CC BY
13
ISSN 1994-7836 (print) В. В. Дячок, А. О. Мараховська, С. Б. Мараховська
ISSN 2519-2477 (online) . . .„„.....
НУ Льв1вська пол1техн1ка ; м. Льв1в, Украша
УДК 628.54:664
Шс]е info Р1ДИННО-ЕКСТРАКЦ1ИНЕ ОЧИЩЕННЯ СТ1ЧНИХ ВОД
ReceiVed 30.03.2017 р. ВИРОБНИЦТВА ХАРЧОВИХ ОЛ1Й
Зростання потужностей шдприемств виробництва харчовоТ олй' на сьогодшшньому eTani розвитку харчовоТ промисловостi призводить до утворення величезних обсяпв ввдпрацьованих вод виробничого процесу. За оцшкою впливу на гiдросфeру це створюе значну eкологiчну проблему, оскiльки спричиняе забруднення поверхневих вод оргaнiчними сполуками. Внaслiдок проведених дослiджeнь з'ясована мож-ливiсть очищения стiчних вод олшних виробництв рiдинно-eкстрaкцiйним методом. Встановлено сумш оргaнiчних розчинникiв (екстрагент) для селективного вилучення основних зaбруднювaчiв стiчноT води. З'ясовано, що основними забруднювачами е фосфолшвди, високомолeкулярнi жирнi кислоти, багатоос-новнi спирти та iн. Отримано лiнiю рiвновaги та робочу лшю процесу рiдинно-eкстрaкцiйного очищення стiчноT води. Встановлено кшьшсть ступeнiв переносу для досягнення заданого ступеня очищення в р^ використання дослiджувaних виIцiв екстрагенпв. Оцiнeно вплив молекулярноТ маси спирпв на селектив-нiсть екстрагенту. Охарактеризовано зaкономiрностi масопереносу основних зaбруднювaчiв iз однiеT рвд-коТ' фази в шшу. Пiдiбрaно обладнання для проектування тeхнологiчноT схеми очищення стiчних вод виробництва харчових олiй рвдинною eкстрaкцiю.
Ключовi слова: екстрагент; рафшат; екстракт; сeлeктивнiсть; робоча лшя; лiнiя рiвновaги.
Вступ. Укра!на - одна з п'яти основних кра!н-вироб-ниюв соняшника. Тому на сьогодш е дуже актуальним питания перероблення соняшника у промислових умо-вах та знешкодження вiдходiв олiйного виробництва.
Зростання потужностей шдприемств виробництва харчово! олп на сучасному етапi розвитку харчово! про-мисловостi призводять до утворення величезних обся-гiв ввдпрацьованих вод, якi формують стiчнi води виробничого процесу. Основними забруднювальними компонентами цих стiчних вод е нейтральн жири, фос-фолiпiди, оргашчш кислоти та iншi речовини оргашч-ного походження, як1 функцiональнi очисш споруди не спроможнi очистити до рiвня санiтарних вимог. Це створюе значну еколопчну проблему, оск1льки спричиняе забруднення поверхневих вод оргатчними речови-нами (Бегеуко й а1., 2009; БакиеууеЬ, Ыа1оуапуу & БуасИок, 2009).
Проблема утишзацп стокiв - одна з найважливших, що постае перед шдприемствами харчово! промисло-восп. В Украш пiдприемства харчово! промисловосп зосередженi переважно у захiдних та швденно-схвдних регiонах, що характеризуються густою мережею вод-них об'ектiв. Це свщчить про нагальну потребу контролю за скидом спчних вод шдприемств харчово! про-мисловостi у цих регюнах для запобiгания забрудненню водойм. Тому пошук шляхiв очищення промислових спчних вод е актуальним завданням (Rashevska, 1998).
Аналiз останшх дослiджень та публiкацiй. Стiчна вода шдприемств виробництва рослинних олiй е мшро-гетерогенною системою, яку можна квалiфiкувати як емульс1ю, в якш дисперсна фаза i дисперсне середови-ще перебувають у рiдкому стань Скид таких спчних вод без попереднього очищення у ввдкрип водойми е неможливим. Руйнування емульсiй можливе за умови усунення поверхнево активних речовин (ПАР) типу фосфолiпiдiв, як окисляються перекисом водню в кислому середовищь У складi молекули фосфолЫдш у кислому середовищi штроген мiститься в амонiйнiй формi КИ4+. Окислення амонiйного катiону в кислому
середовищi призводить до утворення нириттв та штра-тiв, з подальшим руйнуванням молекули фосфолiпiду загалом. Усунення iз середовища основно! маси ПАР спричиняе руйнування емульсiй, утворення двох шарiв (водного та жирового) з подальшим мехашчним !х роз-дщенням. Нейтралiзацiю розчину стiчно! води до нейтрального значення проводять карбонатом кальцда. При цьому вуглекислий газ, що видщяеться, сприяе розшаруванню водного шару ввд жирового. А сульфат, фосфат та iншi iони усуваються у виглядi нерозчинних сполук iз водно! фази шляхом випадання в осад (Бегеу-ко е1 а1., 2009; Rashevska, 1998; Б1асИок, ИиШусИ & Ма-rakhovska, 2016; Saknevych, Ма^апуу & Dyachok, 2009; Ho1odovska, Marakhovska & Diachok, 2016). Ана-лiзуючи цi лiтературнi данi, можна зробити висновок, що вже досягнуто певного результату в очищеннi таких спчних вод. Проте умовно освiтлена вода потребуе к-тотнiшого доочищення, яким, на нашу думку, е рвдинна екстракцiя.
Мета дослiдження полягае у розробленш рвдинно-екстракцiйного методу очищення спчних вод виробництва харчових олш.
Матерiали та методика дослщження. Процес рь динно! екстракцi! iз багатокомпонентно! системами протiкав за безпосереднього контакту двох рвдких фаз. Методика проведення експериментального дослщжен-ня полягае у такому: 50 см3 спчно! води та 50 см3 екстрагенту (40 см3 етилацетату (бутилацетату) i 10 см3 вщповвдного спирту) перемшували у змiшувачi упро-довж 30 хв, шсля чого у ввдстшнику розд1ляли на два шари: екстракт i рафiнат. Концентрацiю забруднювача у спчнш водi визначали методом фотоколориметрично-го аналiзу (Fedushchak е1 а1., 2012). В основi методу ле-жить закон поглинання свiтла речовиною-забруднюва-чем у видимiй областi спектра за довжини хвил 490 нм. Для цього будували калiбрувальний графш з наперед вiдомими значеннями концентрацш речовини умовного забруднювача, за яким визначали значення концентраций фактичних забруднювачiв у водному шарi та
Цитування за ДСТУ: Дячок В. В. Р^цинно-екстракцШне очищення стiчних вод виробництва харчових олШ / В. В. Дячок, А. О. Мараховська, С. Б. Мараховська // Науковий вюник НЛТУ УкраУни. - 2017. - Вип. 27(3). - С. 89-91 Citation APA: Dyachok, V. V., Marakhovska, A. О., & Marakhovska, S. В. (2017). Liquid Extraction Cleaning of Wastewater of Edible Oil Production. Scientific Bulletin of UNFU, 27(3), 89-91. Retrieved from: http://nv.nltu.edu.ua/index.php/journal/article/view/354
екстрагенп шсля проведения рiдинноí екстракцií.
Результати дослщження. Для досягиеиия максимального ступеия очищения слчно1 води важливо правильно пдабрати екстрагент. Екстрагент мае володии вибiрковою розчиииiстю вiдиосио забруднювачш. Екстрагувальиi властивостi можуть бути посилен шляхом змiшуваиия рiзиих екстрагентав, що утворюють у сумiшi комплекси. Серед можливих екстрагентав можна застосовувати бензол, толуол, петролейн ефiри, гало-геипохiдиi алiфатичиих вуглеводшв. Проте токсичшсть таких екстрагеитiв не дае змогу íх застосовувати. Найбiльш перспективним з погляду токсичносп е ефiри оцтово!' кислоти, зокрема етилацетат та бутилацетат. До того ж на основi експериментального дослiджеиия вста-новлено, що ктотного збiльшеиия екстрагувальних властивостей етилацетату та бутилацетату можна до-сягти змтуванням 1х iз спиртами (метанол, етанол, пропанол, бутанол, iзобутаиол). Так, стушнь екстрагування сумiшi етилацетат - спирт та бутилацетат - спирт шд час екстрагування забруднювачш стачно! води олшних виробництв ктотно вищий, нiж у разi застосу-вання чистих екстрагентав окремо.
Одшею з умов застосування рiдинноí екстракци е роздiлення фаз пiсля екстрагування. Важливо аби дода-вання спиртав, якi добре розчиннi у вод^ для збшьшен-ня екстракцiйноí здатносп екстрагенту не призвело до розчинення фаз. Для таких цiлей використовували трьо-хмiрнi дiаграми дослiджуваних розчинв з метою вста-новлення максимально1 концентрацií вiдповiдного спирту в сум^ (2и1коу8ку, 1972; СИисИаИи, 1972). За даними (Rajhardt, 1973), максимально допустима кон-центрацiя спиртiв знаходиться в межах 20 %. Експери-ментально встановлено, що iз збiльшениям мольно1 ма-си спирту, який додавали до екстрагенту, стушнь екстрагування зростае.
На основi експериментального доошдження ступеня екстрагування забруднювальних речовин iз стiчноí води побудовано графiчнi залежностi молярно1 маси спирту вщ концентрацií забруднювача в екстракп. Як видно з графiкiв, зi збiльшениям молярно1 маси спирту збшь-шуеться концентрацiя забруднювача, який перейшов у екстрагент (рис. 1 i 2). Це зумовлено тим, що зi збшь-шенням молярно1 маси зменшуеться розчиннiсть спир-тiв у водi i збiльшуеться розчиннiсть оргашчних заб-руднювачiв стiчноí води, таких, як глщериди, фосфати-ди, нейтральш жири в екстрагент!.
Етилацетат С.4 Н10 О
Сз! 180
15
а ю
ч
и
С2Н60
СИ40
С4Н10О
М, г/моль
центрацгя цiльового компонента в екстракл; х - його концентращя у спчнш вод!; к - коефщент розподшу.
Бутилацетат ОЫюО
¡30-С4НюО
и
0 20 40 60 80
Рис. 2. Залежнiсть молярно! маси спиртiв вщ концентраци забруднювача в екстрагентi (сумiш з бутилацетатом)
Згiдно iз законом розподшу, за постшно1 температу-ри коефщкнт к е постiйною величиною. Насправд ж вiн залежить вiд багатьох факторш: температури, тиску, природи речовин, концентраци тощо. Тому лiнiя рiвно-ваги в координатах х-у в дослщжуваних умовах приймае форму криво1, зображено1 на рис. 3 та 4. У цьому раз^ лiнiя ршноваги е вигнутою. Коефiцiент розподшу не е иостшною величиною (2и1ко\ 5ку. 1972).
6
и. а^Г и
\ • 1 \ г Д 1 \
^^^Г \\ 1 \ • \ 1 V ' \ 1 \ 1 \ 1
Д 1 \ 1 \ 1 |\ 1 \ 1 \ 1 V \' \' V \ > \ 1 \| \| V V
3 2 1 0
0 10 20 30 Св, г/дм3
Рис. 3. Лшк рiвноваги (1), робоча лiнiя (2) для етилацетату
-1-1-1-1
0 20 40 60 80
Рис. 1. Залежнють молярно! маси спирлв вщ концентрацГ! забруднювача в екстрагенп (сумiш з етилацетатом)
Аналiзуючи даш, варто зауважити, що зi збшьшен-ням молярно1 маси спирту збшьшуеться концентрацiя забруднювачiв, що переходять в екстрагент. 1з перелiку дослiджуваних спиртав, як показуе експеримент, найдо-цшьшшим е застосування бутанолу (див. рис. 1 та 2). Розподш цшьового компонента мiж рiдкими фазами визначаеться умовами ршноваги. Якщо не брати до ува-ги взаемну розчиншсть фаз, то умови рiвноваги визна-чаються за рiвияниям прямо1 лшп: у = к*х, де: у - кон-
0 10 20 30 Св, г/дм
Рис. 4. Лшк рiвноваги та робоча лшк для бутилацетату
Не менш важливим етапом вивчення рщинно-екстракцiйного методу очищення стiчних вод е отри-мання робочо1 лiнií процесу. Робоча лшя показуе кон-центрацда забруднювача у спчнш водi пiсля досягнен-ня ршноваги. На рис. 3 та 4 зображено лшда рiвноваги та робочу лiнiю для етилацетату та бутилацетату вщпо-вiдно, i ступенi очищення в межах заданих початкових i кiнцевих концентрацiй для двох рiдин. Для зменшення концентраци забруднювачiв у стiчнiй водi у 7 разiв пот-рiбно 5 ступеней переносу для випадку етилацетату (див. рис. 3) й удвiчi бшьше - для випадку бутилацетату (див. рис. 4).
З множини конструкцш рщинно-екстракщйних апа-рапв, якi можна рекомендувати для очищення спчних вод олiйних виробництв, найбшьш рацiональними е протитечiйнi колони з мехашчним перемiшуваниям:
вiбpацшнi, роторно-дисков^ пульсацiйнi. У нашому ви-падку, коли rnTpi6eH апарат, еквiвалентний немалому числу теоретичних ступен1в масопереносу (див. рис. 3 та рис. 4), доцшьно застосувати змшувально-вщ-стiйнi екстрактори. Апарати цього типу дають змогу строго контролювати i цiлеспpямовано корелювати концентрацию та склад екстракту на окремих ступенях масопереносу.
Висновки. Унаслiдок експериментального досль дження вибрано екстрагенти - сумш етилацетату та бу-тилацетату i3 спиртами (метанол, етанол, пропанол, бу-танол, iзобутанол). Встановлено максимальний вмiст спирту, який забезпечуе гетерогенну область в екстрак-цiйнiй система Визначено найоптимальнiшу сумiш екстрагенту для очищення стiчних вод олiйних вироб-ництв - це сумiш етилацетату чи бутилацетату i3 бута-нолом. Отримано лiнiю piвноваги та робочу лшда i визначено кшьюсть ступенiв переносу. Найдоцiльнiшими для очищення спчних вод олiйних виробництв е бага-тоступiнчастi екстpакцiйнi установки.
Перелж використаних джерел
Chuchalin, L. K. (1972). Khimija processov jekstrakcii. Moscow: Na-uka, 142 p. [in Russian].
Dereyko, K. et al. (2009). Food industry wastewater treatment. Research and application of new technologies in wastewater treatment and municipal solid waste disposal in Ukraine, Sweden and Poland (pp. 123-129). Stockholm Sweden 23-25 September.
Diachok, V.V., Huhlych, S. I., & Marakhovska, A. O. (2016). Ochy-shchennia stichnykh vod vyrobnytstva kharchovykh olii. Visnyk Vinnytskohopolitekhnichnoho instytutu, 1, 23- 26. [in Ukrainian].
Fedushchak, N. K., Bidnychenko, Yu. I., Kramarenko, S. Yu., Kali-babchuk, V. O. et al. (2012). Analitychna khimii. Vinnytsia: Nova knyha, 640 p. [in Ukrainian].
Holodovska, O. Ya., Marakhovska, A. O., & Diachok, V. V. (2016). Patent na korysnu model № 111389, Ukraina MPK C02F 1/72 (2006.01), C02F 1/00 Sposib ochyshchennia stichnykh vod vyrobnytstva kharchovykh olii, opubl. 10.11.2016. - Biul. № 21. [in Ukrainian].
Rajhardt, Kh. (1973). Rastvoriteli v organicheskoj himii. Leningrad: Khimija, 150 p. [in Russian].
Rashevska, T. (1998). Pererobka orhanichnykh vidkhodiv. Kharchova ipererobnapromyslovist, 5, 20-24. Kyiv: Nauka. [in Ukrainian].
Saknevych, Y., Malovanyy, M., & Dyachok, V. (2009). Studying of optimal parameters of exploiting ultrafiltrating systems during waste water treatment. Research and application of new technologues in wastewater treatment and municipal solid waste disposal in Ukraine, 14 (pp. 17-24). Sweden and Poland. Stockholm.
Zulkovskij, Z. (1972). Zhidkostnaja jekstrakcija v himicheskoj promysh-lennosti: per. s polsk. Leningrad: Goshimizdat, 479 p. [in Russian].
B. B. flanoK, A. O. MapaxoecKaR, C. E. MapaxoecKaR
ЖИДКОСТНО-ЭКСТРАКЦИОННАЯ ОЧИСТКА СТОЧНЫХ ВОД ПРОИЗВОДСТВА ПИЩЕВЫХ МАСЕЛ
Увеличение мощностей предприятий по производству пищевых растительных масел на современном этапе развития пищевой промышленности приводит к образованию больших объемов отработанных вод производственного процесса. По оценке влияния на гидросферу это создает значительную экологическую проблему, поскольку вызывает загрязнение поверхностных вод органическими соединениями. В результате проведенных исследований установлена возможность очистки сточных вод производства растительных масел жидкостно-экстракционным методом. Определена смесь органических растворителей (экстрагент) для селективного извлечения основных загрязнителей сточной воды. Выяснено, что основными загрязнителями являются фосфолипиды, высокомолекулярные жирные кислоты, многоатомные спирты и др. Получены линия равновесия и рабочая линия процесса жидкостно-экстракционной очистки сточной воды. Установлено количество ступеней переноса для достижения заданной степени очистки при использовании исследуемых видов экстрагентов. Дана оценка влияния молекулярной массы спиртов на селективность экстрагента. Охарактеризована закономерность массопереноса основных загрязнителей из одной жидкой фазы в другую. Подобрано оборудование для проектирования технологической схемы очистки сточных вод производства пищевых растительных масел жидкостной экстракцией.
Ключевые слова: экстрагент; рафинат; экстракт; селективность; рабочая линия; линия равновесия.
V. V. Dyachok, A. О. Marakhovska, S. В. Marakhovska LIQUID EXTRACTION CLEANING OF WASTEWATER OF EDIBLE OIL PRODUCTION
Ensuring of ecological plants safety where food products are produced as well as elimination of wastes influence upon the environment is our subject problem. Moreover it creates a significant environmental problem, as is the pollution of surface waters by organic substances. So that is why finding ways of industrial wastewater treatment is an urgent task. Our previous goal was the emulsions destruction, which are the main wastewater polluter component. Now our task is to continue further illuminated water purification method using liquid extraction. The methodology of experimental research is as follows: 50 ml of wastewater and 50 ml extractant (40 ml ethyl acetate (butyl acetate) and 10 ml of the appropriate alcohol) is mixed in the mixer for 30 minutes, then in the sump separated into two layers, extract and raffinate. The concentration of the contaminant in wastewater is determined by photocolorimetry analysis. To achieve the maximum degree of wastewater treatment we have chosen extractant, which has selective solubility with respect to pollutants. The authors have learnt that the increase in molar mass of alcohol leads to increasing the concentration of pollutants in the extract. From the list of studied alcohols, the most appropriate for using is butyl alcohol (butanol). Target component distribution between the liquid phases is defined by balance conditions. The authors have constructed line workers that allowed determining the transfer degrees number to the system using two types of extractants such as ethyl ateetat-butanol and butyl acetate - butanol. From the huge amount of liquid-extraction devices designs that can be recommended for oil wastewater treatment plants the most rational is mixing - extractors slop. As a research result suitable extractants are selected - a mixture of ethyl acetate and butyl acetate with butanol, the maximum alcohol content that provides heterogeneous region in the extraction system is defined as well. An operating line and equilibrium line and also transfer steps number are identified. The multistage extraction installation is the most appropriate and gives strong results for sewage treatment from oil production plants.
Keywords: extractant; raffinate; extract; selection; working line; balance line.
1нформащя про aBTopiB:
Дячок Василь Володимирович, д-р техн. наук, професор, Нацюнальний ушверситет '^bBiBCbKa полтехшка"; м. Львiв, Украша.
Email: dyachokvasil@gmail.com Мараховська Анастаая Олепвна, астрант, Нацюнальний ушверситет '^bBiB^^ полггехшка"; м. Львiв, Украша.
Email: anastasia.marakhovska@gmail.com Мараховська Свгглана Бориавна, шженер, Нацюнальний ушверситет '^BiB^^ полтехшка"; м. Львiв, Украша.
Email: svitlana.marakhovska@gmail.com
