CC BY
92
УДК 628.3:664.1
М. Н. Спирин, Ж. А. Сапронова, И. Г. Шайхиев
ОЧИСТКА ЖИРОСОДЕРЖАЩИХ СТОЧНЫХ ВОД
Ключевые слова: Очистка, сточные воды, жиры, отходы сахарной промышленности.
Исследована возможность очистки сточных жиро- и маслосодержащих вод модифицированным отходом производства сахара - сатурационного осадка. Установлены оптимальные температурные режимы обработки ТМСО, его концентрация в эмульсии и время очистки.
Keywords: Cleaning, waste water, fat, sugar industry waste.
The possibility of purification of waste grease and oil-containing waste waters a modified sugar production -carbonated sediment. The optimal temperature modes of processing TMCS, its concentration in the emulsion and cleaning time.
Сточные воды многих предприятий содержат в своем составе жиры и масла. При этом, в процессе многократного перемешивания и транспортировки по трубопроводам, масло образует с водой очень устойчивые тонкодисперсные эмульсии. Эмульсией называется дисперсная система, состоящая из микроскопических капель жидкости (дисперсной фазы), распределённых в другой жидкости (дисперсной среде). Некоторые отрасли
промышленности, где образуются сточные воды, представляющие собой эмульсии, указаны, на рис. 1 Эмульсии со временем самопроизвольно разрушаются. На практике часто возникает необходимость ускорить процесс разрушения эмульсий (в случаях, когда наличие эмульсии затрудняет дальнейшую обработку или применение материала). Ускорить процесс разрушения эмульсии можно различными способами:
Рис. 1 - Отрасли промышленности, где образуются сточные воды - эмульсии
• Химическое разрушение защитных пленок эмульгатора соответствующим реагентом. Основой метода химического расщепления является нейтрализация отрицательного заряда. На этом принципе основано действие органических деэмульгаторов.
• Прибавление эмульгатора, способного вызвать обращение фаз эмульсии и снижающего этим прочность защитной пленки (стабилизированная натриевым мылом эмульсия типа в/м - при введении
солей кальция - будет находиться в менее стойком состоянии).
• Адсорбционное замещение эмульгатора более поверхностно-активным веществом, не обладающим способностью образовывать достаточно прочные пленки.
• Термическое разрушение (расслоение эмульсий нагреванием).
• Механическое воздействие (отделение сливок от обрата с помощью сепаратора).
• Действие электрического тока или электролитов (разрушение эмульсий, стабилизированных электрическим зарядом частиц - эмульсии типа вода/нефть).
Нарушение устойчивости эмульсий связано с протеканием в системе процессов седиментации, коагуляции капель, их слияния и диффузионного переноса вещества от малых капель к более крупным (оствальдово созревание, изотермическая перегонка, переконденсация).
Седиментация в грубодисперсных эмульсиях может быть прямой или обратной (образование сливок) в зависимости от соотношения плотности
жидкостей, служащих дисперсионной средой и дисперсной фазой [1-6].
Нами для очистки модельных масло- и жиросодержащих эмульсий предложено использовать термически модифицированный отход производства сахара - сатурационный осадок (в дальнейшем -ТМСО). Последний образуется на стадии очистки свекловичного сока известковым молоком -суспензией Са(ОН)2. Сатурационный осадок представляет собой тонкодисперсный отход с влажностью 20-30 %, содержащий около 70 % СаС03 и примеси органических веществ, ранее содержавшихся в свекловичном соке. При термической обработке сатурационного осадка, как показано ранее при 600 0С (ТМСО60о), получается порошок черного цвета, представляющий собой частицы СаС03, покрытые сажей, образовавшейся при обугливании органических веществ в процессе термической обработки. Порошок является гидрофобным и обладает свойствами сорбционного материала [7].
В ходе экспериментальных исследований проводили очистку водных эмульсий, содержащих молочный жир и подсолнечное масло. К модельным эмульсиям добавляли расчетное количество ТМСО, содержимое лабораторной ёмкости перемешивали в течение заданного времени, фильтровали через бумажный фильтр, в фильтрате определяли остаточную мутность и ХПК очищенной эмульсии и рассчитывали степень очистки.
М, 1ЧТи 1200
0 12 3 4
Концентр а цияТМСО600, г/дм3
Рис. 2 - Снижение мутности модельных стоков молокоперерабатывающих предприятий в зависимости от количества, добавляемого ТМСО600
На рисунке 2 представлены результаты исследования влияния количества добавляемого сорбционного материала на мутность модельных стоков, содержащих молочный жир. Взаимодействие с ТМСО600 вызывало заметное осветление модельной эмульсии, даже при высоких концентрациях загрязняющего вещества.
Рисунок 3 иллюстрирует зависимость степени очистки молочно-жировой эмульсии от массы ТМСО600, добавляемого к 100 см3 модельной эмульсии.
Степень очистки, %
190
СтМСОщ,, г/дм3
Рис. 3 - Зависимость степени очистки эмульсий молочного жира от концентрации сорбционного материала (^ = 20°С, продолжительность очистки 30 мин, ХПКисх = 300 мгО/дм3)
Установлено, что максимальная степень очистки (72 %) достигается при концентрации сорбционного материала 10 г/дм3.
При исследовании влияния температуры водной среды на эффективность очистки от молочного жира для обеспечения термостатических условий проведения реакции и поддержания заданной температуры, химический стакан с рабочим раствором помещали в термоизоляционную рубашку из асбестовой ткани. Температура растворов измерялась термометром лабораторным ГОСТ 13646-68. Погрешность измерения составляет ±0,5 °С. После перемешивания и фильтрования в очищенных эмульсиях определяли остаточную концентрацию загрязняющего вещества.
Степень очистки, %
65
10 20 30 40 50 60 Температура сточных вод, °С
Рис. 4 - Зависимости степени очистки от температуры для модельных сточных вод, содержащих молочный жир
Установлено (рис. 4), что оптимальным диапазоном температур процесса очистки вод, содержащих молочный жир, является 20-30 °С. В
этом случае степень очистки максимальна и составляет по ХПК 86 % (добавка ТМСО - 10 г/дм3).
С целью установления наиболее рациональной продолжительности контакта взаимодействующих веществ, при которой эффективности очистки будет максимальной, была проведена серия экспериментов с трехкратной повторностью, при т = 3, 6, 9, 12, 15, 18, 21, 24, 27, 30, 45 мин. Остальные параметры поддерживали неизменными: масса ТМСО600 - 2 г/дм3, температура - 20 °С, размер частиц - не менее 0,2 мм. Результаты опытов приведены на рисунке 5.
Степень очистки, % 100
80 60 40 20 0
10
15 20
25
30
35
40
45
Температура эмульсии -эмульсии подсолнечного
Вр емя в511 имо дейегвня, мин
Рис. 5 - Зависимость степени очистки от времени контакта сорбционного материала с модельными молокосодержащими эмульсиями, содержащими молочный жир
Установлено, что оптимальным временным интервалом для осуществления водоочистки при описанных условиях для сточных вод, содержащих молочный жир, является 30 мин.
В работе была исследована также возможность использования ТМСО600 для очистки эмульсий, содержащих подсолнечное масло. Для этой цели использовали масляную эмульсию, приготовленную путем разбавления 0,5 см3 масла в 1 дм3 дистиллированной воды. Исходная концентрация масла составила 0,46 г/дм3 23°С. Начальная мутность масла - 439 №ГО.
Полученную эмульсию вносили в коническую колбу вместимостью 250 см3, в которую затем добавляли навески сатурационного осадка разной массы, обожжённые при 600 °С. Смесь встряхивали в течение 15 минут, затем она отстаивалась в отстойных цилиндрах. Спустя 15 и 60 мин пипеткой отбиралось 10 см3 смеси, и измерялась мутность на турбидиметре марки «Н1 98703».
Как видно из рис.6, масса добавки ТМСО600 оказывает значительное влияние на очистку масляных эмульсий. Так, уже при добавке ТМСО600 массой 0,25 г к эмульсии с подсолнечным маслом эффективность осветления составляет 90,2 %; 91,0 % для 15 и 60 мин, соответственно. Увеличение массы добавки ТМСО600 приводит к повышению эффективности осветления эмульсии. При этом, наибольший прирост эффективности наблюдается в интервале до 0,5 гр ТМСО600 и составляет 92,2 %, 93,8 % для 15 и 60 мин отстаивания, соответственно. В дальнейшем, при
в количестве 100
с
3
увеличении массы добавляемого ТМСО600, прирост эффективности осветления эмульсии заметно замедляется. Так, при увеличении массы добавки ТМСО600 от 0,5 до 2,5 гр на 100 см3 эмульсии, прирост эффективности осветления составляет всего 3,04 % и 2,4 % для 60 и 15 мин, соответственно.
195
И 194
В 193
о ё 192
; К 191
б
Р ЧО
•А
■е- 819
-
//
-
15 мин —■—60 мин
-------
2,5 5 7,5 10 12,5 15 17,5 20 22,5 25 СТМСО600, г/дм5
Рис. 6 - Зависимость эффективности очистки эмульсии подсолнечного масла от концентрации ТМСО6оо
В работе также была исследована зависимость эффективности очистки от длительности отстаивания эмульсий. Опыт проводили аналогично описанному выше. Измеряли исходную мутность, а также спустя 15, 30, 45 и 60 мин.
м, эти 180 160 140 120 100 80 60 40 20 0
;
0
г г! ГТП гт
1 2 3 4 5
□ тТМС0600=0,5г. □тТМС0600=1,5г. ИтТМС0600=2,5 г.
Рис. 7 - Влияние длительности отстаивания на осветление эмульсии (масло подсолнечное) после добавления ТМСО600: 1 - исходная мутность; 2 -через 15 мин. отстаивания; 3 - через 60 мин. отстаивания; 4 - через 120 мин. отстаивания; 5 -через 240 мин. отстаивания
Результаты наблюдений осветления эмульсий в процессе отстаивания (рис. 7) показали, что уже через 15 мин после добавления ТМСО600 массой 0,5 г мутность исходной эмульсии с подсолнечным маслом уменьшилась на 139,5 МГО; через 120 мин -на 143,2 ОТи, а через 240 мин - на 144 №ГО. Аналогичная зависимость характерна для других масс добавок ТМСО. При массе навески 1,5 г через 15 мин - на 128,8 №ГО, через 120 мин - на 141,2 №ГО, и через 240 мин - на 146,26 №ГО. При добавлении 2,5 г ТМСО через 15 мин мутность
уменьшилась на 118,5 ОТИ, через 120 мин - на 143,4 ОТИ, через 240 мин - на 146,26 ОТИ.
В ходе эксперимента исследовалась также зависимость эффективности очистки от температуры обжига сатурационного осадка. Полученные эмульсии в количестве 100 см3 вносились в конические колбы вместимостью 250 см3, куда затем добавляли расчетную навеску сатурационного осадка (массой 1 г) с разной температуры обжига. Смесь встряхивались в течение 15 минут, затем она отстаивалась в отстойных цилиндрах. Спустя 15 и 60 мин пипеткой отбирали 10 мл смеси и измеряли мутность.
110
Т=500° С Т=55»:'С Т=6003С Т=6503С Т=7003С ♦ 15 мин > 60 мин
Рис. 8 - Зависимость эффективности очистки маслосодержащих эмульсий от температуры обжига добавленного ТМСО600
Как видно из рис. 8, наиболее эффективно очистка происходит при температуре обжига сатурационного осадка 600 °С, потому что при более низкой температуре процесс обугливания органических остатков будет недостаточно полным, и часть органики останется в неразложившемся состоянии, а при более высоких температурах поры разрушаются и эффективность очистки снижается.
Из результатов исследований следует, что ТМСОбоо обеспечивает высокую степень очистки от большинства основных компонентов СВ, содержащих жиры, и, следовательно, его применение в качестве сорбционного материала для очистки стоков молочных производств и производств растительных масел является перспективным.
Литература
1. http://www.xumuk.ru/encyklopedia/2/5369.html
2. Эмульсии. Под редакцией Ф. Шермана. Пер. с англ. Под ред. А.А. Амбразона, Химия, Л., 1972. с. 448.
3. Мицеллообразование, солюбилизация и микроэмульсии, ред. К. Миттел, пер. с англ., М.: Мир, 1980. 598 с.
4. А.В. Перцов, Б.Е. Чистяков, Химическая энциклопедия в 5 т., под ред. И.Л. Кнунянца, Советская энциклопедия, М.: 1998.
5. В.А. Волков, Коллоидная химия. Поверхностные явления и дисперсные системы: учебник, Лань, Спб., 2015. 672 с.
6. И.Г. Шайхиев, Ю.А. Суянгулова, Вестник Казанского технологического университета, 16, 14, 90-92 (2013).
7. М.Н. Спирин, С.В. Свергузова, Вестник БГТУ им. В.Г. Шухова, 5, 187-192 (2014).
© М. Н. Спирин - аспирант кафедры промышленной экологии Белгородского государственного технологического университета им. В.Г. Шухова; Ж. А. Сапронова - к.т.н., доцент кафедры промышленной экологии Белгородского государственного технологического университета им. В.Г. Шухова, e-mail: pe@intbel.ru, тел. 8(4722)55-47-96; И. Г. Шайхиев - д.т.н., заведующий кафедрой инженерной экологии Казанского национального исследовательского технологического университета.
© M. N. Spirin - graduate student of Industrial Ecology department of Belgorod State Technological University; Zh. A. Sapronova -Ph.D., Associate Professor, Department of Industrial Ecology Belgorod State Technological University, e-mail: pe@intbel.ru, tel. 8 (4722) 55-47-96; I. G. Shaikhiev - PhD, Head of the Department of Environmental Engineering, Kazan National Research Technological University.
