Механизм закупоривания полимерных мембран при разделении отработанных моторных масел Текст научной статьи по специальности «Химические технологии»

УДК 62 - 73.001.5: 629.113.5 C.B. Федосов*, В.Н. Блиничев**, В.А. Масленников*, Ю.П. Осадчий*, A.B. Маркелов*

МЕХАНИЗМ ЗАКУПОРИВАНИЯ ПОЛИМЕРНЫХ МЕМБРАН ПРИ РАЗДЕЛЕНИИ ОТРАБОТАННЫХ МОТОРНЫХ МАСЕЛ

(*Ивановский государственный политехнический университет, **Ивановский государственный химико-технологический университет) e-mail: aleksandr203.37@mail.ru

Представлены результаты опытного исследования процесса образования отложений частиц загрязнений при очистке отработанных моторных масел с помощью трубчатых мембран «Владипор» с материалом активного слоя из фторопласта, полисульфона, поли-эфирсульфона, полисульфоамида, поливинилхлорида, модифицированного поливинилхлорида.

Ключевые слова: мембранное разделение, отработанное моторное масло, скорость фильтрования, схема закупоривания пор

При работе в двигателях внутреннего сгорания моторные масла соприкасаются с металлами, подвергаются действию температуры, давления, проникающего в картер воздуха, минеральных примесей и др. факторов, под влиянием которых с течением времени происходит изменение свойств масла: разложение, окисление, полимеризация и конденсация углеводородов, разжижение горючим, обводнение и загрязнение продуктами износа деталей двигателя[1, 2].

На сегодняшний день, традиционно, для выделения целевых компонентов (до 1000-12000 г/моль) из отработанных масел, применяются химические (сернокислотная и щелочная очистка) и физико-химические способы (коагуляция, адсорбция и селективное растворение содержащихся в масле загрязнений), а также их комбинации [3].

Все эти способы достаточно эффективны, но имеют ряд недостатков, связанных с высокими энергозатратами, утилизацией экологически опасных побочных продуктов, проблемами с организацией сбора и транспортировки отработанных

масел к месту переработки. Для рентабельности

-

приятий должна быть на уровне 100-300 тыс. т отработанного масла в год.

Альтернативным решением данной задачи является создание небольших регенерирующих комплексов, установленных в местах образования отработанного масла, принцип действия которых основан на применении баромембранных процессов разделения жидкостей [4]. Такие процессы не требуют больших затрат энергии, т.к. разделение отработанного масла от примесей может проводиться в диапазоне температур 20-40 °С, и малоотходны.

Однако удельная производительность данного способа фильтрования существенно зависит от оседания загрязнений на поверхности и в порах мембран.

-

мости от их гранулометрического состава и концентрации, а также свойств фильтрующего материала может протекать по одной или нескольким схемам одновременно. При невысокой концентрации загрязнений и низкой вязкости масла

-

-

териала, размер которых превышает диаметр пор. Более мелкие частицы накапливаются в порах -происходит частичное закупоривание. Увеличение числа частиц на поверхности фильтрующего материала приводит к образованию «сводиков» над порами или промежуточному режиму, а

дальнейшее возрастание числа этих частиц на

-

нию и образованию осадка [5].

Процесс разделения отработанных моторных масел зависит от следующих факторов: перепада давления Ар (МПа) на мембране; скорости фильтрования (м/с); объема масла V (м3/м2) прошедшего через единицу поверхности пористой перегородки; продолжительности фильтрования т

(с); константы фильтрования к (сек1, м-1, сек-м"2),

-

цессе фильтрования при том или ином механизме

.

-

рования В.А. Жужиковым были выведены основные уравнения, которые дают возможность решить вопрос, каким образом происходит закупоривание пор фильтрующего элемента. Для определения механизма закупоривания пор в исследуемом процессе фильтрования находят, какая из

-

фическом изображении в соответствующих координатах (таблица) дает прямую линию [5].

,

предложенного В. А. Жужиковым, применимо и

для оценки мембранного процесса разделения отработанного моторного масла.

Таблица

Взаимосвязь параметров при различных механизмах процесса фильтрования Table. Interrelation of parameters at various mechanisms of filtration process

Вид фильтрования Уравнение Координаты

Полное закупоривание пор V-Зф

Частичное закупоривание пор k х 1 2Х_ V »0 т t_V

Промежуточный режим 1

Отложение осадка. 2 V »0 V-^ V

0,04 0,035 0,03 0,025 0,02 0,015 0,01 0,005 0

V-10"2 , m3/M2

V-10"2 , m3/M2

0,05 0,1 a

0,15

0,2

В лабораторных условиях были проведены исследования по разделению отработанного моторного минерального масла для дизельных двигателей грузовых автомобилей марки М8, содержащего асфальто-смолистые примеси и продукты износа.

В качестве фильтрующего материала использовались полупроницаемые полимерные

-

па фирмы НПО «Владипор» из фторопласта (Ф), полисульфона (ПС), полиэфирсульфона (ПЭС), по-лисульфоамида (ПСА), поливинилхлорида (ПВХ), модифицированного поливинилхлорида (МПВХ), изготовленные согласно ТУ 6559-88, 605 -221734-83, 655-4-88.

Фильтрование производилось на лабораторной установке, позволяющей очищать отработанные моторные масла, содержащие асфальто-смолистые примеси, продукты износа, и замерять количество ультрафильтрата, полученного за определенное время при различных температурах, перепадах давления, скоростях течения разделяемой суспензии.

На рис. 1-4 приведены графические изо.

На рис. 1 показаны экспериментальные данные, нанесенные в координатах У($). Для наглядности изображения на рис. 1 а представлены данные для мембран из полиэфирсульфона, поли-сульфоамида и фторопласта в другом масштабе. Из зависимостей, представленных на рис. 1, видно, что полученные точки располагаются на одной

-

да, значит, исследуемый процесс является фильт-

.

На рис. 2 показаны экспериментальные данные, нанесенные в координатах х(х/$). Из зави-

0,15

0,1

0,05

0,5

-Ю-6, м/с

1,5

Рис. 1. Полное закупоривание пор: 1 - полиэфирсульфон; 2 -модифицированный поливинилхлорид; 3 - полисульфоамид;

4 - поливинилхлорид; 5 - полисульфон; 6 - фторопласт Fig. 1. Complete pore blocking: 1 - polyethersulfone; 2 - modified PVC; 3 - Polysulfoamid; 4 - PVC; 5 - polysulfone; 6 - teflon

х, с 3500 3000 5 4 2 1 )

2500 \

2000 \ 6

1500 тд

1000 1 \

500 ■ ♦

0

( t/V)-10"5,c-m2/m3

0 200 400 600 800

Рис. 2. Частичное закупоривание: 1 - полиэфирсульфон; 2 -модифицированный поливинилхлорид; 3 - полисульфоамид;

4 - поливинилхлорид; 5 - полисульфон; 6 - фторопласт Fig. 2. Partial blocking: 1 - polyethersulfone; 2 - modified PVC;

3 - polysulfoamid; 4 - PVC; 5 - polysulfone; 6 - teflon

симостей, представленных на рис. 2, видно, что полученные точки располагаются на одной прямой только для мембран из модифицированного поливинилхлорида, поливинилхлорида и полисульфона, значит, исследуемые процессы являются фильтрованием с частичным закупориванием пор.

0

0

0

1

0 20 40 60 80

Рис. 3. Промежуточный режим: 1 - полиэфирсульфон; 2 -модифицированный поливинилхлорид; 3 - полисульфоамид;

4 - поливинилхлорид; 5 - полисульфон; 6 - фторопласт Fig.3. An interim mode: 1 - polyethersulfone; 2 - modified PVC;

3 - polysulfoamid; 4 - PVC; 5 - polysulfone; 6 - teflon

На рис. 3 показаны экспериментальные данные, нанесенные в координатах т(1/$). Из зависимостей, представленных на рис. 3, видно, что полученные точки располагаются на одной прямой только для мембран из полисульфоамида и фторопласта, значит, исследуемые процессы являются фильтрованием с промежуточным режимом закупоривания пор.

V -10"2, м3/м2 Ж 5

0,14 0,12 0,1 0,08 0,06 0,04 0,02 0

4 2

T/V)-105, м2/м3

0 200 400 600 800

Рис. 4. Образование осадка: 1 - полиэфирсульфон; 2 - модифицированный поливинилхлорид; 3 - полисульфоамид;

4 - поливинилхлорид; 5 - полисульфон; 6 - фторопласт Fig. 4. Precipitate formation: 1 - polyethersulfone; 2 - modified PVC; 3 - polysulfoamid; 4 - PVC; 5 - polysulfone; 6 - teflon

На рис. 4 показаны экспериментальные данные, нанесенные в координатах V(x/S). Из зависимостей, представленных на рис. 4, видно, что полученные точки располагаются на одной прямой для всех мембран, значит, исследуемые процессы являются фильтрованием с образованием осадка.

Анализируя приведенные на графиках (рис. 1-4) результаты экспериментов, можно предполо-

жить, что механизм закупоривания пор мембран происходит по следующим схемам:

- для мембран с активным слоем из полисуль-фона, поливинилхлорида и модифицированного поливинилхлорида - одновременное частичное закупоривание пор, образование «сводиков» вокруг пор, отложение осадка на поверхности;

- для мембраны из фторопласта - последовательное закупоривание пор, промежуточный режим с образованием «сводиков» и отложение осадка;

- для мембран из полиэфирсульфона - последовательное образование «сводиков» над порами мембран и образование осадка;

- мембраны из полисульфоамида - полное закупоривание пор.

Из теории и практики разделения известно, что интенсивность возрастания общего сопротивления по мере увеличения количества фильтрата уменьшается при переходе от фильтрования с полным закупориванием пор к фильтрованию с постепенным закупориванием пор, затем к фильтрованию промежуточного вида и, наконец, к фильтрованию с образованием осадка.

Таким образом, мембраны ПСА имеют самое большое сопротивление, т.к. имеет место полная забивка матрицы мембраны в начальный период работы. Данное явление говорит о невозможности применения этого материала для

.

Мембраны Ф, ПВХ, МПВХ, ПС и ПЭС можно использовать в дальнейших исследованиях, но с разработкой технологии восстановления производительности аппарата путем периодического технического обслуживания фильтрующих

.

-

наковый средний размер пор. Однако, процесс

закупоривания пор протекает неодинаково. Дан-

ванием размеров пор по площади фильтрующей

поверхности, которую наглядно можно предста-:

Ф^ПВХ^МПВХ^ПС^ПЭС^ПСА -►

Увеличение равномерности распределения размеров пор

Наиболее равномерным распределением пор, по всей видимости, обладает мембрана на основе полисульфоамида (ПСА), а самое неравномерное распределение пор у мембран из фторопласта (Ф).

Расход жидкости через всю мембрану по закону Пуазейля определяется по выражению [6]:

0 =

(1)

32-(х-/

где Ар - перепад давления на мембране, МПа; (1.р - средний диаметр пор мембраны, м; Рм - площадь мембраны, м2; е - поверхностная пористость; |_1 — вязкость жидкости, Пах: / - длина капилляра, м.

Если принять, что диапазон размеров пор изменяется относительно среднего в 3 раза, то:

, =1 , .

"той ^ ' "ср '

^тах = 3' dcp •

(2) (3)

Тогда, соответственно, расход через пору минимального размера будет в 9 раз меньше, чем через среднюю пору, а расход через пору максимального размера в 9 раз больше. Таким образом,

-

мальный размеры - более чем в 80 раз.

Поэтому знание реального распределения размеров пор в полимерных мембранах является актуальной теоретической и практической задачей.

ЛИТЕРАТУРА

1. Итинская Н.И., Кузнецов Н.А Справочник по топливу, маслам и техническим жидкостям. М.: Колос. 1982. 208 е.; Itinskaya N.I., Kuznetsov N.A. Reference book on fuel, oils and technical fluids. M.: Kolos. 1982. 208 p. (in Russian).

2. Иванов A.B., Гуреев A.A., Попова H.H., Фалькович М.И., Гавжак Я. // Химия и технол. топлив и масел. 1990. №10. С. 20-22;

Ivanov A.V., Gureev A.A., Popova N.N., Falkovich M.I, Gavzhak Ya. // Khimiya i tekhnologiya topliv i masel. 1990. N 10. P. 20 - 22 (in Russian).

Российская автотранспортная энциклопедия. Т. 3. Техническая эксплуатация, обслуживание и ремонт автотранспортных средств: справоч. и науч.-пракг. пособ. для спе-циал. отрасли «Автомобильный транспорт», для студентов и науч. сотруд. профильных учеб. заведений, НИИ / Гл. науч. ред. Е. С. Кузнецов. 3-е изд. перераб и доп. М.: «Просвещение». 2001. 461 е.;

The Russian motor transportation encyclopaedia. V. 3. Technical operation, service and repair of vehicles: Reference book and the scientifically-practical grant for the experts of branches "Motor transport", for students and research assistants cross-sectional studies. Institutions, scientific research institute / The Gr. scientific editor E.S. Kuznetsov. M: "Pros-veshenie". 2001. 461 p. (in Russan).

Маркелов A.R, Постников AB., Осадчий Ю.П. Патент № 129926;

Markelov A.V., Postnikov A.V., Osadchiy Yu. P. RF Patent N 129926 (in Russian).

Жужиков BA. Фильтрование. Теория и практика разделения суспензий. М.: Химия. 1971. 440 е.; Zhuzhikov V.A. Filtering. The theory and practice of suspensions separation M: Khimia. 1971. 440 p. (in Russian). Дытнерский Ю.И. Процессы и аппараты химической технологии: учеб. для вузов. Ч. 1. Теоретические основы процессов химической технологии. Гидромеханические и тепловые процессы и аппараты. М.: Химия. 1995. 368 е.; Dytnerskiy Yu.I. Processes and devices of chemical technol-ogy.Textbook for high schools. Part1. Theoretical foundations of processes of chemical technology. Hydro-mechanical and heat processes and devices. M: Khimiya. 1995. 368 p. (in Russian).

УДК 542.06:547.384.5'313.3 H.C. Тангяриков*, C.M. Турабжанов**, А. Икромов**, H.X. Мусулманов*** КАТАЛИЗАТОРЫ ДЛЯ ПАРОФАЗНОГО СИНТЕЗА ВИНИЛАЦЕТАТА

(*Джизакский политехнический институт, * *Ташкентский химико-технологический институт, ***Самаркандский государственный медицинский институт) e-mail: txti_info@edu.uz

Для синтеза винилацетата из ацетилена предложены катализаторы на основе соединений кадмия, цинка, висмута и алюминия. Показано, что на стадии синтеза оптимальное мольное соотношение С2Н2:СН3СООН находится на уровне 5-6. Определено время работы катализаторов до регенерации, которое составляет 200 ч.

Ключевые слова: винилацетат, парофазный синтез

-

щен ряд исследований [1, 2]. В настоящей работе

-

сутствии одно- и много компонентных катализаторов. Катализаторы готовили следующим обра-

зом. Оксиды кадмия, цинка и висмута, или их смеси, смешивали с полиэтилен гидроксидом алюминия, формовали, провяливали, сушили и прокаливали при температурах 450-500 °С, затем обрабатывали ледяной уксусной кислотой. Состав