CC BY
14
УДК628.33
A. В. Федотова, В. О. Дряхлов, И. Ш. Абдуллин,
B. Bonev, V. Nenov
РАЗДЕЛЕНИЕ ВОДОМАСЛЯНОЙ ЭМУЛЬСИИ ПОЛИАКРИЛОНИТРИЛЬНЫМИ МЕМБРАНАМИ, ОБРАБОТАННЫМИ В ПОТОКЕ ПЛАЗМЫ В СРЕДЕ АРГОНА И АЗОТА
Ключевые слова: водомасляная эмульсия, мембрана, разделение, плазма, обработка.
Исследовано влияние параметров обработки плазмой в среде аргона и азота на производительность и селективность разделения эмульсий типа «масло в воде» на базе масла «И-20А», стабилизированных ПАВ марки «Косинтанол-242», с использованием полиакрилонитрильных мембран с массой отсекаемых частиц 25кДа. Определены параметры плазмообработки, при которых достигается наилучшие значения производительности и эффективности разделения эмульсий.
Keywords: water emulsion, membrane separation, plasma, treatment.
Was explored the influence of processing by plasma in argon and nitrogen atmosphere on performance and selectivity of emulsion separation of types "oil in water" based on oil "I-20A ", stabilized SAW of "Kosintanol-242" brand, with using polyacrylonitrile membranes with molecular mass cut-off 25kDa. Was determined the parameters of plasma-processing in which the best values ofperformance and efficiency of emulsion separation achieve.
Сырая нефть, а также многочисленные продукты ее переработки попадают в значительных количествах в ливневые и, особенно, промышленные сточные воды и вместе с ними поступают в открытые водоисточники, нарушая ход естественных биохимических процессов, вызывая гибель гидро-бионтов.
Попадая в водную среду, нефтепродукты образуют на поверхности слой плавающей пленки, частично растворяются или образуют устойчивые водные эмульсии [1]. Одним из источников поступления нефтепродуктов в природные водные объекты являются ливневые и промышленные стоки, содержащие масла. Последние образуются на предприятиях машиностроения, в частности, в виде отработанных смазочно-охлаждающих жидкостей, на автомойках, автобазах и т.д.Удаление механических примесей и свободных масел из таких сточных вод не составляет затруднений. В этой связи основной задачей их обезвреживания является удаление эмульгированных масел, что связано с необходимостью разрушения устойчивой структуры эмульсий.
Традиционные методы очистки СВ, содержащих эмульгированные масла: флотация, отстаивание, коагуляция, фильтрование - не удовлетворяют возросшим требованиям по обеспечению степени очистки воды, что вызывает существенное загрязнение окружающей среды [2].
В настоящее время развивается метод мембранного разделения водомасляных эмульсий с использованием, в частности, ультрафильтров, основой которых являются полимерные мембраны [3]. Однако, существенным недостатком использования мембран является концентрационная поляризация частиц загрязнителя на поверхности, в результате чего снижается производительность процесса. С целью устранения вышеназванного явления, а также улучшения эффективности и селективности выделения поллютантов из водных сред мембраны подвергают модификации, которая осуществляется обработкой:
1) с использованием химических реагентов;
2) коронным разрядом;
3) плазмой;
4) пламенем;
5) лазерами;
6) радиацией высоких энергий.
Из приведенных выше способов модификации полимерных материалов, в частности, мембран, широко применяются первые три. Весьма перспективным является модификация полимерных мембран с использованием плазмы. В литературе имеются работы по плазменной обработке полимерных мембран, применяемых, в частности, для разделения водомасляных эмульсий [4].
В связи с вышеизложенным, в продолжение ранее проведенных работ [5-7] по интенсификации очистки модельных сточных вод, содержащих нефтепродукты, мембранными методами проведены исследования разделения водомасляной эмульсии мембранами, выполненными из полиакрилонитрила (ПАН), с массой отсекаемых частиц 25 кДа. Обработка последних высокочастотной емкостной (ВЧЕ) плазмой пониженного давления осуществлялась в гидрофильном режиме в газовой среде аргона и азота в соотношении 70:30, соответственно, при следующих параметрах:
■ напряжение на аноде (иа) - 1,5; 3,5; 5,5 и
7,5 кВ;
■ время плазмообработки (т) - 1,5; 4 и 7 мин;
■ сила тока на аноде (1а) - 0,5 А;
■ расход газовой смеси (в) - 0,04 г/сек;
■ давление (Р) - 26,6 Па.
Названные параметры определены в результате ранее проведенных экспериментов по исследованию параметров плазменной обработки на технологические характеристики мембран [5-7].
Основными показателями мембранного разделения являются производительность и эффективность. Первый показатель характеризуется отношением количества прошедшего через мембрану потока разделяемой среды к произведению времени процесса и площади фильтрэлемента, которая в данном случае составляет 1,73-10-3 м2. Эффективность определяется по изменению значений химического по-
требления кислорода (ХПК) эмульсии до и после процесса разделения, измеряемого автоматическим титратором марки «Т70» фирмы «МеШегТЫе^».
Первоначальным этапом исследования определены зависимости производительности и эффективности разделения эмульсии от значения приложенного к системе давления.
Время процесса. Рис. 1 - Зависимость производительности разделения эмульсии от значений приложенного к системе давления для мембран с массой пропускаемых частиц 25 кДа
Анализ данных, представленных в виде графиков зависимостей производительности от приложенного давления (рис. 1), показывает, что с увеличением значения последнего происходит увеличение производительности процесса, что вполне закономерно.
Гистограммы значений ХПК фильтратов очищенных эмульсий в зависимости от приложенного давления к системе приведены на рис.2. В результате анализа данных, представленных на рис. 2, наблюдается увеличение значений ХПК фильтратов с повышением значения приложенного давления, что также закономерно. Однако, также отмечено, что с увеличением давления с 0.20 до 0.25 МПа происходит резкое увеличение рассматриваемого параметра, в результате чего снижается эффективность процесса. Таким образом, оптимальным значением давления для последующих экспериментов является 0.20 МПа.
8500
8000
Я 7500
3 7000
* 6500
6000
5500
□
0.10 0.15
I
0.20
II
0.25 0.30
Давление, МПа
Рис. 2 - Зависимость значений показателя ХПК, образующихся фильтратов от значений приложенного к системе давления для мембран с массой пропускаемых частиц 25 кДа
Рис. 3 - Производительность разделения эмульсии ПАН мембранами с массой пропускаемых частиц 25 кДа, обработанных в потоке плазмы в газовой среде аргона и азота при значении анодного напряжении: а) иа = 1,5 кВ; б) иа = 3,5 кВ; в) иа = 5,5 кВ; г) иа = 7,5 кВ
а
б
в
г
С целью интенсификации процесса ультрафильтрации эмульгированных модельных стоков следующим этапом проведены исследования разделения рассматриваемых сред ПАН мембранами, обработанными в потоке ВЧЕ плазмы пониженного давления при значении напряжении на аноде плаз-матрона иа = 1,5-7,5 кВ и времени обработки т = 1,5, 4 и 7 мин в газовых средах аргона и азота в соотношениях 70 : 30 соответственно. Графики зависимости производительность разделения модельной эмульсии типа «масло в воде» ПАН мембранами с массой пропускаемых частиц 25 кДа, обработанных в потоке плазмы при различных вышеназванных параметрах в газовой среде аргона и азота при приведены на рис. 3.
В результате плазмообработки в среде аргона и азота ПАН мембран, наблюдается увеличение производительности
модифицированных мембран по сравнению с исходной более чем в 1,5 раза (рис. 3а-г). При этом значительное увеличенние рассматриваемого параметра отмечено при использовании мембран, плазмообработанных при иа = 1,5 кВ и т = 4 и 7 мин, иа = 7,5 кВ и т = 7 мин.
Таблица 1 - ХПК фильтратов, полученных при разделении эмульсии плазмообработанными ПАН мембранами с массой пропускаемых частиц 25 кДа
Газовая среда Ua, КВ ХПК, мг О2/л
Время плазмообработки, мин
1.5 4 7
Аргон азот 1.5 7717 6130 5530
3.5 5240 6630 7835
5.5 5660 6450 7290
7.5 6680 7330 10030
Исходная мембрана 7050
Эмульсия 166500
Как показано данными таблицы 1, плазмооб-работка рассматриваемых мембран способствует снижению значений ХПК фильтратов модифицированных фильтрэлементов, в данном случае в 58,3 % случаях.
В результате проведенного исследования выявлены оптимальные параметры разделения водо-масляной эмульсии ПАН мембранами, определены режимы плазмообработки, при которых достигается лучшие значения производительности и эффективности, на основании которых доказана целесообразность плазменной обработки ПАН мембран с целью интенсификации разделения водомасляных сред.
Литература
1. А.А. Пашаян, А.В. Нестеров, Экология и промышленность России, 5, 32-35 (2008).
2. http://www.rusnauka.com/15_DNI_2008/ Ecologia 32734. doc. htm.
3. http://www.chem.msu.su/rus/journals/membranes/13/html/ st_131/duby _tx3. htm.
4.N. Drouiche, M.W. Naceur, H. Boutoumi, N. Aitmessaoudene, R. Henniche, T. Ouslimane, Desalination and Water Theatvent, 51, 4-6, 713-716 (2013).
5. В.О. Дряхлов, М.Ю. Никитина, И.А. Загидуллина, Т.И. Шайхиева, С.В. Фридланд, B.S. Bonev, Вестник Казанского технологического университета, 10, 107-110 (2014).
6. В.О. Дряхлов, И.Г. Шайхиев, И.Ш. Абдуллин, Р.Г. Ибрагимов, Р.Т. Батыршин, Вестник Казанского технологического университета, 11, 43-48 (2010).
7. В.О. Дряхлов, Н.Н. Капралова, И.Г. Шайхиев, И.Ш. Абдуллин, Р.Г. Ибрагимов, Р.Т. Батыршин, Вестник Казанского технологического университета, 6, 31-35 (2011).
© А. В. Федотова - аспирант кафедры инженерной экологии КНИТУ, [email protected], В. О. Дряхлов - аспирант той же кафедры; И. Ш. Абдуллин - д.т.н., зав. кафедрой ПНТВМ КНИТУ; В. Вопеу - профессор кафедры технологии силикатных материалов и водоподготовки университета «Проф. д-р АсенЗлатаров», Бургас, Болгария, V. №поу - проректор по научной работе университета «Проф. д-р АсенЗлатаров», Бургас, Болгария.
© A. V. Fedotova - postgraduate student of Engineering Ecology Department of KNRTU, [email protected], V. O. Dryakhlov -postgraduate student of Engineering Ecology Department of KNRTU; I. Sh. Abdullin - head of department Plasma technology and nanotechnology of high molecular weight materialsof the same University, B. Bonev - Professor, Department of technology of silicate materials and water treatment of University «Prof. Dr.AssenZlatarov», Burgas, Bulgaria, V. Nenov - vice-rector of science work of University «Prof. Dr.AssenZlatarov», Burgas, Bulgaria.
