CC BY
16
УДК 628.316, 537.572
И. Г. Шайхиев, Г. Ш. Сафина, М. Ю. Алексеева, В. О. Дряхлов, А. А. Гужова
ВЛИЯНИЕ ПАРАМЕТРОВ УНИПОЛЯРНОГО КОРОННОГО РАЗРЯДА НА СЕЛЕКТИВНОСТЬ
И ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТЬ РАЗДЕЛЕНИЯ ВОДОМАСЛЯНОЙ ЭМУЛЬСИИ
ПОЛИСУЛЬФОНАМИДНЫМИ МЕМБРАНАМИ
Ключевые слова: водомасляная эмульсия, полисульфонамидная мембрана, коронный разряд, обработка, разделение.
Исследовано влияние параметров униполярного коронного разряда (время обработки, напряжение) на производительность и селективность разделения модельных эмульсий типа «масло в воде» на основе масла марки «И-20А» с использованием полисульфонамидных мембран с массой отсекаемых частиц 100 кДа. Определены значения ХПК исходной эмульсии и фильтратов. Определены значения времени обработки (3 минуты) и напряжение коронирования (15 кВ), при которых достигается наибольшая производительность и селективность процесса мембранной очистки водомасляной эмульсии.
Keywords: water-oil emulsion, polysulfonamide membrane, corona discharge, treatment, separation.
The influence of the parameters of the unipolar corona discharge (the treatment time, voltage) on the performance and selectivity of separation of model emulsions "oil in water" oil-based brands "I-20A" using polysulfonamide membrane with molecular weight cut-off of 100 kDa particles was studied. The values of COD of the initial emulsion and of the leachate were obtained. Defined values processing time (3 minutes) and the voltage of corona (15 kV), which achieved the highest performance and selectivity of membrane cleaning water in oil emulsions.
Мембранные технологии, основанные на разделении смесей, состоящих из двух и более компонентов с помощью «барьера» в виде мембраны, являются универсальным решением большинства технологических задач, связанных с сепарацией веществ, что обусловлено высокой селективностью мембранных процессов при варьировании исходных данных разделяемых сред (количество, состав, концентрация, дисперсность, температура, рН, токсичность и т.д.) в широком диапазоне, что обеспечивается расширяющимся ассортиментом органических, неорганических, биологических и композиционных материалов мембранных фильтр-элементов с характерными специфическими свойствами, конструкций их модулей, режимов функционирования и технологического оформления [1-5].
Однако, вместе с тем, для достижения вышеобозначенной высокой эффективности более 90, 95 и даже 99% необходимо соблюдение следующих догм при эксплуатации мембранных систем:
• мембраны должны быть химически, термически и физически устойчивы, а также высокоселективны и производительны к разделимой среде, в частности, и в процессе эксплуатации в течении длительного времени, в целом, из чего следует необходимость тщательного теоретического и экспериментального обоснования применения последних;
• поток веществ, поступающий на разделение не должен оказывать негативное воздействие на структуру и свойства фильтр-элемента или его модуля, в связи с чем следует проводить предварительную обработку сепарируемой смеси в виде предварительной очистки или изменении прочих иных характеристик;
• применение мембран должно быть экономически обоснованно и целесообразно, за исключением тех случаев, когда их отсутствие может нести прямую угрозу человечеству или окружающей среде.
На основании вышеизложенного, в продолжение работ, проводимых на кафедре Инженерной экологии, по изучению интенсификации очистки водных сред от водомасляных эмульсий с использованием полимерных мембран путем обработки последних с использованием коронного разряда [6-15] и высокочастотной емкостной плазмой пониженного давления [16-21], нами определялось влияние параметров униполярного коронного разряда на селективность и производительность разделения эмульсии полисульфонамидными мембранами марки УПМ-100.
Ранее [9] показана возможность разделения модельной водомасляной эмульсии с использованием коронообработанных
полисульфонамидных мембран с массой отсекаемых частиц 50 кДа. В настоящей работе исследовалось влияние параметров униполярного коронного разряда на эффективность и селективность разделения водомасляных эмульсий с использованием мембран из вышеназванного полимерного материала с размером отсекаемых частиц 100 кДа.
В качестве исследуемой среды использовалась водомасляная эмульсия следующего состава: масло индустриальное марки «И-20А» - 3 %, ПАВ марки «Косинтол-242» -2%, дистиллированная вода -95%.
В процессе коронообработки мембраны помещались в коронирующую ячейку с электродом, состоящим из 196 заостренных игл, равномерно расположенных на площади 49 см2 в виде квадрата. Обработка коронным разрядом мембран
проводилось в коронирующеи установке, схема которой приведена на рис. 1.
эмульсии коронная обработка в течение 1 и 5 минут способствует снижению производительности.
Рис. 1 - Схема коронатора: 1 - источник высокого напряжения, 2 - заземленный электрод, 3 - коронирующий электрод, 4 - образец мембраны
С помощью генератора высокого напряжения (1) на коронирующий электрод (3) подавалось напряжение ипол = 5, 15, 25 или 35 кВ отрицательной полярности. Расстояние между образцом мембраны (4) и иглами электрода (3) составляло 2 см. Время воздействия коронным разрядом составило т = 1, 3 и 5 минут, по истечении которого генератор выключался, образцы с помощью пинцета снимались с заземленной стальной пластины (2) и помещались в экспериментальную мембранную установку.
Конструкция мембранного модуля представляет собой полый цилиндр с внутренним объёмом 200
3
см , снизу которого на подставке закрепляется мембрана, а сверху подается сжатый воздух, нагнетаемый компрессором и создающий заданное значение давления. Эмульсия объёмом 100 см3 заливалась в рабочую ёмкость цилиндра, при этом одновременно включалось магнитное
перемешивающее устройство, в результате чего на поверхности мембраны образуется тангенциальный поток «cross-flow» с целью предотвращения явления концентрационной поляризации. Мембранный модуль герметизировался с помощью системы креплений, уплотнений и зажимов. В проведенных экспериментах устанавливалось давление, равное 202,65 кПа и определенное в ходе предыдущих исследований [11-21]. Площадь мембраны составила 1,735 •Ю-3 м2.
Селективность разделения полученной водомасляной эмульсии коронообработанными мембранами определялась по изменению значений ХПК до и после процесса разделения эмульсии, измеряемых на автоматическом титраторе марки «Т70» фирмы «Mettler Toledo». Графики изменения производительности мембран, обработанных в поле коронного разряда при различных временах электретной обработки, напряжения на электроде, в зависимости от времени прохождения эмульсии, приведены на рисунках 2-5. Время разделения эмульсии составило 90 минут.
Как следует из графиков, приведенных на рисунке 2, коронообработка при напряжении 5 кВ мембраны не приводит к значимому изменению производительности фильтр-элемента. К тому же, очевидно, что в начальный период разделения
30 „ 40 50 Время процесса, мин
Рис. 2 - Производительность разделения водомасляной эмульсии мембранами УПМ-100 при напряжении электретирования и = 5 кВ
1=1 мин
1=3 мин
т=5мнн
Исходим мембрана
30 40 50 «I Г!]ммя процесса, мин
Рис. 3 - Производительность разделения водомасляной эмульсии мембранами УПМ-100 при напряжении коронирования и = 15 кВ
При увеличении напряжения коронного разряда до и = 15 кВ, наблюдаются отличные от предыдущего рисунка графики зависимостей производительности от времени коронообработки. После обработки коронным разрядом в течение 3 минут, максимальная производительность мембраны в начальный период разделения эмульсии составила более 42 дм3/м2-ч, в то время как у исходной мембраны названный показатель составил чуть более 12 дм3/м2-ч. А увеличение времени обработки коронным разрядом в течение 5 минут, наоборот, привело к существенному снижению производительности. Подобные закономерности отмечались и в более ранних публикациях [11-21].
На рисунке 4 показаны графики изменения производительности мембран, подвергнутых обработкой коронным разрядом при и = 25 кВ. Очевидно, что коронирование в течение 1 минуты способствует некоторому увеличению
производительности мембраны в период с 20 по 90 минуты процесса. Коронообработка в течение 3 минут приводит к увеличению производительности в 2 раза по сравнению с исходной мембраной, в дальнейшем названный параметр снижается и практически идентичен таковому, полученному с
использованием фильтр-элемента после 1 минутного воздействия коронного разряда. Последний, при воздействии в течение 5 минут на мембрану, способствует тому, что ее производительность постепенно повышается и, начиная с 30-й минуты по 70-ю, имеет значение вдвое больше, чем у исходного фильтр-элемента.
Исходная мембрана
30 „ 40 50 60 Время процесса, мин
Рис. 4 - Производительность разделения водомасляной эмульсии мембранами УПМ-100 при напряжении коронирования и = 25 кВ
подвергнутой обработке коронным разрядом при и = 15 кВ в течение 3-х минут. Селективность процесса в данном случае составила чуть более 80 %. Рассматриваемый параметр при использовании немодифицированного фильтр-элемента составил 16 %.
Таблица 1 - Значения ХПК фильтратов, полученных при разделении водомасляной эмульсии коронообработанными мембранами с массой отсекаемых частиц 100 кДа
ХПК, мг О2/ дм3
время короно-обработки U, кВ
5 15 25 35
1 23960 15970 22940 26490
3 25130 6230 7990 11300
5 23570 7210 10520 25910
фильтрат исходной мембрана 26300
Исходная эмульсия 31360
—1—т—1 мин
Время процесса, шш
Рис. 5 - Производительность разделения водомасляной эмульсии мембранами УПМ-100 при напряжении коронирования и = 35 кВ
Воздействие коронного зазряда при напряжении 35 кВ в течение 1 минуты способствует тому, что в начальный период разделения эмульсии, производительность мембраны имеет максимальное значение, втрое превышающее таковой показатель у исходного фильтр-элемента (рис. 5). Последующее увеличение времени коронообработки приводит к тому, что производительность мембран уменьшается.
Селективность разделения оценивали по показателю ХПК фильтратов; последние приведены в таблице 1.
Как следует из данных, приведенных в таблице 1, практически все полученные фильтраты имеют значения ХПК меньше? чем таковой показатель, полученный при разделении эмульсии с использованием исходной мембраны (26300 мг О2/дм3). Наименьшее значение ХПК (6230 мг О2/дм3) имеет фильтрат, полученный при разделении эмульсии с использованием мембраны,
Увеличение производительности и
селективности связано с повышением гидрофильности поверхности мембран.
Подтверждением сказанному служит изменение показателя краевого угла смачивания у исходной и коронообработанной мембраны. Так, названный показатель у исходного фильтр-элемента составляет 54,6 о, у мембраны, которая подверглась обработке коронным разрядом при U=15 кВ в течение 3-х минут - 49,7 о.
Таким образом, в результате проведенных исследований показана возможность увеличения производительности и селективности
полисульфонамидных мембран марки УПМ-100 при разделении модельных водомасляных эмульсий на базе масла марки «И-20А» в результате воздействия униполярного коронного разряда. Определено, что наибольшие значения производительности и селективности достигаются при обработке названной мембраны коронным разрядом при напряжении 15 кВ в течение 3 минут.
Литература
1. В. А. Сокол, В.А. Яковцева, Д. Л. Шиманович, Доклады БГУИР, 2 (64), 21-27 (2012).
2. А.Г. Первов, А.П. Андрианов, Р.В. Ефремов, Ю.В. Козлова, Критические технологии. Мембраны, 1 (25), 18-34 (2005).
3. Н.А. Шиненкова, А.А. Поворов, Л.В. Ерохина, А.Ф. Наследникова, В.П. Дубяга, В.Г. Дзюбенко, И.И. Шишова, Н.И. Солодихин, Pia Lipp, Marco Witte, Серия. Критические технологии. Мембраны, 4 (28), 21-25 (2005).
4. В.Ф. Реутов, С.Н. Дмитриев, Журнал Российского химического общества им. Д. И. Менделеева, XLVI, 5, 74-80 (2002).
5. Н.В. Волков, Н.Д. Лукин, Л.В. Кривцун, Достижения науки и техники АПК, 11, 79-80 (2011).
6. В.О. Дряхлов, М.Ю. Никитина, И.Г. Шайхиев, И.А. Загидуллина, С.В. Фридланд, Вестник Казанского технологического университета, 14, 103-105 (2014).
7. В.О. Дряхлов, М.Ю. Никитина, Т.И. Шайхиев, М.Ф. Галиханов, И.Г. Шайхиев, Вода: химия и экология, 11, 98-102 (2014).
8. V.O. Dryakhlov, M.Y. Nikitina, I.G. Shaikhiev, M.F. Galikhanov, T.I. Shaikhiev, B.S. Bonev, Surface Engineering and Applied Electrochemistry, 51, 4, 406-411 (2015).
9. И.Г. Шайхиев, Г.Ш. Сафина, В.О. Дряхлов, М.Ю. Алексеева, А.И. Назмиева, Вестник Казанского технологического университета, 17, 217-220 (2015).
10. В.О. Дряхлов, М.Ю. Никитина, И.А. Загидуллина, Т.И. Шайхиев, , С.В. Фридланд, B.S. Bonev Вестник Казанского технологического университета, 10, 107110 (2014).
11. И.Г. Шайхиев, В.О. Дряхлов, Г.Ш. Сафина, В .А. Ненов, А.И. Назмиева, Б.С. Бонев, Вестник Казанского технологического университета, 13, 242-245 (2015).
12. Г.Ш. Сафина, В.О. Дряхлов, М.Ф. Галиханов, Т.И. Шайхиев, С.В. Фридланд, Вестник Казанского технологического университета, 14, 229-231 (2015).
13. V. Dryakhlov, I. Shaikhiev, T. Shaikhiev, I. Zagidullina, B. Bonev, V. Nenov, Bulgarian Chemical Communications, 47, Special Issue B, 109-115 (2015).
14. В.О. Дряхлов, М.Ю. Никитина, И.Г. Шайхиев, М.Ф. Галиханов, Т.И. Шайхиев, Б. С. Бонев, Электронная обработка материалов, 51, 4, 104-109 (2015).
15. V. Nenov, B. Bonev, I. Shaikhiev, V. Dryakhlov, G. Safina, А. Nazmieva, Annual Assen Zlatarov university, XLIV (1), 48-52 (2015).
16. В.О. Дряхлов, И.Г. Шайхиев, И.Ш. Абдуллин, Р.Г. Ибрагимов, Р.Т. Батыршин, Вестник Казанского технологического университета, 11, 43-48 (2010).
17. 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).
18. В.О. Дряхлов, И.Г. Шайхиев, Б.С. Бонев, И.Ш. Абдуллин, А.М. Гумеров, Вестник Казанского технологического университета, 3, 148-150 (2013).
19. А.В. Федотова, В.О. Дряхлов, И.Ш. Абдуллин, Б.С. Бонев, В. Ненов, Вестник Казанского технологического университета, 5, 213-215 (2015).
20. А.В. Федотова, И.Г. Шайхиев, В.О. Дряхлов, И.Ш. Абдуллин, Вестник Казанского технологического университета, 14, 228-241 (2015).
21. В.О. Дряхлов, И.Г. Шайхиев, И.Ш. Абдуллин, Б.С. Бонев, А.В. Федотова, Вода: химия и экология, 2, 25-30 (2015).
© И. Г. Шайхиев - д.т.н., заведующий кафедрой Инженерной экологии Казанского национального исследовательского технологического университета, ildars@inbox.ru; Г. Ш. Сафина - студентка той же кафедры; М. Ю. Алексеева - аспирант той же кафедры; В. О. Дряхлов - ассистент той же кафедры; А. А. Гужова - аспирант кафедра технологии переработки полимеров и композиционных материалов КНИТУ.
© I. G. Shaikhiev - full doctor, department chair of Engineering ecology of Kazan national research technological university, ildars@inbox.ru; G. Sh. Safina - student, Department of engineering ecology of the same university; M. Y. Alekseeva - postgradyate student, Department of engineering ecology of the same university; V. O. Dryakhlov - assistant professor, Department of engineering ecology of the same university; A. A. Guzhova - postgraduate student, Department of processing technology of polymers and composite materials of the same university.
