CC BY
266
УДК: 628.316
В. О. Дряхлов, Н. Н. Капралова, И. Г. Шайхиев,
И. Ш. Абдуллин, Р. Г. Ибрагимов, Р. Т. Батыршин
ИССЛЕДОВАНИЕ РАЗДЕЛЕНИЯ ВОДОМАСЛЯНЫХ ЭМУЛЬСИЙ,
СТАБИЛИЗИРОВАННЫХ ПАВ «НЕОНОЛ», С ПОМОЩЬЮ
В статье рассматриваются вопросы очистки маслосодержащих сточных вод. Представлены результаты исследования разделения водомасляных эмульсий с использованием мембран, модифицированных в потоке плазмы. Дана оценка целесообразности модификации мембран плазмой.
The article deals with questions of the purification of oily wastewater. The results of research division of oil-water emulsions using membranes modified by plasma flow are introduced in the article. It is given the grade of expedient of modifying the membrane by plasma.
В продолжение работ [1] по очистке модельных маслосодержащих водных растворов, имитирующих смазочно-охлаждающие жидкости (СОЖ), проводились исследования
мембранного разделения эмульсий на основе масла марки И-20, стабилизированных поверхностно-активными веществами (ПАВ) марки «Неонол» следующего состава: масло -20%; ПАВ - 2%; дистиллированная вода - остальное.
Структурная формула ПАВ марки «Неонол» имеет следующий вид:
где П = 6 - 12.
Молекула имеет гидрофобный компонент в виде углеродной цепи ¡-СдН-19 — алкильный радикал изононил, присоединенный к фенолу преимущественно в пара -положении к гидроксильной группе; вторая цифра указывает на число молей окиси этилена, связанных с одним молем алкилфенола, образуют гидрофильный компонент ПАВ.
Исследовалось влияние числа молей окиси этилена, входящих в состав исследуемых ПАВ, на агрегативную устойчивость и эффективность разделения полученных эмульсий типа «масло в воде».
Проведенными экспериментами определено, что эмульсии отличались по своей агрегативной устойчивости. В частности, выявлено, что эмульсия, стабилизированная ПАВ марки «Неонол АФ 9-6», оказалась устойчивой и не разрушалась в течение длительного времени, а эмульсия, стабилизированная ПАВ марки «Неонол АФ 9-10», расслаивалась в течение 2 - 3 часов после приготовления. Данное обстоятельство объясняется различием в строении гидрофильной части молекулы ПАВ. Известно [2], что стабилизация эмульсий связана с адсорбцией и определенной ориентацией молекул ПАВ на поверхности частиц дисперсной фазы. Полярные группы стабилизирующего компонента обращены к полярной фазе (вода), а неполярные радикалы - к неполярной фазе (масло). Чтобы ПАВ могло защитить каплю масла от слияния с другой, оно должно создавать защитную оболочку снаружи капли. В этой связи ПАВ должно лучше растворяться в дисперсионной среде, чем в дисперсной фазе. Следовательно, увеличение числа молей окиси этилена уменьшает растворимость «Неонола» в воде и приводит к снижению агрегативной устойчивости эмульсий.
Keywords: emulsion, membrane, plasma.
Проведенными исследованиями размеров частиц дисперсной фазы полученных эмульсий на установке «Malvern Zetasizer Nano ZS» определено, что в отличие от эмульсий на основе ПАВ “Синтанол ЭС-3”, имеющих средний размер частиц дисперсной фазы 5,2 и 4,6 мкм [1], использование ПАВ марки “Неонол” приводит к образованию эмульсий с размером частиц более 8 мкм.
Эксперименты по разделению проводились на лабораторной ультрафильтрационный установке, схема которой представлена на рисунке 1.
Исходные эмульсии подавались на ультрафильтрационный модуль (УФМ). Под действием давления, генерируемого компрессором (Н) и регистрируемого манометром (Pi), происходило разделение на концентрат и фильтрат. Последний собирался в приемную емкость, концентрат по мере разделения накапливался в рабочей камере УФМ.
В начале исследований измерялось значение ХПК полученных модельных эмульсий. Для последней, стабилизированной ПАВ «Неонол АФ 9-6», исследуемый показатель составил 50552 мг О2/л, для эмульсии, стабилизированной ПАВ «Неонол АФ 9-10», - 103240 мг О2/л. В ходе проведения ультрафильтрации использовались мембраны с размерами пор 10, 30 и 50 кДа, рабочее давление составило 202,65 кПа, температура и объем разделяемых сред — 25°С и 50 мл соответственно.
Рис. 1 - Схема лабораторной установки ультрафильтрационного разделения
К традиционным методам обработки мембран для улучшения гидрофобности и гидрофильности относятся: обработка мембран различными реагентами, например,
растворами кислот, щелочей, аминов, а так же растворами химически активных полимеров. Гидрофобность мембране придают обработкой последних, в частности, бензолом, толуолом, нитробензолом, что используются при очистке водных сред от нефти и масел. Гидрофильность мембран, а с ней и водопроницаемость, повышаются после обработки мембран веществами с низким поверхностным натяжением, такими как, растворы ПАВ, ацетон, спирты, эфиры, полиэтиленгликоль и др.
Второй способ модификации осуществляется обработкой мембран в потоке высокочастотной емкостной плазмы (ВЧЕ) пониженного давления в различных газовых средах (Не, Аг, Ы2, С4Н10, воздух и др). Воздействие плазмы на поверхность полимера позволяет изменять, в основном, его поверхностные свойства, что связано с механическим воздействием плазмы, а так же с образованием функциональных групп различной химической природы, обеспечивающих различные свойства модифицированных поверхностей. Обработка высокочастотной плазмой, в том числе и пониженного давления, позволяет более избирательно регулировать получаемые свойства поверхностей [4].
В связи с вышеизложенным, для обработки в потоке высокочастотной плазмы пониженного давления использовались полиэфирсульфоновые (ПЭС) мембраны с вышеназванными размерами пор. Воздействие ВЧЕ-плазмой производилось в атмосфере двух газовых плазмообразующих сред - смеси аргона с азотом и смеси аргона с воздухом в соотношении 70:30 при следующих условиях: сила тока на аноде плазмотрона 1а = 0,5 А,
расход воздуха О = 0,04 г/сек, давление Р = 26,6 Па, время воздействия плазмы Ї = 4 мин, напряжение на аноде иа = 3,5 и 5,5 кВ.
Первоначально определялось влияние плазменной обработки на пропускную способность мембран по дистиллированной воде. Из данных, приведенных в таблице 1, видно, что воздействие потока ВЧЕ плазмы пониженного давления при значении напряжения на аноде плазмоторона, равного 3,5 кВ, приводит к увеличению пропускной способности мембран с размером пор 10 кДа. Увеличение значения иа до величины 5,5 кВ приводит к снижению пропускной способности по воде мембран с размером пор 10 кДа. В то же время, очевидно, что обработка плазмой в заданных режимах способствует увеличению пропускной способности по дистиллированной воде мембран с размерами 30 кДа и снижению исследуемого параметра для мембран с размерами 50 кДа. Отмечено, что как и в случае мембран с размерами пор 10 кДа, обработка последних с размерами 30 и 50 кДа при значении иа = 5,5 кВ приводит к снижению пропускной способности по сравнению с образцами мембран, подвергнутых воздействию плазмы при иа = 3,5 кВ.
Таблица 1 - Влияние обработки ВЧЕ-плазмой пониженного давления на
производительность мембран по дистиллированной воде
Режим обработки мембран плазмой (переменные параметры) 2 Производительность по воде, л/м -ч
Размер пор мембраны
10 кДа 30 кДа 50 кДа
Аргон +Воздух, иа = 3,5 кВ 113,97 327,67 291,26
Аргон +Воздух, иа = 5,5 кВ 93,45 285,49 225,27
Аргон +Азот, иа = 3,5 кВ 132,88 297,27 417,90
Аргон +Азот, иа = 5,5 кВ 71,73 277,26 291,26
Немодифицированные мембраны 95,17 235,29 565,39
В дальнейшем исследовалось влияние режимов плазменной обработки мембран на пропускную способность последних по разделяемым эмульсиям. Результаты представлены в таблице 2. Анализ данных, приведенных в таблице 2, показал, что повышение напряжения на аноде плазмотрона с иа = 3,5 кВ до иа = 5,5 кВ приводит к снижению производительности разделения эмульсии, стабилизированной ПАВ «Неонол АФ 9-6» в случае использования мембран с указанными размерами пор. Обработка ВЧЕ-плазмой пониженного давления в среде аргона с азотом приводит к увеличению рассматриваемого параметра для мембран с размером пор 10 кДа, для остальных наилучшие значения наблюдаются при использовании в качестве плазмообразующего газа смеси аргона с воздухом. Следует отметить, что при проведении экспериментов с применением немодифицированных мембран с размером пор 10 кДа разделение эмульсий не происходит. Очевидно, что плазменная обработка мембран с размерами пор 30 и 50 кДа в гидрофильном режиме способствует увеличению прохождения водного потока через ультрафильтрационную установку в 6,4 - 8,4 раз и в 5,8- 7,0 раз соответственно.
Для эмульсии, стабилизированной ПАВ «Неонол АФ 9-10», наблюдаются несколько иные зависимости. Увеличение напряжения на аноде плазмотрона при обработке мембран с размером пор 10 кДа приводит к некоторому увеличению производительности в отличие от ранее рассмотренного случая. При использовании мембраны с размером пор 30 кДа выявлена определенная ранее тенденция - снижение производительности при разделении водомасляной эмульсии с увеличением параметра иа. В случае использования мембран с размерами пор 50 кДа никаких определенных зависимостей не наблюдается.
Таблица 2 - Влияние обработки ВЧЕ-плазмой пониженного давления на
производительность мембран по эмульсиям
Режим обработки мембран плазмой* (переменные параметры) 2 Производительность, л/м *ч
Размер пор мембраны
10 кДа 30 кДа 50 кДа
Эмульсия, стабилизированная ПАВ «Неонол АФ 9-6»
Аргон +Воздух, иа = 3,5 кВ 13,046 16,135 16,847
Аргон +Воздух, иа = 5,5 кВ 9,011 15,252 16,283
Аргон +Азот, иа = 3,5 кВ 6,268 20,105 20,040
Аргон +Азот, иа = 5,5 кВ 3,835 19,216 18,048
Немодифицированные мембраны - 2,385 2,827
Эмульсия, стабилизированная ПАВ «Неонол АФ 9-10»
Аргон +Воздух, иа = 3,5 кВ 17,826 32,643 37,816
Аргон +Воздух, иа = 5,5 кВ 21,286 25,876 27,115
Аргон +Азот, иа = 3,5 кВ 20,222 31,425 25,064
Аргон +Азот, иа = 5,5 кВ 22,832 27,198 36,487
Немодифицированные мембраны 20,887 22,806 30,864
* Постоянные параметры - сила тока 1а = 0,5 A, расход газа О = 0,04 г/сек, давление Р = 26,6 Па, время воздействия плазмы / = 4 мин.
Для определения эффективности ультрафильтрации определялись значения показателей ХПК фильтратов после прохождения через разделительную поверхность. Полученные данные приведены в таблице 3.
Таблица 3 - ХПК фильтратов, полученных после ультрафильтрации эмульсий через плазмомодифицированные мембраны
Режим обработки мембран ХПК, мг О2/л
плазмой Размер пор мембраны, кДа
10 30 50
Эмульсия, стабилизированная ПАВ «Неонол АФ 9-6»
Аргон +Воздух, иа = 3,5 кВ 2421 3204 3916
Аргон +Воздух, иа = 5,5 кВ 3916 3560 2492
Аргон +Азот, иа = 3,5 кВ 5696 6408 3204
Аргон +Азот, иа = 5,5 кВ 5696 3560 3916
Немодифицированные мембраны - 10680 8900
Эмульсия, стабилизированная ПАВ «Неонол АФ 9-10»
Аргон +Воздух, иа = 3,5 кВ 3916 7120 7832
Аргон +Воздух, иа = 5,5 кВ 3204 6520 5696
Аргон +Азот, иа = 3,5 кВ 2492 6052 7120
Аргон +Азот, иа = 5,5 кВ 4272 5696 5340
Немодифицированные мембраны 6052 5696 6052
Как отмечалось ранее, обработка ВЧЕ-плазмой пониженного давления мембран с размерами пор 10 кДа способствует разделению эмульсий, стабилизированных ПАВ «Неонол АФ 9-6», причем наименьшие значения ХПК фильтрата достигаются в случае модификации в потоке аргона с воздухом. В случае использования мембран с размером пор 30 кДа наблюдается несколько иная зависимость. Наименьшие значения ХПК наблюдаются с использованием разделительной перегородки, обработанной в среде аргона и воздуха, при анодном напряжении
3.5 кВ, с увеличением напряжения значение исследуемого параметра увеличивается. Обработка плазмой в среде аргона и азота приводит к более высоким значениям ХПК, с увеличением напряжения значение искомого показателя уменьшается. При использовании мембраны с размером пор 50 кДа вышеназванных закономерностей не обнаружено.
При разделении эмульсии, стабилизированной ПАВ «Неонол АФ 9-10», выявлено, что обработка мембран с размерами пор 30 и 50 кДа ВЧЕ-плазмой пониженного давления не оказала существенного влияния на эффективность разделения. Значения ХПК фильтратов, полученных с использованием модифицированных мембран, сопоставимы с таковыми значениями фильтратов после пропускания эмульсии через исходные мембраны.
Очевидно, что при прохождении исследуемой среды через разделительную поверхность с размерами пор 10 кДа наблюдается снижение значения ХПК фильтратов, полученных с использованием модифицированных мембран, по сравнению с исходными в
1.5 - 2,5 раза. Найдено, что наименьшее значение ХПК достигается после обработки в среде аргона и азота и напряжении на аноде плазмотрона 3,5 кВ. Увеличение напряжения до 5,5 кВ приводит к увеличению значения ХПК в 1,7 раза.
Выявлено, что с увеличение числа молей окиси этилена, входящих в состав молекулы поверхностно-активного вещества «Неонол», являющимся стабилизатором исследуемых эмульсий, снижается агрегативная устойчивость последних. С уменьшением рассматриваемого параметра влияние плазменной обработки на эффективность работы мембран становится менее выраженной. Для более устойчивой эмульсии, стабилизированной ПАВ «Неонол АФ 9-6», наблюдаются лучшие показатели селективности разделения изучаемых сред модифицированными мембранами по сравнению с исходными. Для менее устойчивой эмульсии, стабилизированной ПАВ «Неонол АФ 9-10», эффективность работы обычных мембран соизмерима с модифицированными мембранами, что подтверждается результатами, представленными в таблицах 2 и 3.
Как и в случае предыдущих работ [1], отмечено положительное влияние плазменной обработки на процесс мембранного разделения водомасляной эмульсии, стабилизированной ПАВ «Неонол АФ 9-6». При использовании модифицированных мембран наблюдается увеличение эффективности ультрафильтрации изучаемых сред в 1,7 - 3,3 и 2,3 - 3,5 раза для мембран с размером пор 30 и 50 кДа соответственно. Ранее отмечено и положительное воздействие ВЧЕ плазмы на эффективность деструкции эмульсии, стабилизированной ПАВ «Неонол АФ 9-10», при работе мембран с размерами пор 10 кДа. Данные обстоятельства являются подтверждением ранее представленных результатов [1] и свидетельствуют о более селективном разделении водомасляных эмульсий ПЭС мембранами при модификации последних в среде ВЧЕ-плазмы пониженного давления.
Литература
1. Дряхлов, В. О. Исследование разделения водомасляных эмульсий с помощью плазменно-модифицированных мембран/ В.О. Дряхлов и др.// Вестник Казан. технол. ун-та. - 2010. - № 11. С. 43-48.
2. Гельфман, М. Коллоидная химия / М. Гельфман, О. Ковалевич, В. Юстратов - СПб.: Лань. 2004. - 336с.
3. Ибрагимов, Р.Г. Модификация синтетических высокомолекулярных материалов с применением ВЧ разряда пониженного давления/ Р.Г. Ибрагимов, Л.Ю. Махоткина, М.Ф. Шаехов// Вестник Казан. технол. ун-та. - 2003. - № 2. С. 91-95.
© В. О. Дряхлов - магистр КГТУ; Н. Н. Капралова - магистр КГТК; И. Г. Шайхиев - канд. техн. наук, зав. кафэ инженерной экологии КГТУ, [email protected]; И. Ш. Абдуллин - д-р техн. наук, проф., зав. каф. плазмохимических и нанотехнологий высокомолекулярных материалов КГТУ; Р. Г. Ибрагимов - канд. техн. наук, доц. каф. технологического оборудования медицинской и легкой промышленности КГТУ; Р. Т. Батыршин - зам. гл. инж. ОАО «Камаз».
