хлориду кальщю з вiдходiв содового виробництва. Доводиться доцшьтсть застосування багатокорпусног випарног установки з примусовою циркулящею розчину при виробництвi хлориду кальщю
Ключовi слова: випарний апарат, примусова циркуляця, хлорид кальщю,
вгдходи, сода
□-□
В статье рассмотрены отходы содового производства, способы переработки хлорида кальция, применение выпарных аппаратов при производстве хлорида кальция из отходов содового производства. Доказывается целесообразность применения многокорпусной выпарной установки с принудительной циркуляцией раствора при производстве хлорида кальция
Ключевые слова: выпарной аппарат, принудительная циркуляция, хлорид кальция, отходы, сода_
УДК 661.321
применение выпарных аппаратов при получении хлорида кальция иэ отходов содового производства
Я. О. Магеря*
Контактный тел.: 093-419-77-79 E-mail: [email protected]. В. П. Михайличенко
Кандидат технических наук, доцент* Контактный тел.: (057) 707-62-57 С. А. Г р и н ь
Кандидат технических наук, доцент* Контактный тел.: (057) 707-62-57 *Кафедра химической техники и промышленной экологии Национальный технический университет «Харьковский политехнический институт» ул. Фрунзе, 21, г. Харьков, Украина, 61002
1. Введение производство не является исключением. Сейчас себе
трудно представить какую-нибудь отрасль, где бы не Безотходное или малоотходное производство - ос- применялась сода или продукты из неё. Крупнейшими новная цель современной промышленности. Содовое потребителями соды являются такие отрасли, как хи-
©
