CC BY
11
УДК: 628.316
В. О. Дряхлов, М. Ю. Никитина, И. А. Загидуллина, Т. И. Шайхиев, С. В. Фридланд, B. S. Bonev
ВЛИЯНИЕ ПАРАМЕТРОВ ОБРАБОТКИ ПОЛИАКРИЛОНИТРИЛЬНЫХ МЕМБРАН КОРОННЫМ РАЗРЯДОМ НА ЭФФЕКТИВНОСТЬ РАЗДЕЛЕНИЯ ВОДОМАСЛЯНЫХ ЭМУЛЬСИЙ
Ключевые слова: полиакрилонитрильные мембраны, водомасляная эмульсия, коронный разряд, обработка.
Исследовано разделение водомасляной эмульсии на базе масла «И-20А», стабилизированных ПАВ марки «Ко-синтанол-242», с использованием полиакрилонитрильных мембран с массой отсекаемых частиц 60 кДа, обработанных в поле коронного разряда. Найдены условия коронной обработки, при которой достигаются наибольшие значения производительности и селективности: напряжение - 5 кВ, время обработки - 1 минута.
Keywords: polyacrylonitrile membrane-water emulsion, a corona discharge treatment.
Separation of water-oil emulsion was investigated on the basis of oil "I-20A" stabilized surfactant brand "Co-Synthanol-242", using polyacrylonitrile membranes separated particles with a molecular weight cuit-off 60 kDa, the processed in the corona. Conditions are found corona treatment, at which reaches its Shijo-value performance and selectivity: voltage - 5 kV, the processing time - 1 minute.
Сточные воды, содержащие нефтепродукты (СВСНП), формируются при эксплуатации и обслуживании оборудования химических и нефтехимических предприятий. В связи со сложностью многокомпонентного состава, устойчивостью к воздействию микроорганизмов, а так же необходимостью разрушения стабильной структуры СВСНП, традиционные методы отстаивания, фильтрования и биологической очистки недостаточно эффективны, что приводит к попаданию их в природные водные экосистемы.
Использование мембранных технологий позволяют решить одновременно ряд проблем: получения чистой воды, пригодной для повторного использования в технических целях или отвода в естественные водоемы; сокращения затрат на размещения вредных отходов производства и создания малоотходного технологического процесса производства. Таким образом, усовершенствование процесса очистки СВСНП с помощью метода ультрафильтрации позволяет снизить техногенную нагрузку на окружающую среду, в частности, поверхностные водные объекты. Недостатком мембранных методов является концентрационная поляризация загрязнителя на поверхности мембран, вследствие чего происходит забивание пор последних, а так же снижение производительности процесса очистки сточных вод.
В предыдущих работах [1-3] исследовано влияние параметров обработки полиэфирсульфоно-вых и полиакрилонитрильных мембран высокочастотной емкостной (ВЧЕ) плазмой пониженного давления на эффективность разделения водомасляных сред с целью оценки возможности последующей интенсификации очистки СВСНП. На основании проведенных исследований доказана целесообразность плазмохимической модификации, выявлены оптимальные параметры плазмообработки, при которых наблюдается увеличение производительности и эффективности разделения эмульсий при использовании плазменно-модифицированных мембран по сравнению с исходными. Однако, необходимо отметить и недостатки плазмохимического метода, свя-
занные со сложностью аппаратурного оформления, значительными затратами воды, используемой в качестве хладоагента, и газа, используемого в качестве плазмообразующей среды, а так же необходимостью создания вакуума в рабочей камере плазмотрона.
В связи с вышеизложенным актуальными становиться вопросы изыскания альтернативных методов обработки поверхности полимерных фильтр элементов с целью интенсификации процесса разделения водомасляных сред.
Так как активными в процессе модификации компонентами плазмы являются, в частности, электроны [4], перспективно-обоснованным методом является обработка диэлектрика-мембраны в поле коронного разряда, способствующее образованию электретного состояния последнего, при этом мембрана становится электретом. Электрет - это диэлектрик, в течение длительного времени сохраняющий поляризованное состояние после снятия внешнего воздействия, которое привело к поляризации (или заряжению) этого диэлектрика, и создающий в окружающем пространстве квазипостоянное электрическое поле. Влияние электретирования на зарядовое состояние, прочностные, фотолюминесцентные и другие свойства полимерных материалов широко изучается в настоящее время [5-12]. Данное обстоятельство обусловлено тем, что электреты находят применение в различных областях науки и техники, например, для создания элементов преобразователей механических, тепловых, акустических, оптических, радиационных и др. сигналов в электрические (в импульсы тока), запоминающих устройств, электродвигателей, генераторов и т.д.; фильтров и мембран; противокоррозионных конструкций; узлов трения; систем герметизации [5-7].
На основании вышеизложенного в настоящей работе приведены результаты исследования разделения водомасляной эмульсии мембранами, электретированными в поле коронного разряда. В процессе электретирования мембраны помещались в коронирующую ячейку с электродом, состоящим из 196 заостренных игл, равномерно расположенных
на площади 49 см в виде квадрата. Электретирова-ние проводилось следующим образом (рис. 1). С помощью генератора высокого напряжения (1) на коронирующий электрод (3) подаётся напряжение ипол = 5, 10 или 15 кВ отрицательной полярности. Расстояние между образцом (4) и иглами электрода (3) составляет 20 мм. По истечении времени поляризации гпол = 30, 60 или 90 с генератор выключается, образцы снимаются с заземленной стальной пластины (2) с помощью пинцета.
времени прохождения разделяемого потока, приведены на рисунке 3а-в.
Рис. 1 - Схема коронатора: 1 - источник высокого напряжения, 2 - заземленный электрод, 3 -коронирующий электрод, 4 - образец
Плоские мембраны с диаметром 47 мм и с массой отсекаемых частиц 60 кДа, применяемые в качестве фильтрэлементов, выполнены из полиак-рилонитрила (ПАН).
Конструкция мембранного модуля представляет собой полый цилиндр с внутренним объёмом 200 мл, снизу которого закрепляется на подставке мембрана, а сверху подаётся давление, создаваемое компрессором. Эмульсия объёмом 50 мл заливается в рабочую ёмкость цилиндра, при этом одновременно включается магнитное перемешивающее устройство, в результате чего на поверхность мембраны образуется тангенциальный поток «cross-flow» с целью предотвращения явления концентрационной поляризации. С помощью системы креплений, уплотнений и зажимов мембранный модуль герметизируется, после чего подаётся давление со значением 202, 65 кПа (2 атм).
Используемая в качестве разделяемой среды, эмульсия приготовлена на основе индустриального масла марки «И 20-А», стабилизирована ПАВ марки «Косинтанол-242». Состав разделяемой водомасляной эмульсии следующий: масло - 20 %, ПАВ - 2 %, остальное - вода. Значение ХПК полученной эмульсии составило 166550 мг О2/дм3. Определен размер частиц дисперсной фазы эмульсии на анализаторе наночастиц марки «MalvernZetasizer-Nano ZS». Выявлено, что эмульсия имеет монодисперсный характер и наибольшее количество частиц эмульсии (42 %) имеют размер 179 нм (рис. 2).
Эффективность или селективность разделения полученной водомасляной эмульсии определялась по изменению значений ХПК до и после процесса разделения эмульсии, измеряемого наавтома-тическомтитраторе марки «Т70» фирмы «MettlerToledo». Графики изменения производительности мембран, обработанных в поле коронного разряда при различных временах электретной обработки, напряжения на электроде, в зависимости от
I'
1-t-fH-
....
I I III ||
mtti
0.1
SiziM
Рис. 2 - Распределение частиц дисперсной фазы эмульсии на основе масла маки «И20-А», стабилизированной ПАВ «Косинтанол-242»
Анализ графиков, представленных на рисунке 3 а, показывает, что в результате обработки мембран в поле коронного разряда при значении ипол = 5 кВ в течение 0,5 минут позволяет несколько повысить производительность мембраны в начальный период прохождения через нее разделяемого потока. Однако, в дальнейшем, производительность коронообработанной мембраны резко снижается, что, по всей видимости, связано с забитием пор мембраны углеводородами, входящими в состав масла. Следует отметить, что графики зависимости исходной мембраны имеют аналогичную тенденцию - максимальная производительность (~ 16 дм3/м2^ч) наблюдается на 15 минуте прохождения потока через мембрану, в дальнейшем производительность фильтрэлемента снижается. Так же отмечено, что обработка мембран при Ппол = 5 кВ в течение 1,0 и 1,5 минут снижает производительность последних в сравнении с таковым показателем исходной мембраны. Так, максимальная производительность (~ 10 дм3/м2^ч) при прохождении эмульсии через мембрану, обработанную при ипол = 5 кВ в течение 1,0 минут достигается на 25 минуте, для мембраны, обработанной в поле коронного разряда в течение 1,5 минут - на 20 минуте.
Для ПАН мембран, обработанных в поле коронного разряда при Ппол = 10 кВ, наблюдается аналогичная зависимость - при обработке в короне в течение 1,0 минуты производительность фильтрэле-мента несколько повышается, при коронообработке в течение 0,5 и 1,5 минут - снижается, достигая максимального значения ~ 14 дм3/м2^ч на 20 и 15 минуте прохождения эмульсии, соответственно.
Такие же зависимости наблюдаются и для мембран, подвергнутых короной обработке при ипол = 15 кВ. При обработке в поле коронного разряда в течение 0,5 и 1,5 минут производительность мембраны в начальный период прохождения эмуль-
сии несколько повышается, при коронной обработке в течение 1,0 минуты - снижается.
ХПК фильтратов, полученными в прохождения потока через коронообработанные фильтрэлементы (табл. 1).
Таблица 1 - Значения ХПК фильтратов
в
Рис. 3 - Зависимость производительности разделения эмульсии от времени электретирования и напряжения на электроде ипол. а - 5 кВ; б - 10 кВ; в - 15 кВ
Тем не менее, коронная обработка ПАН мембран способствует увеличению селективности разделения рассматриваемой водомасляной эмульсии, что демонстрируется значениями показателя
Напряжение при обработке, ипол, кВ ХПК, мг О2/дм3
Время обработки, мин
0.5 1 1.5
5 31591 19126 34023
10 20112 24783 44326
15 43989 44045 45760
Фильтрат после исходной мембраны 61046
Исходная эмульсия 166550
Очевидно, что коронообработка способствует снижению показателя ХПК фильтратов, полученных в результате прохождения через модифицированные мембраны. Наименьшее значение рассматриваемого параметра (20112 мг О2/дм3) наблюдается в случае прохождения водомасляной эмульсии через мембрану, подвергнутую обработке в поле коронного разряда при ипол = 5 кВ и т = 1,0 мин. Селективность разделения в случае использования исходной мембраны составила 63,3 %, в случае ко-ронообработанной в вышеназванных условиях -87,9 %.
По всей видимости, обработка в поле коронного разряда способствует гидрофилизации поверхности фильтрэлемента, на что косвенно указывают значения потенциала поверхности, напряженности электрического поля, эффективной плотности заряда исходной и модифицированных ПАН мембран. Для исходной мембраны названные показатели равны нулю, а для образца, обработанного коронным разрядом при ипол = 5 кВ и т = 1,0 мин потенциал поверхности составляет 33 В, напряженность электрического поля - 2,67 кВ/м, а эффективная плотность заряда (сэф) - 0,03 мкКл/м2.
Электризованная мембрана селективно пропускает молекулы воды, отталкивая неполярные молекулы углеводородов, входящих в состав масла, от поверхности с образованием высококонцентрированной эмульсии (табл. 2).
Таблица 2 - Значения ХПК концентратов
Напряжение при обработке коронным разрядом, ипол, кВ ХПК, мг О2/дм3
Время обработки, мин
0.5 1 1.5
5 230060 264800 254900
10 281600 297410 262580
15 224300 270900 297400
концентрат после исходной мембраны 233100
Исходная эмульсия 166550
Таким образом, в результате проведенных исследований выявлен положительный эффект воздействия поля коронного разряда на ПАН мембраны с целью увеличения производительности и селективности разделения водомасляных сред. Определены параметры коронообработки ПАН мембран с массой разделяемых частиц 60 кДа, при которых достигаются наибольшие значения селективности и производительности: Ппол = 5 кВ и т = 1,0 минута.
Литература
1. И.Г. Шайхиев, И.Ш. Абдуллин, В.О. Дряхлов, Р.Г. Ибрагимов, Р.Т. Батыршин, Вестник Казанского технологического университета, 11, 43-48 (2010).
2. И.Г. Шайхиев, И.Ш. Абдуллин, В.О. Дряхлов, Р.Г. Ибрагимов, Р.Т. Батыршин, Вестник Казанского технологического университета, 6, 31-35 (2011).
3. В.О. Дряхлов, И.Г. Шайхиев, Б.С. Бонев, И.Ш. Абдуллин, А.М. Гумеров, Вестник Казанского технологического университета, 3, 148-150 (2013).
4. Плазмохимическая модификация поверхности полимерных материалов [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://www.isuct.ru/konf/plasma/LECTIONS/ Gilman_lection.htm, свободный.
5. G. Sessler, Electrets. Springer, Berlin. 1987. 453 p.
6. V.N. Kestelman, L.S. Pinchuk, V.A. Goldade, Electrets in Engineering: Fundamentals and Applications. KluwerAcad. Publ, Boston-Dordrecht-London. 2000. 281 p.
7. М.Ф. Галиханов, Материаловедение, № 7, 15-19 (2008).
8. В.В. Кочервинский, Г.А. Воробьева, В.М. Шкинев, Журн. прикл. химии, 68, 7, 1111-1115 (1995).
9. М.М. Кулиев, Р.С. Исмайилова, Электронная обработка материалов, 5, 63-67 (2010).
10. А.М. Магеррамов, М.А. Рамазанов, Ф.В. Гаджиева, Электронная обработка материалов, 5, 120-123 (2010).
11. А. А. Гужова, Д.Э. Темнов, М.Ф. Галиханов, Известия Российского государственного педагогического университета имени А.И. Герцена, 157, 55-60 (2013).
12. А.А. Перепелкина, М.Ф. Галиханов, Л.Р. Мусина, Вестник Каз. технол. ун-та, 16, № 7, 113-114 (2013).
© В. О. Дряхлов - асп. каф. инженерной экологии КНИТУ, [email protected]; М. Ю. Никитина - студ. той же кафедры; И. А. Загидуллина - асп. каф. ТПП КНИТУ; Т. И. Шайхиев - асп. каф. инженерной экологии КНИТУ; С. В. Фридланд -д.х.н., профессор той же кафедры; В. 8. Вопет - проф. каф. водоподготовки и технологии силикатных материалов университета «Проф. Д-р Асен Златаров», г. Бургас, Болгария.
