Содержание к диссертации
Введение
1. Литературный обзор 12
1.1. Особенности физико-химических процессов в дисперсно-коллоидных системах 12
1.2. Адсорбционные явления в многокомпонентных системах 14
1.3. Силы адсорбции и энергии адсорбции 16
1.4. Изотермы адсорбции 19
1.5. Процессы адсорбции поверхностно активных веществ на поверхности адсорбента из раствора 23
1.6. Загрязнение водных объектов ПАВ 26
1.7. Влияние ПАВ на объекты окружающей среды 30
1.8. Воздействие ПАВ на здоровье человека 34
1.9. Виды ПАВ 1.10. Применение ПАВ 38
1.11. Краткая характеристика ПАВ
1.11.1. Поведение ПАВ в растворах 39
1.11.2. Физико-химические основы действия ПАВ 43
1.12. Существующие способы очистки сточных вод от ПАВ 44
Выводы по литературному обзору 50
2. Методы и объекты исследований 51
2.1. Объекты исследования 51
2.1.1. Образование исходного сатурационного осадка 51
2.1.2. Характеристика ПАВ-содержащих растворов 52
2.1.3 Модельные растворы 53
2.2. Методы исследований 53
Выводы к главе 2 59
3. Исследование физико-химических свойств ТМСО и определение оптимальных условий водоочистки 60
3.1. Физико-химические свойстваИСО иТМСО 60
3.1.1. Анализ исходного сатурационного осадка 60
3.1.2. Получение активированного сатурационного осадка и изучение его физико-химических свойств 61
3.1.3. Рентгенофазовый анализИСО иТМСО 62
3.1.4. Водородный показатель (рН) водной вытяжки 63
3.1.5. Влияние температуры обжига на размер частиц сатурационного осадка 63
3.1.6. Определение удельной поверхности 64
3.1.7. Термогравиметрические исследования 64
3.1.8. Исследование пористой структуры ТМСО 66
3.1.9. Микроскопические исследования
3.1.10. Исследование микроструктуры углеродного слоя 71
3.1.11. Энергодисперсионные исследования 71
3.1.12. Определение гидрофобных свойств ТМСО 74
3.1.13. Влияние ТМСО на смачивающие способности растворов лаурилсульфата натрия 75
3.1.14 Изменение рН водных сред под воздействием ТМСО 76
3.1.15. Электрокинетические свойства частиц сатурационного осадка 78
3.1.16. Изменение величины -потенциала поверхности частиц ТМСО в растворах ЛСН 80
3.1.17. Адсорбционные исследования 82
3.1.18. Определение энергии адсорбции 83
3.1.19. Кинетика адсорбции 85
3.1.20. Исследование изменения электропроводности в системе «раствор лаурилсульфата натрия - ТМСО» 87
3.1.21. Определение поверхностной проводимости ТМСО 89
3.1.22. Определение поверхностного натяжения о исследуемых растворов 91 3.1.23. Исследование суспензионного эффекта в системе «раствор ЛСН -ТМСО» 92
3.1.24. Определение ориентационного расположения молекул ЛСН 94
3.1.25. Исследование исходного и обработанного сатурационного осадка в инфракрасном спектре 96
3.2. Исследование влияния технологических факторов на эффективность очистки 97
3.2.1. Влияние массы ТМСО на эффективность очистки 97
3.2.2. Зависимость эффективности очистки сточных вод от длительности взаимодействия сорбента со сточными водами 99
3.2.3. Влияние температуры на эффективность очистки сточных вод от СПАВ 99
3.2.4. Влияние размера частиц ТМСО на эффективность очистки 101
3.2.5. Гидрофобное взаимодействие ЛСН с ТМСО 102
3.3. Биотестирование стоков, содержащих СПАВ 103
Выводы к главе 3 104
4. Разработка технологической схемы очистки вод и утилизации осадка ... 106
4.1. Разработка технологической схемы процесса очистки сточных вод 106
4.2. Утилизация осадка водоочистки 107
4.3. Получение гранул на основе осадка водоочистки 112
4.4. Исследование процесса очистки сточных вод в производственных условиях 114
4.4.1 МУЛ «Водоканал» г. Алексеевка 114
4.4.2 ООО «Шебекинская индустриальная химия» г. Шебекино
Выводы к главе 4 116
5. Экономическое обоснование по внедрению сорбционного материала 117
5.1. Расчет основных затрат на внедрение сорбционного метода 117
5.2. Расчет предотвращенного эколого-экономического ущерба от загрязнения водохозяйственного участка 120
5.3.Расчет экономической эффективности комплекса водоохранных мероприятий 123
Выводы к главе 5 124
Основные выводы 126
Библиографический список 128
- Процессы адсорбции поверхностно активных веществ на поверхности адсорбента из раствора
- Характеристика ПАВ-содержащих растворов
- Влияние температуры обжига на размер частиц сатурационного осадка
- Исследование процесса очистки сточных вод в производственных условиях
Введение к работе
Актуальность работы. Одной из проблем коллоидной химии является изучение сорбционных свойств веществ в дисперсном состоянии и явлений, происходящих на границе раздела фаз.
Коллоидно-химические процессы, протекающие в дисперсионых средах, широко распространены в природе и различных технологических операциях. В значительной степени это относится к системам водоочистки.
В ходе производственной деятельности в природные водные объекты сбрасывается большое количество неочищенных стоков, загрязненных синтетическими поверхностно-активными веществами (СПАВ). Они представляют собой поликомпонентные коллоидно-дисперсные системы, для очистки которых используют различные физико-химические методы, в том числе адсорбцию, коагуляцию, реагентную очистку. Для технологического осуществления данных методов применяют дорогостоящие адсорбенты, реагенты и оборудование, что часто делает процесс водоочистки экономически невыгодным. Поэтому создание эффективных и недорогих сорбционных материалов, полученных на основе отходов местной промышленности, является актуальной и перспективной задачей.
К числу отходов, потенциально пригодных к использованию в водоочистке, можно отнести сатурационный осадок (ИСО), являющийся отходом производства сахара.
Цель работы. Разработка нового адсорбента на основе сатурационно-го осадка для очистки сточных вод от СПАВ и установления зависимости его сорбционно-химических характеристик от технологических условий его производства и водоочистки. Разработка технологической схемы очистки сточных вод от СПАВ с последующей утилизацией осадка водоочистки.
Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи:
определить химический, минеральный и гранулометрический состав сатурационного осадка; изучить его сорбционно-химические свойства и поверхностные явления, протекающие в ходе очистки;
обосновать теоретическую возможность использования ИСО для очистки сточных вод от СПАВ;
получить высокоэффективный адсорбент путем термической модификации ИСО и определить его сорбционные параметры;
определить оптимальные условия очистки модельных растворов от СПАВ; обосновать коллоидно-химический и сорбционный механизм процесса очистки;
установить влияние различных технологических факторов (содержание добавки сорбционного материала; длительность контакта термически модифицированного сатурационного осадка (ТМСО) с модельным раство-
ром; рН и температура среды; дисперсность сорбционного материала) на эффективность очистки;
разработать технологическую схему процесса очистки;
разработать способ утилизации осадка водоочистки.
Научная новизна. Теоретически обоснована и экспериментально доказана возможность использования термически модифицированного сатурационного осадка для очистки сточных вод от синтетических поверхностно-активных веществ (СПАВ), основанная на физико-химических и сорбцион-ных свойствах сатурационного осадка. Установлена взаимосвязь между условиями термообработки исходного сатурационного осадка и физико-химическими, сорбционными свойствами полученного продукта, заключающаяся в образовании на его поверхности углеродного слоя, имеющего высокие сорбционные свойства.
Выявлена корреляция между физико-химическими, сорбционными, реагентными свойствами термически модифицированного сатурационного осадка и рН водной среды; эффективности очистки модельных растворов от количества добавляемого термически модифицированного сатурационного осадка, температуры раствора, рН среды. Установлено, что сорбционные свойства ТМСО находятся в параболической зависимости от температуры термообработки ИСО; наилучшие сорбционные свойства отмечены в области температур обжига 600±10С.
Показано, что эффективность очистки пропорциональна образующемуся количеству углерода на поверхности термически модифицированном сатурационном осадке и массе адсорбента. Установлено, что рН водной вытяжки ТМСО увеличивается пропорционально с ростом температуры обжига, что объясняется разложением кальциевых солей карбоновых кислот с образованием СаО. Установлены кинетические зависимости снижения концентрации СПАВ в растворе при очистке предложенным адсорбентом.
Работа выполнялась в соответствии с областной программой «Чистая вода», а также при поддержке Минобрнауки РФ в рамках Программы, стратегического развития (ПСР) БГТУ им. В.Г. Шухова на 2012 - 2016 гг. по проекту № 2011-ПР-146.
Практическая значимость работы. Определены оптимальные условия термической модификации сатурационного осадка с целью получения эффективного сорбционного материала. Установлено, что максимальное значение сорбционной емкости ТМСО достигается при температуре обжига сатурационного осадка 600С в течение 30 мин.
Предложена технологическая схема очистки сточных вод от СПАВ отходом производства сахара - термомодифицированным сатурационным осадком. Доказана высокая эффективность адсорбента в практике водоочист-
ки. Установлены рациональные технологические параметры проведения процесса очистки сточных вод от СПАВ.
Определены параметры процесса очистки СПАВ-содержащих сточных вод. Установлено, что оптимальная масса добавки ТМСО для извлечения СПАВ из раствора с исходной концентрацией 25 мг/дм3 составляет 4 г на дм3 раствора; длительность перемешивания 15 мин при температуре 20 С. Эффективность очистки при этом достигает 85 %.
На примере реальных сточных вод МУЛ «Водоканал» г. Алексеевка показано, что эффективность очистки СПАВ-содержащих сточных вод с применением ТМСОбоо составляет 78,8 %, а на примере вод ООО «Шебекин-ская индустриальная химия» - 75,6 %.
Образующийся при этом осадок водоочистки предлагается использовать в качестве порообразующей добавки к глиняным массам в производстве керамического кирпича. При введении в состав масс осадка водоочистки в количестве 50% прочность керамического изделия соответствует марке М25 по требованию ГОСТ 530-2012.
Эколого-экономический эффект от проведения комплекса водоохранных мероприятий на МУЛ «Водоканал» г. Алексеевка составит свыше 23 млн. руб/год при годовом объеме сточных вод 790 000 м3. Результаты исследования приняты к внедрению на МУЛ «Водоканал» г. Алексеевка. Теоретические положения и результаты экспериментальных исследований использованы в учебном процессе БГТУ им. В.Г. Шухова при изучении студентами дисциплин «Теоретические основы очистки сточных вод и отходящих газов», выполнении УНИРС и дипломном проектировании.
Апробация работы. Основные результаты были представлены и доложены на конгрессах и конференциях различного уровня: II Международной научно-практической конференции «ГЕОСИСТЕМЫ: факторы развития, рациональное природопользование, методы управления» (Туапсе, 2011); Международной научно-практической конференции «Энергосбережение и экология в ЖКХ и строительстве городов» (Белгород, 2012); XVII Всероссийском Конгрессе «Экология и здоровье человека» (Самара, 2012); XX Международной научно-технической конференции молодых ученых БГТУ им. В.Г. Шухова (Белгород, 2013); Международной молодежной научной конференции «Экология и рациональное природопользование агропромышленных регионов» (Белгород, 2013); XII Международной научно-практической конференции «Казантип-ЭКО-2014» (Харьков, 2014); X Международной научно-технической конференции «Европейская наука XXI - 2014» (Пшемысль 2014); X Международной научно-технической конференции «Новости передовой науки - 2014» (София, 2014); II Международной молодежной научной конференции «Экология и рациональное природопользование агропромышленных регионов» (Белгород, 2014).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 19 работ, из них четыре в ведущих рецензируемых изданиях, соответствующих перечню ВАК Министерства образования и науки РФ и одна монография.
Структура диссертационной работы. Диссертационная работа изложена на 148 страницах машинописного текста, содержит 87 рисунков, 29 таблиц и состоит из пяти глав, введения, выводов, списка литературы из 165 библиографических наименований и приложений.
Процессы адсорбции поверхностно активных веществ на поверхности адсорбента из раствора
В связи с наличием в многокомпонентных системах силового поля поверхности раздела фаз возможно изменение состава поверхностного слоя. В этом случае в зависимости от химической природы различные вещества могут концентрироваться на поверхности и, наоборот, уходить вглубь объема фазы. Этот процесс называется адсорбцией.
Адсорбированные вещества на поверхности частиц дисперсной фазы могут значительно изменять свойства системы, в том числе и её устойчивость. Поэтому в процессах управления устойчивостью и некоторыми другими свойствами дисперсных систем очень важны сведения о закономерностях образования, строении и свойствах адсорбционных слоев на межфазных поверхностях.
Важно отметить, что в поверхностном слое преимущественно концентрируются компоненты, которые понижают энергию системы. Мерой адсорбции вещества является удельная адсорбция (Г, моль/м2; моль/г). Удельная адсорбция - это избыток исследуемого компонента, который приходится на единицу сорбента или единицу площади раздела фаз: начальная и конечная концентрация сорбируемого вещества; V -объем раствора; т - масса сорбента; S - площадь сорбента.
Когда высокодисперсное твердое тело помещают в закрытое пространство в контакте с газовой или жидкой средой, оно начинает адсорбировать различные вещества. Количество адсорбированного при этом вещества может быть рассчитано по падению его концентрации в дисперсной среде [3]. Уравнение адсорбции является функциональной зависимостью вида: где Г - количество адсорбированного вещества (в молях, рассчитанное на 1 м поверхности адсорбента или на 1 кг адсорбента); С - равновесная концентрация вещества, моль/л; f- температура. Адсорбция вызывается действием силового поля у поверхности твердого тела (адсорбента), которое притягивает молекулы веществ (адсорбата). Создаваемые твердым телом силы притяжения могут быть в основном двух типов: физические или химические. Они обусловливают либо физическую (или ванн-дер-ваальсовскую) адсорбцию, либо соответственно хемосорбцию [3,4].
В литературе для большого ряда твердых тел приводятся десятки тысяч изотерм адсорбции. Однако все их можно условно разделить на пять групп, соответствующих пяти группам классификации, первоначально предложенной Брунауэром, Эмметом и Теллером (БЭТ). Эти типы изотерм показаны на рисунке 1.2 [5].
Представлена изотерма адсорбции криптона при - 183 на угле, графитированном при 2700; о - партия 1, - партия 2 типа I и IV Кроме указанных пяти основных типов изотерм, известны изотермы такого вида, которые трудно отнести к определенной группе. Так, изотермы рисунка 1.3 содержат признаки изотерм как I типа, так и IV типа. Более того, существует немало таких изотерм, которые вообще не подходят для этой классификации, как, например, изотерма на рисунке 1.4, которую нельзя отнести ни к одному типу изотерм по классификации БЭТ.
Как уже указывалось, силы, участвующие в адсорбции, бывают двух основных типов: физической и химической.
Силы, обусловливающие физическую адсорбцию, всегда включают дисперсионные силы (являются по природе своей силами притяжения) и короткодействующие силы отталкивания. Кроме того, к адсорбционным силам следует отнести силы, обусловленные постоянными дипольными моментами адсорбционных молекул [6, 7].
При хемосорбции происходит переход электронов между твердым телом и адсорбированными молекулами, в результате чего образуется химическое соединение, но образуется оно только в одном слое атомов или молекул на поверхности твердого тела. Поэтому можно сказать, что в процессе хемосорбции участвуют валентные силы.
Дисперсионные силы. Свое название дисперсионные силы получили из-за того, что они обусловлены той же причиной, что и оптическая дисперсия. Эти силы, впервые описанные Лондоном, возникают в связи с тем, что быстро изменяющаяся электронная плотность в одном атоме индуцирует соответствующий электрический момент в его ближайшем соседе, что приводит к притяжению этих двух атомов [8].
Адсорбируемые молекулы имеют наиболее устойчивое положение в том случае, когда их центры находятся на расстоянии примерно одного молекулярного размера от поверхности. Дисперсионные силы свойственны любому веществу. Если адсорбируемая молекула не имеет постоянного дипольного момента, то при попадании в создаваемое твердым телом электростатическое поле она будет приобретать индуцированный момент величины Fa, где F - напряженность электрического поля, а - поляризуемость молекулы. Полная потенциальная энергия U(x) двух взаимодействующих атомов равна: где Ъ - электрическая константа; с - постоянная, связанная с поляризуемостью; г - расстояние между двумя изолированными атомами.
Из данного уравнения следует, что если адсорбция обусловлена, главным образом, дисперсионными силами, то энергия адсорбции будет по абсолютной величине больше в трещинах и порах твердого тела, где каждая адсорбированная молекула находится вблизи большего количества атомов твердого тела [6].
Рассмотрение сил физической адсорбции, действующих между твердым телом и молекулой адсорбированного вещества, показывает, что в общем случае дисперсионные силы присутствуют всегда и, если только адсорбированные молекулы не обладают сильным дипольным моментом, будут давать основной вклад в полную энергию адсорбции. Дисперсионные силы значительно больше в микропорах, чем над плоской поверхностью и наиболее слабые они над выступами.
Поверхности реальных твердых тел свойственны несовершенства различного типа, которые делают ее энергетически неоднородной. К таким несовершенствам относятся ступени скола, дислокации и точечные дефекты. Ступенька скола изображена на рисунке 1.5. Высоты ступенек hi и h2 могут колебаться в пределах от одного до десятков и даже сотен атомных диаметров. Энергия адсорбции вследствие неровности поверхности будет меняться от точки к точке неравномерно, графически это можно изобразить кривой на рисунке 1.6.
Характеристика ПАВ-содержащих растворов
При переработке сахарной свеклы образуется твердый отход - исходный сатурационный осадок (ИСО), составляющий 8-12% к массе перерабатываемой свеклы [107-111].
На территории Белгородской области располагается девять сахарных заводов, в результате работы каждого из них ежегодно образуется около 240 тыс. т сатурационного осадка.
На текущее время используется только небольшая часть ИСО для минерализации почв, большая же часть вывозится в отвалы на поля фильтрации [112-117]. При хранении ИСО происходит выделение загрязняющих веществ в атмосферу (H2S, NH3, меркаптаны). Загрязняющие вещества проникают в водоносные горизонты. Схема стадий переработки сахарной свеклы представлена на рисунке 2.1.
Исходный сатурационный осадок образуется на стадии очистки диффузионного сока по реакции: Са(ОН)2 + С02 - СаСОз + Н20, (2.1) Свежий ИСО имеет влажность до 60%, после выхода из сушилки влажность 20-30% и становится рыхлым и рассыпающимся [118-120]. По данным Геттингенского института свеклы (ФРГ), в ИСО содержится до 70,6% СаСОз, 0,15% калия, 0,4% азота, 0,7% оксида фосфора к общей массе. Состав ИСО представлен в таблице 2.1.
Модельные растворы готовились путем разбавления концентрированного раствора ЛСН государственного стандартного образца (ГСО) в дистиллированной воде. Концентрированный раствор был предоставлен предприятием ОАО "Завод бытовой химии» г. Шебекино. Концентрация исходного раствора составляла 100 мг/дм .
Методы исследований Определение гигроскопической влаги. Для определения содержания гигроскопической влаги из средней пробы отбирают и взвешивают в предварительно высушенном и взвешенной стакане с притертой крышкой приблизительно Юг сатурационного осадка, затем навеску высушивают, открывая стакан, в сушильном шкафу при 105-110С в течение 2 ч. Стакан вынимают из шкафа, неплотно закрывают крышкой и охлаждают в эксикаторе до комнатной температуры. Стакан взвешивают, плотно закрыв крышкой. Для проверки постоянной массы навеску снова высушивают в течение 30 мин и после охлаждения взвешивают. Содержание гигроскопической влаги определяют по формуле: H20 = G- %, (2.2) где Gi - разность в массе стакана до и после высушивания, г; Go - масса исходной навески, г [123].
Определение водопоглощения. Водопоглощение зависит от пористости материала, однако по абсолютной величине оно всегда меньше пористости, т.к. вода с большим трудом проникает в замкнутые поры, а в крупных порах не может удерживаться и лишь смачивает стенки пор. Величина объемного водопоглощения определяется по формуле
Насыпную плотность ИСО определяли после предварительного высушивания при температуре 105-110С до постоянной массы по методике [126]. Для определения истинной плотности использовали пикнометрический метод. Для этого измерили объем жидкости, вытесненной пробой испытуемого материала из сосуда с известной вместимостью. Используемой жидкостью являлась дистиллированная вода. Исходный сатурационный осадок высушивали в сушильном шкафу до постоянной массы. Определение и расчеты проводили в соответствии с [126].
Определение потерь при прокаливании. Навеску сатурационного осадка из средней пробы постепенно нагревали в предварительно прокаленном и взвешенном в муфельной печи при 950-1000С в тигле до постоянной массы. Нагрев вели сначала при невысокой температуре, а затем постепенно повышали до указанной с выдержкой в течение 30 мин. Повторное прокаливание вели в течение 5 мин.
Потерю при прокаливании определяли по формуле где Пп.п - потери при прокаливании G\ - разность в массе тигля с навеской до и после прокаливания, г; Gi -масса исходной навески, г [126]. Определение поверхностной проводимости ТМСО. Поверхностную проводимость определяли с помощью переменного тока марки Р577 и ячейки, изображенной на рисунке 3.28. В дисперсных системах наличие двойных электрических слоев на границах раздела фаз обусловливает ряд особенностей при протекании процессов переноса электрического слоя и вещества. В этом случае необходимо учитывать вклад двойного электрического слоя с учетом поверхностной проводимости - избыточной электрической проводимости приповерхностных слоев дисперсной среды [127].
Поверхностная проводимость наблюдается в узких капиллярах. Явление заключается в том, что раствор электролита, содержащийся в капилляре или в порах мембраны, имеет большую удельную электропроводность, чем окружающий равновесный раствор [127].
Эта добавочная электропроводность возникает из-за проводимости избыточных ионов, а именно ионов двойного электрического слоя. Поэтому проводимость раствора в порах X состоит из удельной электропроводности свободного раствора Xv и поверхностной проводимости Xs\ X = Xv+Xs, (2.6) Следует иметь в виду, что величина Xs распределена равномерно по всему объему раствора в пробах. Она является добавкой к Xv, которая обусловлена избытком подвижных ионов, Xs является одной из важнейших характеристик поверхности раздела фаз.
Значение Xs, отнесенное к 1 см поверхностного слоя, называется удельной поверхностной проводимостью (Ks).
Параметр Ks не зависит от величины SyR, радиуса капилляров и степени дисперсности системы [127].
Концентрация раствора мало влияет на величину Ks. Поскольку с увеличением концентрации ионы диффузного слоя переходят в плотный слой, отсутствие заметных изменений величины Ks свидетельствует о том, что ионы в плотном слое являются подвижными. Можно сделать вывод, что поверхностная проводимость обусловлена всеми ионами внешней обкладки двойного слоя. Величина Ks связана с плотностью заряда:
Чашу с сухим исходным сатурационным осадком помещали в муфельную печь типа ПМ-14м и прокаливали 30 мин при нужной температуре. Затем охлаждали чашу до комнатной температуры. Прокаливание проводили при температурах: 500, 550, 600, 650, 700, 750, 800,900, С. Методики определения ПАВ в водной среде. Выбор методики определения ПАВ зависит от его содержания в анализируемой среде. Для определения АПАВ в модельных средах использовали методику, изложенную в [125, 128-134]. Данный метод довольно чувствителен, погрешность определения составляет 2% [134, 135].
Метод основан на способности АПАВ образовывать с метиленовым синим водорастворимый комплекс. Оптическую плотность экстракта определяют при длине волны 650 нм. В соответствии с ГОСТ Р51211-98 для построения калибровочного графика использовался додецилсульфат натрия (ГСО).
Методика проведения процесса очистки в лабораторных условиях. Модельный раствор в объеме 100 мл вливали в коническую колбу, куда затем вносили расчетную навеску сатурационного осадка. Содержимое колбы встряхивали определенное время, затем фильтровали через бумажный фильтр, в очищенном растворе определяли остаточные количества ПАВ и рассчитывали эффективность очистки по формуле:
Адсорбционные исследования. Исследование процессов адсорбции из водных растворов на поверхности термически модифицированного сатурационного осадка, обожженного при температуре 600С проводили по методикам, изложенным в [139, 140]. Для определения величины адсорбции (Е, мг/г) навеску сорбента массой от 0,5 до 7 г вносили в колбу объемом на 250 мл с модельным раствором ПАВ с исходной концентрацией 2, 4, 6, 8, 10 мг/дм3. Соотношение фаз - ТМС06осьжидкая фаза = 1:100. Периодически содержимое колбы встряхивали в течение 24 ч до установления равновесия. После этого жидкость пропускали через фильтр (тип «белая лента»).
Влияние температуры обжига на размер частиц сатурационного осадка
Для обеспечения термостатических условий проведения реакции и поддержания заданной температуры химический стакан с рабочим раствором помещали в термоизоляционную рубашку из асбестовой ткани. Температуры растворов измеряли термометром лабораторным ГОСТ 13646-68. Погрешность измерения составляет ± 0,5С.
На рис. 3.35 наблюдается незначительное снижение эффективности очистки при подъеме температуры. По-видимому, при повышении температуры в растворе усиливаются процессы десорбции за счет интенсификации колебательных движений молекул ЛСН, сорбированных на поверхности ТМСО. Кроме того, молекулы ЛСН испытывают толчки от молекул воды и других молекул ЛСН, находящихся в растворе. С повышением температуры кинетическая энергия движущихся частиц увеличивается, что приводит к отрыву сорбированных молекул СПАВ и переходу их снова в раствор. Из полученных результатов можно сделать вывод, что оптимальным температурным интервалом очистки является 20-25С.
Влияние размера частиц ТМСО на эффективность очистки В дисперсных системах при протекании физико-химических процессов большое значение имеет величина SyR дисперсной фазы, поскольку взаимодействие веществ происходит именно с её участием. Поэтому в работе было исследовано влияние дисперсности частиц ТМСО на эффективность очистки. X
Было использовано несколько фракций ТМСОбоо- Нужного диапазона размера частиц добивались путем рассеивания ТМСО с помощью стандартного набора сит.
Результаты экспериментов (рисунок 3.36) показывают, что при использовании наиболее грубой фракции частиц с размером от 0,2 до 1,0 мм наблюдается эффективность очистки 71%, а при использовании более тонкодисперсной фракции (ф 0,063 мм) эффективность очистки достигает 85%, что на 21% больше по сравнению с предыдущим результатом.
В случае извлечение ЛСН из растворов с помощью ТМСОбоо, очистка вероятно, происходит за счет гидрофобного взаимодействия. Гидрофобное взаимодействие - это взаимодействие в водной среде гидрофобных (водоотталкивающих) поверхностей. Суть гидрофобного взаимодействия в том, что в водной среде гидрофобные поверхности притягиваются друг к другу, это происходит благодаря молекулам воды, которые, являясь диполями, притягивают друг к другу «окутанные» или гидрофобные» поверхности. Возникает так называемая «гидрофобная» связь. При этом «гидрофобные силы», вероятно, являются наиболее важным фактором, обеспечивающим не ковалентное межмолекулярное взаимодействие в водном растворе.
Расположение гидрофобных молекул ЛСН вокруг гидрофобной частицы ТМСОбоо Известно, что в водном растворе ионы и молекулы синтетических поверхностно-активных веществ с длинными цепями углеводородных радикалов образуют ассоциаты. Энергия адсорбции таких ассоциатов значительно превышает энергию связи молекул воды с поверхностью гидрофобных материалов. Ранее нами было установлено, что ТМСОбоо -гидрофобный материал, угол смачивания которого 0 90, с другой стороны, углеводородная цепь ЛСН обладает гидрофобными свойствами. Поэтому ЛСН хорошо поглощается из водного раствора углеродсодержащим ТМСОбоо- Кроме того, адсорбированные молекулы ЛСН способны создавать ассоциаты с молекулами ЛСН, остающимися в растворе, образуя «клубок» молекул ЛСН покруг частиц ТМСОбоо (рисунок 3.37).
При проведении опыта для определения острой и хронической токсичности были приготовлены серии растворов с разбавлениями в 25, 50, 75, 100, 125, 150, 175, 325, 1000, 2000, 4000, 8000 раз. В растворы было помещено по 10 дафний. Наблюдение проводилось в течение 96 ч.
В результате эксперимента (таблица 3.14) было выяснено, что в образце исходной сточной воды и сточной воды с разбавлением в 2, 25, 50, 75, 100, 125 раз в течение часа погибли 100% особей. При разбавлении в 150, 175 раз к концу эксперимента, по истечении 96 ч, погибли также 100% особей. При разбавлении в 325 раз к моменту окончания эксперимента погибли 80% особей, в 1000 раз - 70%. В разбавленных растворах в 2000, 4000 раз к концу проведения биотестирования погибли не более 50% особей. При разбавлении в 8000 раз вода безопасна для живых организмов, поскольку выживаемость дафний составила более 70%. Таким образом, установлено, что даже при разбавлении сточной воды в 1000 раз, полученный раствор обладает острой токсичностью, и процент выживших дафний составляет 30% особей. Оптимальное разбавление наблюдается в трех последних случаях, где величина разбавления составляет 2000, 4000, 8000 раз, где процент выживших дафний составляет более 50%.
Изучены физико-химические свойства исходного сатурационного осадка и состав термически модифицированного сатурационного осадка. Установлена принципиальная возможность использования ТМСО для очистки сточных вод от СПАВ.
Исследовано влияние на эффективность очистки таких факторов, как: масса добавки сатурационного осадка; длительность перемешивания суспензии; температура сточных вод; фракционный состав сатурационного осадка.
Установлено, что максимальная эффективность очистки (85%) достигается при массе добавки ТМСО 5 г на 1 дм раствора, а рациональная масса сорбента составляет 4 г на 1 дм при, длительности перемешивания - 30 мин, температуре сточных вод - 20±0,5С, и размеров частиц ТМСО менее 0,063 мм.
Термически модифицированный сатурационный осадок перед подачей его в смеситель проходит в виде ИСО барабанную сушилку 4, шаровую мельницу 3, обжиговую печь 2 и поступает в бункер 6. Из бункера ТМСО с помощью закрытого ленточного конвейера 7, пройдя дозирующее устройство 8, поступает в смеситель 10 (11).
Образующиеся СПАВ-содержащие стоки из усреднителя 1 подаются насосом 5 в смеситель 10 (11), куда одновременно поступает термически модифицированный сатурационный осадок в заданных количествах из бункера, б через закрытый винтовой конвейер 7 и дозирующее устройство 8.
В смесителе, снабженном пропеллерной мешалкой, в ходе перемешивания происходит взаимодействие ТМСОбоо со СПАВ. Процесс взаимодействия длится 30 мин при температуре 20С и интенсивности перемешивания 800 об/мин. Из смесителя вода подается в фильтр 9, после чего шлам направляется на утилизацию, а осветленная вода из отстойника и уплотнителя направляется на сброс или повторное использование в производстве.