Способ разделения устойчивых водомасляных эмульсий методом ультрафильтрации

 

Изобретение относится к процессам разделения устойчивых водомасляных эмульсий (ВМЭ), например смазочно-охлаждающих жидкостей (СОЖ). Предлагаемый способ включает предварительную очистку ВМЭ на фильтре грубой очистки, ультрафильтрацию, дополнительное введение гидроокиси кальция в качестве деэмульгатора в количестве 4-50 г/л в полученный концентрат, проведение термостатирования при температуре 20-95ºC в течение 3-75 ч с последующей утилизацией полученной масляной фазы, регенерацию мембранных элементов при помощи полученной водной фазы с pH 9,5-12,5. 1 табл., 1 ил.

Изобретение относится к области разделения жидких сред ультрафильтрацией, а именно к процессам разделения устойчивых водомасляных эмульсий, например смазочно-охлаждающих жидкостей (СОЖ).

Известны способы разложения водомасляных эмульсий при помощи дорогостоящих реагентов (заявка ФРГ N 4009760, кл. B 01 D 17/05, 1991), при помощи ультразвука (а.с. СССР N 1636340, кл. C 02 F 1/36, 1991).

Наиболее близким к заявляемому является способ разделения жидких сред, в частности водомасляных эмульсий, включающих их подачу в рабочие каналы мембранной установки, концентрирование задерживаемого компонента на мембране с отводом пермеата и концентрата, последующую подачу концентрата в отстойник и периодическую регенерацию мембраны моющим раствором (Дытнерский Ю.И. Обратный осмос и ультрафильтрация. М. Химия, 1978, с. 281-283).

Однако известный способ не обеспечивает эффективного выделения свободного масла из концентрата, полученного после процесса ультрафильтрации, представляющего собой устойчивую водомасляную эмульсию, и, кроме того, известный способ предполагает использование дополнительных реагентов на мойку мембранных элементов.

Основным требованием к различным моющим средствам, СОЖ и т.п. применяемым в металлообработке, является стабильность в течение длительного срока эксплуатации, которая обеспечивается эмульгаторами. К ним относятся различные поверхностно-активные вещества (ПАВ), часть которых находится в растворе, а молекулы другой части создают на поверхности капель масла защитные абсорбционно-сольватные слои, тем самым способствуя стабильности эмульсии.

В условиях традиционной технологии при многократном использовании СОЖ в технологическом процессе происходит дестабилизация эмульсии за счет влияния температуры, скорости обработки, наличия механических примесей и проч.

По условиям специальных технологий, в частности в технологии прецизионной металлообработки, СОЖ не используется в процессе повторно, и при этом эмульсия, соответственно, сохраняет свою стабильность, плохо поддается разделению традиционными методами (отстаивание, коагуляция, термостатирование и т.д.), как в прототипе.

Целью предложенного способа является повышение эффективности процесса разделения устойчивых водомасляных эмульсий с одновременным выполнением экологических требований, предъявляемых к современному производству.

Задачей, на решение которой направлено изобретение, является достижение наиболее полного отделения масла, как наиболее ценного компонента СОЖ, для повторного использования; кроме того масла являются сильными загрязнителями окружающей среды и попадание их вместе с СОЖ в сточные воды недопустимо.

Поставленная задача достигается за счет того, что в известном способе перед утилизацией в концентрат дополнительно вводят гидроокись кальция в виде известкового молока в количестве 4-50 г/л (в пересчете на Ca(OH)₂), затем термостатируют при температуре 20-95^oC в течение 3-75 ч, после чего масляную фазу утилизируют, а водную с pH 9,5-12,5 используют для регенерации мембранных элементов.

Для повышения эффективности процесса разделения водомасляных эмульсий в качестве деэмульгатора добавляется гидроокись кальция, которая, во-первых, образует с ПАВами, определяющими стабильность эмульсии, нерастворимые кальциевые соли, которые выпадают в осадок; во-вторых, адсорбируют часть ПАВов на поверхности осадка нерастворившейся гидроокиси кальция.

Количество вводимой гидроокиси кальция должно быть таким, чтобы его было достаточно для перевода части ПАВ, определяющих стабильность эмульсии, в нерастворимую форму, уменьшая таким образом концентрацию ПАВ в адсорбционном слое на поверхности капель масла до такого предела, когда становится возможным слияние коаленсенция капель масла, что позволяет в дальнейшем наиболее полно разделить эмульсию на две фазы: масляную и водную.

При уменьшении концентрации гидроокиси уменьшается количество удаляемых ПАВ из адсорбционного слоя, обволакивающего поверхность капель масла, уменьшается вероятность их слияния.

С повышением концентрации кальция количество ПАВ, удаляемых из адсорбционного слоя на поверхности капель масла, увеличивается за счет образования нерастворимых солей и адсорбции на осадке нерастворившейся гидроокиси кальция, тем самым улучшаются условия для слияния капель масла.

Однако дальнейшее увеличение концентрации гидроокиси кальция не приводит к значительному повышению эффективности разделения, зато приводит к перерасходу реагентов и, кроме того, может привести к отложению солей кальция на мембранных элементах при регенерации, что приводит к неэффективности последующей мойки мембранных элементов. Экспериментально найдено, что для разделения водомасляных эмульсий оптимальная концентрация вводимой гидроокиси кальция составляет 4-50 г/л.

На процесс разделения оказывает влияние температурный фактор и, соответственно, время, т.к. температура вызывает изменения вязкости масла и влияет на разность плотностей воды и масляной фазы.

При низких температурах процесс разделения протекает медленно, что приводит к неэффективности его использования с точки зрения экономики.

Повышение температуры значительно уменьшает вязкость масляной фазы и увеличивает разность плотностей воды и масляной фазы. Это, согласно закону Стокса, способствует ускорению процесса выпадения капель воды, т.е. расслаиванию и, соответственно, уменьшению времени процесса. Кроме того, повышение температуры ускоряет реакцию взаимодействия гидроокиси и ПАВ и увеличивает скорость адсорбции ПАВ на осадке.

Однако повышение температуры до 100^oC может вызвать кипение воды, что недопустимо.

Экспериментально определено, что процесс разделения водомасляных эмульсий следует проводить при температуре 20-95^oC от 3 до 75 ч.

Использование водной фазы после обработки концентрата для регенерации мембранных элементов основано на удалении гель-слоя, образованного в результате наличия концентрационной поляризации в процессе ультрафильтрации, что позволяет восстановить селективные и фильтрующие свойства мембранных элементов.

Основными компонентами, образующими на мембране гель-слой, являются органические соединения, входящие в состав СОЖ, в основном, масла, а также взвешенные и коллоидные частицы.

Механизм регенерации мембранных элементов с применением моющего средства, состоит в удалении органических и твердых загрязнений с поверхности мембраны и переводе их в моющую жидкость в виде растворов и дисперсий. При этом происходит процесс физико-химической адсорбции, которая сопровождается образованием адсорбционного и сольватного слоев, состоящих из молекул моющего средства, покрывающих поверхность мембраны и предотвращающих оседание загрязнений на поверхности мембраны.

Механизм процесса заключается в следующем. Моющее средство уменьшает поверхностное натяжение раствора, и раствор смачивает загрязнения, при этом снижается сцепляемость частиц загрязнений между собой и с поверхностью мембраны. При механическом воздействии, т.е. в процессе химической мойки, увлекаемые молекулами моющего средства грязевые частицы переходят в раствор. Молекулы моющего средства адсорбируются на загрязнениях и отмытой поверхности мембраны, что препятствует укреплению частиц и оседанию их на поверхности мембраны. В результате частицы загрязнения во взвешенном состоянии стабилизируются в растворе и удаляются вместе с ним.

Щелочность моющих растворов является важнейшим фактором, влияющим на эффективность очистки, т. е. щелочные добавки значительно снижают концентрацию ПАВ в моющем растворе, при которой проявляется максимальное моющее действие. Кроме того, присутствие щелочи нейтрализует свободные жирные кислоты, снижает контактное натяжение раствора и омыляет загрязнения, тем самым способствуя удалению загрязнений по описанному механизму.

Водная фаза, в состав которой входят ПАВ, при низких значениях щелочности не обладает достаточной способностью к очистке поверхности мембран по описанному выше механизму. При увеличении показателя щелочности моющее действие водной фазы увеличивается и достигает своего максимального значения.

Экспериментально определено, что оптимальными условиями для проведения регенерации мембранных элементов является водная фаза, полученная после разделения концентрата, имеющая pH в пределах 9,5-12,5.

Сопоставительный анализ заявляемого решения с прототипом показывает, что заявляемый способ соответствует критерию изобретения "новизна". Сравнение заявляемого решения не только с прототипом, но и с другими техническими решениями в данной области техники не позволило выявить в них признаки, отличающие заявляемое решение от прототипа.

На чертеже показана схема разделения устойчивых водомасляных эмульсий. В тексте приняты следующие обозначения: 1 фильтр предварительной очистки; 2 - емкость исходной жидкости; 3 ультрафильтрационный модуль; 4 отстойник; 5 - емкость; 6 механический фильтр; 7 дроссель.

Пример Водомасляную эмульсию, например отработанную СОЖ типа НГЛ-205, в состав которой входят нефтепродукты 6,2 г/л, СПАВ 1,5 г/л, взвешенные частицы 1 г/л и другие примеси, через фильтр предварительной очистки 1 собирают в емкость с рубашкой 2 исходного раствора.

Фильтр предварительной очистки 1 задерживает взвешенные частицы размером более 50 мкм, способные при ультрафильтрационном разделении механически повредить мембрану.

Подготовленный таким образом и предварительно нагретый до температуры 45^oC раствор дозируют с расходом 1 м³/ч в ультрафильтрационный модуль 3, обеспечивая при этом скорость потока над мембраной 4 м/с. С помощью дросселя 7 в ультрафильтрационном модуле создают рабочее давление 0,3 МПа.

Постоянную температуру в емкости 2 поддерживают за счет подачи теплоносителя или хладагента в рубашку аппарата.

Удельная производительность по пермеату составила 50 л/м²·ч.

Полученный в процессе ультрафильтрации концентрат возвращают в емкость 2, а пермеат отводят на дальнейшее потребление или обработку. При достижении степени концентрирования 50:1 (отношение исходного объема к объему полученного концентрата) процесс ультрафильтрации прекращают.

Концентрат, имеющий в своем составе нефтепродукты 260 г/л, СПАВ 36 г/л, взвешенные частицы 50 г/л, направляют в термоотстойник 4, где проводят обработку концентрата при помощи гидроокиси кальция в виде 45%-ного известкового молока в количестве, обеспечивающем дозу гидроокиси кальция 25 г/л.

Полученную смесь перемешивают, нагревают до температуры 80^oC и выдерживают при этой температуре 10 ч, при этом происходит отделение масляной фазы, которая составляет 25% от всего объема.

Затем масляную фазу отводят из отстойника 4 и направляют на дальнейшую переработку, а водную фазу, имеющую pH 11,0, после отделения от осадка на механическом фильтре 6 с задерживающей способностью 5 мкм направляют в емкость 5 для последующего использования при регенерации мембранных элементов. Для этого мембранный модуль заполняют водной фазой, которая затем циркулирует при полностью открытом дросселе 7. Процесс регенерации проводят в течение 2 ч. В процессе регенерации концентрат и фильтрат возвращают в емкость 5 для водной фазы. После регенерации удельная производительность мембранных элементов по пермеату восстановилась полностью и составила 50 л/м²·ч.

Результаты других опытов приведены в таблице.

Результаты приведенных опытов показывают, что применение в качестве деэмульгатора гидроокиси кальция в количестве 4-50 г/л позволяет полностью выделить масляную фазу из водомасляной эмульсии и, используя для регенерации мембранных элементов водную фазу с pH 9,5-12,5, восстановить производительность мембранных элементов на 100%

Формула изобретения

Способ разделения устойчивых водомасляных эмульсий методом ультрафильтрации, включающий предварительную очистку водомасляных эмульсий на фильтре грубой очистки, последующую ультрафильтрацию непрерывным отводом пермеата и концентрата, утилизацию концентрата, периодическую регенерацию мембранных элементов моющим раствором, отличающийся тем, что перед утилизацией в концентрат дополнительно вводят гидроокись кальция в количестве 4-50 г/л, затем термостатируют при 20-95°С в течение 3-75 ч, после чего масляную фазу утилизируют, а водную фазу с pН 9,5-12,5 подают на регенерацию мембранных элементов.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2