Электроультрафильтрационное извлечение анилина и морфолина из промышленных растворов и стоков Текст научной статьи по специальности «Химические науки»

УДК 66.081.63

ЭЛЕКТРОУЛЬТРАФИЛЬТРАЦИОННОЕ ИЗВЛЕЧЕНИЕ АНИЛИНА И МОРФОЛИНА ИЗ ПРОМЫШЛЕННЫХ РАСТВОРОВ И СТОКОВ

© С.И. Лазарев, И.В. Котельникова, М.А. Костылева

Ключевые слова: коэффициент извлечения; мембрана; промышленный раствор; анилин; морфолин.

Проведены экспериментальные исследования по электробаромембранному извлечению анилина и морфолина из промышленных растворов. Получена теоретическая формула для расчета коэффициента задержания. Проведено сравнение экспериментальных и расчетных данных по коэффициенту задержания, расхождение расчетных и экспериментальных данных не превышает 15 %.

Одним из параметров, оценивающих качество элек-тробаромембранного разделения, является коэффициент извлечения [1-3]. Коэффициент извлечения прямо пропорционально зависит от концентрации растворенных веществ в пермеате. Результаты экспериментальных исследований по электроультрафильтрационному извлечению анилина и морфолина из промышленных растворов приведены на рис. 1-8 и в табл. 1.

В наших исследованиях было установлено, что на концентрацию растворенных веществ в пермеате в электроультрафильтрационном и электроосмофильтра-ционном процессе значительно влияют не только факторы, присущие обратноосмотическому разделению, но и такие, как давление (ДР) и плотность тока (г).

В процессе электроультрафильтрации с увеличением плотности тока повышается концентрация растворенных веществ в пермеате (рис. 1), а с повышением давления на прикатодной мембране УАМ-150 наблюдалось уменьшение концентрации растворенных веществ в пермеате. С увеличением плотности тока на этой же мембране наблюдается увеличение концентрации растворенных веществ в пермеате, что вполне объяснимо исходя из общей схемы массопереноса при электроультрафильтрации. С увеличением плотности тока увеличивается количество катионов анилина, протекающих через прикатодную мембрану, следовательно, уменьшается коэффициент задерживания и увеличивается концентрация растворенных веществ в пер-меате. Аналогичная зависимость при электроультрафильтрации наблюдалась на прикатодной мембране УПМ-К и УАМ-150 с водными растворами анилина и морфолина (рис. 2-4).

В процессе электроультрафильтрации с повышением перепада давления на прикатодных мембранах УАМ-150 и УПМ-К наблюдалось уменьшение концентрации растворенных веществ в пермеате. Это, очевидно, вызвано возрастанием скорости протекания растворителя через мембрану, что в итоге ведет к увеличению разведения пермеата и, соответственно, к понижению концентрации растворенных веществ в пермеате (рис. 5-8).

Влияние на концентрацию растворенных веществ в пермеате при электроультрафильтрации оказывает

концентрация исходного раствора (табл. 1). Для всех исследованных растворов и мембран с увеличением концентрации исходного раствора наблюдалось снижение концентрации растворенных веществ в пермеате. Причины уменьшения коэффициента извлечения с увеличением концентрации исходного раствора, очевидно, связаны с теми же причинами, что и увеличение коэффициента задерживания с повышением концентрации [4, 5].

— экспериментальная ■ расчетная

Рис. 1. Зависимость концентрации растворенных веществ в пермеате от плотности тока (мембрана УАМ-150 для водного раствора анилина)

■ расчетная — экспериментальная

Рис. 2. Зависимость концентрации растворенных веществ в пермеате от плотности тока (мембрана УПМ-К для водного раствора анилина)

_эксперимен

Рис. 3. Зависимость концентрации растворенных веществ в пермеате от плотности тока (мембрана УАM-150 для водного раствора морфолина)

_экспериментальная ■ расчетная

Рис. 4. Зависимость концентрации растворенных веществ в пермеате от плотности тока (мембрана УПM-К для водного раствора морфолина)

экспериментальная

0,5 1 1,5 2

P, МПа

Рис. 5. Зависимость концентрации растворенных веществ в пермеате от давления (мембрана УАМ-150 для водного раствора анилина)

-экспериментальная ■ расчетная

1 1,5

P, МПа

Рис. 7. Зависимость концентрации растворенных веществ в пермеате от давления (мембрана УАМ-150 для водного раствора морфолина)

экспериментальная ■ расчетная

1 1,5

P, МПа

Рис. 8. Зависимость концентрации растворенных веществ в пермеате от давления (мембрана УПМ-К для водного раствора морфолина)

То есть на основании проведенных исследований и анализа экспериментальных данных установлено, что для исследованных водных растворов при помощи электрического поля можно эффективно управлять процессом разделения в электроультрафильтрацион-ных методах.

Для теоретического расчета концентрации растворенных веществ в пермеате было получено уравнение следующего вида:

1 II 1 - exp

G ■ 0,00021 ■ k3 P0 ■'Iw

. (1)

экспериментальная ■ расчетная

0,5 1

Рис. 6. Зависимость концентрации растворенных веществ в пермеате от давления (мембрана УПМ-К для водного раствора анилина)

где , £2, - эмпирические коэффициенты, харак-

теризующие систему мембрана-раствор, определены при изучении концентрации растворенных веществ в пермеате (табл. 2); Р0 , р - коэффициенты диффузионной проницаемости в свободном объеме и в мембране, соответственно; к = 1/ у - коэффициент распределения, определяется при исследовании сорбции мембран; w - среднее значение скорости раствора над мембраной; О - удельная производительность, м3/м^с; м2/с; И - толщина мембраны, м.

Сравнение расчетных и экспериментальных значений по коэффициентам извлечения для водных растворов анилина и морфолина приведено в табл. 1.

2,5

1,5

0,5

2,5

15

1,5

N

N=

â

G ■ h ■ k ■ k

1 +

■ exp

k ■ k

P

1,5

1,5

2,5

P, МПа

Таблица 1

Зависимость коэффициента выделения мембран от плотности тока для водных растворов анилина, морфолина ( W = Q,25 м/с)

Вид мембраны Водный Т, Р, С Сисх, Плотность С тер

раствор К M№ кг/м3 тока, Л/м2 эксп. расч.

0 0,84 0,931

УАM-150 293 0,35 0,7 12,8 25,6 1,82 2,8 1,967 2,604

анилин 38,5 3,85 3,519

0 0,665 0,707

YnM-К 293 0,35 0,7 12,8 25,6 38,5 1,575 2,52 3,5 1,519 2,485 3,143

0 0,64 0,574

УАM-150 293 0,35 0,7 12,8 25,6 1,33 2,17 1,288 2,093

морфолин 38,5 2,94 2,818

0 0,49 0,546

YnM-К 293 0,35 0,7 12,8 25,6 38,5 1,18 2,03 2,8 1,281 2,135 2,477

2,8 2,791 2,8

УАM-150 293 0,35 0,7 1,82 1,12 1,75 0,994 1,82 1,12

анилин 0,665 0,616 0,665

2,52 2,38 2,52

УПM-К 293 1,00 0,7 1,75 1,15 0,6 1,66 1,034 0,56 1,75 1,15 0,6

2,17 2,03

УАM-150 293 1,50 0,7 25,6 1,54 0,98 1,497 0,925

морфолин 0,56 0,63

2,03 2,1

УПM-К 293 2,00 0,7 25,6 1,453 0,91 0,49 1,4 0,043 0,553

Таблица 2

Значения эмпирических коэффициентов к1, к2 и к3 для расчета коэффициента выделения

Mембрана Водный раствор k1 k2 k3

УАM-150 анилин 0,16 0,012 5

УПM-К 0,009 0,89 0,33

УАM-150 морфолин 0,47 0,026 1,4

УПM-К 0,0023 0,0013 0,55

ЛИТЕРАТУРА

Дытнерский Ю.И. Баромембранные процессы. Теория и расчет. М.: Химия, 1986. 272 с. (Процессы и аппараты химической и нефтехимической технологии).

Технологические процессы с применением мембран / пер. с англ. Л.А. Мазитова и Т.М. Мнацаканян; под ред. Р.Е. Лейси и С. Леба. М.: Мир, 1976. 372 с.

Ясминов А.А., Отлов А.К., Карелин Ф.Н. [и др.] Обработка воды обратным осмосом. М.: Стройиздат, 1978. 122 с.

4. Брык М.Т., Цапюк Е.А. Ультрафильтрация. К.: Наук. думка, 1989.

288 с.

5. Кестинг Р.Е. Синтетические полимерные мембраны. М.: Химия,

1991. 336 с.

БЛАГОДАРНОСТИ: Работа выполнена при поддержке Федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 гг.

Поступила в редакцию 8 апреля 2013 г.

Lazarev S.I., Kotelnikova I.V., Kostyleva M.A. ELECTROULTRA-FILTRATION EXTRACTION OF ANILINE AND MORPHOLINE FROM INDUSTRIAL SOLUTIONS AND EFFLUENT

Experimental studies on the elektro-baro-membrane extraction of aniline and morpholine from industrial solutions is conducted. The theoretical formula for the calculation of the coefficient of detention is obtained. The comparison of experimental and calculated data at the coefficient of detention is done; the discrepancy between the calculated and experimental data does not exceed 15 %.

Key words: coefficient of detention; membrane; industrial solution; aniline, morpholine.