621.357:628.3:665.7.038.2
М.А. Денисова, В.А. Колесников, В.И. Ильин
Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева, Москва, Россия
Электрофлотационное извлечение ПАВ из концентрированных солевых растворов
В данной работе изучен процесс электрофлотационного извлечения ОС-20 из растворов солей (сульфата,карбоната,нитрата и фосфата натрия ) с концентрацией 1 и 100г/л при различных значениях рН. Установлено, что природа и концентрация соли при извлечении ПАВ взаимосвязана с рН раствора. Для ОС-20 максимальная степень извлечения из солевых растворов достигает 55%.
Поверхностно-активные вещества в настоящее время являются наиболее распространенными продуктами. Их используют для очистки от загрязнений твердых поверхностей металлов, стекла, керамики, пластмасс; для выравнивания окраски при кислотном и кубовом крашении в текстильной промышленности; в процессах флотации для обогащения различных руд; большое разнообразие ПАВ используется в химической и нефтяной промышленности и нефтедобывающей промышленности.
Производство и широкое использование ПАВ в различных отраслях экономики приводит к увеличению стоков, содержащих их в качестве загрязняющих веществ.
В водоемах ПАВ используют кислород, растворенный в воде, который расходуется на их окисление. На поверхности воды образуется стойкая пена, препятствующая доступу кислорода из воздуха и тем самым ухудшает процессы самоочищения. При этом наносится значительный вред животному и растительному миру водоемов. В животных организмах ПАВ изменяют проницаемость мембран, оказывают влияние на кумуляцию различных веществ, в том числе токсичных, и на обмен веществ.
Из ПАВ наиболее токсичными являются катионактивные, наименее – анионактивные, неионогенные.
Предельно-допустимые концентрации ПАВ в водных стоках не должны превышать 0,1-0,01 мл/л.
Для очистки сточных вод от ПАВ используются методы биохимического окисления, сорбции, пенного фракционирования, коагуляции, выпаривания, ультрафильтрации, озонирования и др. Выбор метода очистки зависит от концентрации ПАВ в сточных водах, химической структуры ПАВ, от наличия неорганических и органических примесей и необходимой степени очистки.
Все вышеперечисленные методы очистки имеют ряд недостатков. Адсорбция на активированных углях эффективна при низких концентрациях и незначительных объемах очищаемых стоков, кроме того регенерация отработанных углей сложная и дорогостоящая операция. Поэтому адсорбцию на активированных углях используют как доочистку в сочетании с другими методами. Окисление озоном, и особенно хлором, может привести к образованию высокотоксичных соединений. Значительный интерес представляют биологические методы очистки. Однако и они не лишены некоторых недостатков, а именно высокая длительность очистки (10-20 суток), низкие концентрации ПАВ (20-50 мг/л) в исходных растворах. Залповые выбросы сточных вод с высоким содержанием ПАВ, а также некоторые трудноразлагаемые ПАВ могут приводить к нарушению работы очистных сооружений.
Электрохимическая обработка применима для осветления и обесцвечивания природных вод, для их умягчения, очистки от мышьяка, удаления кремния, фтора; для очистки сточных вод, содержащих масла, нефтепродукты, красители, ПАВ, фенол; она позволяет корректировать значения рН и окислительно-восстановительный потенциал, от чего зависит возможность тех или иных процессов; увеличивается ферментативная активность активного ила в аэротенках; уменьшается удельное сопротивление и улучшает условия обезвоживания органических осадков.
Электрохимический метод позволяет очищать сточные воды от ионов тяжелых металлов, масел, нефтепродуктов и ПАВ. Установки электрохимической очистки компактны, просты в эксплуатации и легко автоматизируются. Их применение целесообразно для локальной очистки природных, а также бытовых и производственных сточных вод.
Таким образом электрохимическая очистка имеет ряд преимуществ по сравнению с альтернативными механическими, химическими и биологическими методами.
В качестве объекта исследования выбрано ПАВ, относящееся к классу моноалкиловых эфиров полиэтиленгликоля на основе первичных жирных спиртов: препарат ОС-20.
Препарат ОС-20 [моноалкиловые эфиры полиэтиленгликоля на основе первичных жирных спиртов СnH2n+1(C2H4O)mH, где n=14-18, m=20] – воскообразная масса от белого до светло-коричневого цвета, хорошо растворимая в мягкой и жесткой воде, является стабилизатором суспензий, эмульгатором, диспергатором и смачивателем. ККМ=0,2 г/л; ГЛБ=14,8-17,0. Применяется в качестве выравнивателя при крашении кубовыми красителями, антистатика при переработке синтетических волокон, предотвращает засорение фильтра при получении вискозы. В воде ОС-20 находится в растворенном виде.
Извлечение ОС-20 из водного раствора осуществлялось в непроточном электрофлотаторе с нерастворимыми анодами. В качестве катода использовалась сетка из нержавеющей стали с размером ячеек – 0,5х0,4 мм и толщиной проволоки – 0,3 мм, аноды изготавливались из титановой пластинки марки ВТ1-0 с пленочным покрытием из оксидов кобальта и рутения, нанесенными термическим разложением смеси солей. Лабораторный аппарат изготавливался из стекла, площадь поперечного сечения составляла 10,2 см2, что соответствовало рабочей площади анода. Высота аппарата - 800 мм, объем раствора в аппарате 0,5 дм3. Электродный комплект расположен в нижней части аппарата. Катод расположен над анодом.
Выбранный электрофлотационный метод очистки основан на взаимодействии полученных электролитически мельчайших пузырьков водорода и кислорода с частицами загрязнений. В результате чего происходит взаимное слипание. Обусловленное уменьшением поверхностной энергии флотируемой частицы и пузырька газа на границе раздела фаз «жидкость-газ». Плотность образующихся агрегатов меньше плотности воды, что обуславливает их транспорт на поверхность жидкости и накопление их в виде пены.
При электролизе в растворе протекают основные реакции (рН≤7):
катодная: 2 H3О+ + 2e → H2 + 2H2O
анодная: 2H2O - 4e → O2 + 4H+
(рН≥7):
катодная: 2H2O + 2e → H2 + 2OH-
анодная: 4OH- - 4e → 2H2O + O2
Питание электрофлотатора и электролизера осуществляли с помощью источника постоянного тока Б5-48. Сила тока 100-800 мА.
Для приготовления модельных растворов с заданной концентрацией и фиксированным значением рН пробу исходного раствора ОС-20 (С=300мг/л) сначала разбавляли примерно до 400 мл дистиллированной водой, и доводили рН раствора до нужного значения с помощью NaOH и H2SO4..Затем доводили объём раствора до 500 мл. Контроль рН осуществляли с помощью рН-метра (иономера) ЭВ-74 со стандартными стеклянным (ЭСЛ 43-07) и хлоридсеребряным электродами.
Анализ содержания ОС-20 производился методом химического потребления кислорода по Лейте.
Исследовались зависимости степени извлечения ОС-20 от рН, концентрации солей и времени.
Изучено влияние плотности тока на степень извлечения препарата ОС-20 в диапазоне i = 0,2- 0,8 А/л. Наибольшая степень извлечения (11%) наблюдается при iv=0,4 А/л, когда имеет место достаточное газонасыщение раствора, отсутствует турбулентное движение газов, и идет образование устойчивого флотокомплекса и подъем его на поверхность. При увеличении плотности тока до 0,8 А/л степень извлечения незначительно снижается за счет появления турбулентных потоков раствора.
Использовались растворы сульфата, карбоната, нитрата, фосфата натрия с концентрацией 100 г/л при значениях рН, равных 3, 7, 11.
При рН = 3 максимальная степень извлечения (40%) была достигнута в концентрированном растворе сульфата натрия (26% в растворе с концентрацией 1 г/л). В растворе нитрата натрия при том же значении рН степень извлечения составила 8% (3% в том же растворе с концентрацией 1 г/л). В растворе карбоната натрия (1г/л) степень извлечения составила 20%.
При рН = 7 максимальная степень извлечения (30%) была достигнута в растворах сульфата и карбоната натрия. В растворах нитрата и фосфата натрия при том же значении рН степень извлечения составила соответственно 13 и 6%( в растворах солей с концентрацией 1г/л - 7 и 12,5%).
При рН = 11 максимальная степень извлечения (55%) была достигнута в карбоната натрия. В растворах сульфата, нитрата и фосфата натрия степень извлечения составила соответственно 20, 27 и 16%, (в растворах этих же солей с концентрацией 1г/л - 2, 5 и 13%).
Таким образом, наибольшая степень очистки (55%) была достигнута в концентрированном растворе карбоната натрия при рН=11.
Список литературы
1. Лейте В. Определение органических загрязнений питьевых, природных и
сточных вод. - М.: Химия, 1975. - 199 с.
-
Родионов А.И. Очистка сточных вод от поверхностно- активных веществ и от
ионов тяжелых металлов. - М.: МХТИ им. Д.И.Менделеева, 1979. - 48 с.