CC BY
1
М Инженерный вестник Дона, №4 (2024) ivdon. ru/ru/magazine/archive/n4y2024/9165
Применение трехфазных пен для снижения концентрации дизельного
топлива в воде
12 11 С.И. Мишина , Н.Г. Вилкова , А.А. Моисеева , А.С. Саакян
1 Пензенский государственный университет 2Пензенский государственный университет архитектуры и строительства
Аннотация: Исследовано влияние частиц органомодифицированного кремнезема на извлечение растворенного дизельного топлива из воды. Показана зависимость эффективности очистки воды от концентрации и типа твердых частиц, а также концентрации и вида ПАВ. При использовании короткоцепочечного ПАВ для модификации поверхности частиц кремнезема минимальная остаточная концентрация дизельного топлива составила 2,71 мг/л при концентрации 4% Аэросила-380 и гексиламина 57 ммоль/л. Замена короткоцепочечного ПАВ гексиламина на длинноцепочечный CTAMB привело к улучшению качества очистки воды на 8% из-за увеличения поверхностной активности органического катиона. Использование модифицированных частиц глины для очистки воды от дизельного топлива показало меньшую эффективность по сравнению с частицами Аэросила-380 при аналогичных концентрациях твердой фазы и ПАВ-модификатора.
Ключевые слова: пена Пикеринга, пеноэмульсия, дизельное топливо, очистка воды, кремнезем, катионный ПАВ, гексиламин, цетилтриметиламмонийбромид.
В современном мире дизельное топливо по праву занимает важное место, т.к. используется во многих отраслях жизнедеятельности: горючее для транспорта различного назначения: железнодорожная и сельскохозяйственная техника, грузовые автомобили, морские суда, отопительное оборудование. Транспортировка, хранение, применение дизельного топлива приводит к образованию большого количества сточных вод, загрязненных данным нефтепродуктом. После очистки содержание нефтепродуктов в воде не должно превышать норму предельно допустимой концентрации. Наибольшую сложность составляет извлечение из воды растворенного дизельного топлива. Поэтому поиск легкого, быстрого и эффективного способа очистки воды от нефтепродуктов остается и сегодня актуальной задачей.
Целью работы являлась очистка воды от растворенного дизельного топлива с применением пен, стабилизированных твердыми частицами.
Известно, что эффективность процесса флотационного выделения как твердых примесей, так и растворенных и эмульгированных органических жидкостей определяется в значительной мере устойчивостью образующейся пены и свойствами пенных пленок.
Применение трехфазных пен для решения таких проблем обусловлено их высокой устойчивостью, причиной которой является снижение межфазной поверхностной энергии в результате выхода
гидрофобизированных частиц на границу раздела [1, 2]. Тонкодисперсные нерастворимые порошки широко используют для повышения устойчивости таких дисперсных систем, в первую очередь эмульсий и пен. Известно, что твердыми стабилизаторами являются: частицы глины, уголь, кремнезем, стекло, оксиды, гидроксиды и нерастворимые соли многих металлов. Частицы твердого стабилизатора адсорбируются на поверхности вода/воздух, образуя межфазный (адсорбционный) слой, защищающий пузыри пены от коалесценции.
Исследование различных факторов на адсорбцию твердой частицы на межфазной поверхности описано в работах [3, 4]. Показана зависимость энергии адсорбции от межфазного натяжения, радиуса частиц и краевого угла их смачивания. Кроме того, устойчивость эмульсионных и пенных пленок зависит и от капиллярного давления Рст, которое возникает в утончающихся пленках [5, 6]. Величина капиллярного давления рассчитывалась различными методами, один из которых предложен в работах Круглякова, Нуштаевой [7, 8]. Влияние структурной составляющей на устойчивость пен рассмотрено в работах [9-11].
Анализ указанных исследований позволяет заключить, что основными факторами, которые определяют стабильность систем Пикеринга, могут быть: адсорбция частиц на поверхности пенных пузырьков или капель масла; капиллярное давление в пенной пленке между слоями твердых частиц;
стерическое или электростатическое отталкивание между адсорбционными слоями; механическая прочность и реологические свойства структуры, формируемой частицами в жидкой дисперсионной среде.
В работе [12] изучалось влияние органических веществ на устойчивость пен. Влияние органической жидкости связывалось с адсорбционным вытеснением молекул пенообразователя с поверхности пенной пленки и формированием смешанных адсорбционных слоев, понижающих стабильность дисперсной системы. Дополнительным фактором, снижающим устойчивость пен, является формирование ассиметричных пенных пленок при добавках органической жидкости. В работе [13] были изучены динамические пены, стабилизированные додецилсульфатом натрия и содержащие дизельное топливо (ДТ), и показана зависимость извлечения органической жидкости из водного раствора с помощью таких пен от их устойчивости и кратности. Приведенные результаты коррелируют с данными, описывающими рост содержания пенообразователей и стабилизаторов в пене при ее осушении.
Метод исследования
К воде, содержащей ДТ (19,4 г/мл), добавляли соответствующее количество твердых части (Аэросил-380 или глина) и ПАВ (гексиламин или СТАМВ). Встряхивали пробирку в течение 30 с для получения устойчивой пены. В отфильтрованном растворе проводили измерение массовой концентрации ДТ на анализаторе жидкости «ФЛЮОРАТ-02» (ПНД Ф 14.1: 2:4.128-98).
Степень модификации поверхности была рассчитана по формуле (2):
С ■V
= —, (2) т
где От - степень модификации поверхности, ммоль/г; С - концентрация ПАВ, ммоль/л; V - объем воды, л; m - масса твердых частиц, г.
и
Степень извлечения ДТ рассчитывалась по формуле (3):
С - С
8 = Сна^ Сост -100%, (3)
нач
где Снач и Сост - начальная и остаточная концентрации ДТ в воде, мг/л.
Результаты и обсуждение При использовании для очистки воды пены состава 2% Аэросил-380 + гексиламин оказалось, что увеличение концентрации ПАВ приводило к повышению устойчивости пеноэмульсий, но лишь до определенного значения, соответствующего максимальному краевому углу смачивания частиц. Соответственно повышению устойчивости образующейся дисперсной системы возрастала и эффективность извлечения ДТ из воды. Из рисунка 2 видно, что при концентрации гекисламина 49 ммоль/л остаточная концентрация дизельного топлива в воде (Сост.) была минимальна, а извлечение ДТ (5, %) было равно 84%. Дальнейшее увеличение концентрации ПАВ приводило к снижению эффективности очистки воды от ДТ. Это коррелировало с наблюдаемым снижением устойчивости образующихся пеноэмульсий (таблица №1).
Таблица № 1
Очистка воды от ДТ с применением пены 2% Аэросил-380 + гексиламин
Сгексиламин, моль/л Dm, ммоль/г Сост, мг/л ЛC = C - C ЛC Cнач. Cост. 5, %
0,027 1,35 4,08 15,32 79
0,038 1,90 3,54 15,86 82
0,049 2,45 3,09 16,31 84
0,061 3,05 3,23 16,17 83
0,072 3,60 3,74 15,66 81
Увеличение концентрации твердых частиц аэросила в исходной суспензии приводило к росту устойчивости образующихся пеноэмульсий в более широком интервале концентраций ПАВ (57ммоль/л -79ммоль/л) и
М Инженерный вестник Дона, №4 (2024) ¡\с1оп. ru/ru/magazine/arcЫve/n4y2024/9165
более эффективному снижению концентраций остаточного нефтепродукта до 2,7 и 2,87, соответственно (рис. 1).
э" Сост. МГ/Л
-2--1-1-1-1-1-1-1-1-
0.02 0.03 0.04 0.05 0.0Б 0.07 0.03 0.03 0.1 0.11
Рис. 2. - График зависимости остаточной концентрации ДТ в воде от концентрации ПАВ: ■ - 2% Аэросил-380; о - 4% Аэросил-380 Замена короткоцепочечного ПАВ на длинноцепочечный-цетилтриметиламмоний бромид (СТАМВ) привело к улучшению качества очистки воды из-за увеличения поверхностной активности органического
л
катиона. Так, при концентрации СТАМВ 10-, моль/л остаточная концентрация ДТ в воде составила 1,15 мг/л (таблица 2).
Таблица № 2
Очистка воды от ДТ с применением пены 4% Аэросил 380 + СТАМВ
СсТАМВ, моль/л Аи, ммоль/г Сост, мг/л АС, мг/л 5, %
10-2 0,25 1,15 18,25 94
10-3 0,025 3,03 16,37 84
Также было исследовано извлечение ДТ из воды с помощью частиц глины с такой же концентрацией частиц (4%) и СТМАВ. Остаточная
концентрация нефтепродукта была выше представленной в таблице №3, и составила 2,47 мг/л и 4,15 мг/л.
Таблица № 3
Очистка воды от ДТ с применением пены 4% глина + CTAMB
QtAMB, моль/л Dm, ммоль/г Сост, мг/л АС, мг/л 5, %
10-2 0,25 2,47 16,93 87
10-3 0,025 4,15 15,25 79
Таким образом, анализ влияния частиц модифицированного кремнезема на извлечение растворенного дизельного топлива из воды показал зависимость эффективности очистки от концентрации твердой фазы и концентрации ПАВ. Минимальная остаточная концентрация дизельного топлива составила 2,71 мг/л при концентрации 4% Аэросила-380 и гексиламина 57 ммоль/л. Замена короткоцепочечного ПАВ гексиламина на длинноцепочечный CTAMB привело к улучшению качества очистки воды на 8% из-за увеличения поверхностной активности органического катиона.
Литература
1. Vilkova N.G., Mishina S.I., Shatina E.A. Formation and stability of foams in water containing diesel fuel in the presence of hydrophobized silica // ChemChemTech. 2023. V. 66. № 6. pp. 54-60.
2. Вилкова Н.Г., Мишина С.И., Мазурин Н.Н., Шумкина А.А. Устойчивость трехфазных пен, стабилизированных частицами и поверхностно-активными веществами различной природы // Инженерный вестник Дона, 2023, № 4. URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n4y2023/8341.
3. Кругляков П.М., Корецкий А.Ф. О взаимосвязи работы смачивания частиц твердого эмульгатора и устойчивости эмульсий // Изв. сиб. отд. АН СССР. Сер. хим. наук. 1971. № 9 (вып. 4). C.16-22.
4. Tadros T.F., Vincent B. Encyclopedia of Emulsion Technology. V. 1. New York: Marcel Dekker, New York-Basel, 1983. 129 p.
5. Kaptay G. Interfacial criteria for stabilization of liquid foams by solid particles // Colloids and Surfaces. A.: Physicochem. Eng. Aspects. 2003. V. 230. pp. 67-80.
6. Denkov N.D., Ivanov I.B., Kralchevsky P.A. A possible mechanism of stabilization by solid particles // J. Colloid Interface Sci. 1992. V. 50. pp. 585-593.
7. Kruglyakov P.M., Nushtaeva A.V., Vilkova N.G. J. Experimental investigation of the capillary pressure infl uence on breaking of emulsions stabilized by solid particles // Colloid Interf. Sci. 2004. V.276. pp. 465-474.
8. Kruglyakov P.M., Nushtaeva A.V. Phase inversion in emulsions stabilised by solid particles Advances in Colloid Interface Sci. 2004. V. 108-109. pp. 151158.
9. Binks B.B., Horozov T.S. Aqueous foams stabilised solely by silica nanoparticles // Angew. Chem. 2005. V. 44. pp. 3722-3725.
10. Fujii S., Iddon P.D., Ryan A.J. Aqueous particulate foams stabilized solely with polymer latex particles // Langmuir. 2006. V.22. pp. 7512-7520.
11. Hassander H., Johansson B., Tomell B. The mechanism of emulsion stabilization by small silica (Ludox) particles // Colloid and Surfaces. 1989. V. 40. pp. 93-105.
12. Кругляков П.М. Механизмы пеногасящего действия // Успехи химии. 1994. Т. 63, №6. С. 493-505.
13. Вилкова Н.Г. Влияние свойств пен и пенных пленок на флотационное выделение органической жидкости // Известия высших учебных заведений. Поволжский регион. Естественные науки. 2016. №2. С. 22-32.
References
1. Vilkova N.G., Mishina S.I., Shatina E.A. ChemChemTech. 2023. V. 66. № 6. pp. 54-60.
2. Vilkova N.G., Mishina S.I., Mazurin N.N., Shumkina A.A. Inzhenernyj vestnik Dona, 2023, № 4. URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n4y2023/8341.
3. Kruglyakov P.M., Koreckij A.F. Izv. sib. otd. AN SSSR. Ser. him. nauk. 1971. N 9 (vyp. 4). pp.16-22.
4. Tadros Th.F., Vincent B. Encyclopedia of Emulsion Technology. V. 1. New York: Marcel Dekker, New York-Basel, 1983. 129 p.
5. Kaptay G. Colloids and Surfaces. A.: Physicochem. Eng. Aspects. 2003. V. 230. pp. 67-80.
6. Denkov N.D., Ivanov I.B., Kralchevsky P.A. J. Colloid Interface Sci. 1992. V. 50. pp. 585-593.
7. Kruglyakov P.M., Nushtaeva A.V., Vilkova N.G. J. Colloid Interf. Sci. 2004. V.276. pp. 465-474.
8. Kruglyakov P.M., Nushtaeva A.V. Advances in Colloid Interface Sci. 2004. V. 108-109. pp. 151-158.
9. Binks B.B., Horozov T.S. Angew. Chem. 2005. V. 44. pp. 3722-3725.
10. Fujii S., Iddon P.D., Ryan A.J. Langmuir. 2006. V.22. pp. 7512-7520.
11. Hassander H., Johansson B. Colloid and Surfaces. 1989. V. 40. pp. 93105.
12. Kruglyakov P.M. Uspekhi himii 1994. V. 63, № 6. pp. 493-505.
13. Vilkova N.G. Izvestiya vysshih uchebnyh zavedenij. Povolzhskij region. Estestvennye nauki. 2016. № 2. pp. 22-32.
Дата поступления: 7.03.2024 Дата публикации: 18.04.2024
