3.1. Описание экспериментальной установки
3.1.1.Общая схема установки
Технологическая схема лабораторной установки для разделения водо-маслянных эмульсий представлена на рисунке 3.1.1.1.
Рис. 3.1.1.1. Схема лабораторной установки: Е – емкость; Н – насос; МКА – мембранно-коалесцентный аппарат; М – манометр; Вр1-2 – вентиль регулирующий.
Исходная эмульсия из емкости Е подается насосом Н в мембранно-коалесцентный аппарат МКА. Емкость Е снабжена мешалкой для постоянного перемешивания водо-маслянной эмульсии, во избежание потери ею агрегативной устойчивости (дисперсности), что приведет к ее расслоению.
С помощью регулировочного вентиля Вр2 в мембраннокоалесцентном аппарате МКА создается давление, измеряемое манометром М. Для регулирования расхода исходной водо-маслянной эмульсии в лабораторной установке предусмотрена байпасирующая линия, расход которой регулируется вентилем Вр1.
В мембранно-коалесцентном аппарате МКА происходит разделение водо-маслянной эмульсии на два потока: очищенную воду (практически не содержащую масла) и концентрированный раствор. Оба потока возвращаются в исходную емкость Е. Также в лабораторной установке предусмотрен вентиль для отбора пробы.
3.1.2.Мембранно-коалесцентный аппарат
Основном элементом лабораторной установки для очистки нефтесодержащих сточных вод (разделения водо-маслянных эмульсий) является мембранно-коалесцентный аппарат, сочетающий в себе два наиболее эффективных метода очистки воды от нефти и нефтепродуктов: коалесценцию и мембранный метод.
Схема мембранно-коалесцентного аппарата приведена на рисунке 3.1.2.1.
Исходный поток подается в мембранно-коалесцентный аппарат через перфорированную распределительную трубку, предназначенную для равномерного распределения исходного потока. Исходный поток (водо-маслянная эмульсия) подается на сорбционно-коалесцирующий материал «Мегасорб» на котором одновременно происходят процессы сорбции и коалесценции.
Рис. 3.1.2.1.Схема мембранно-коалесцентного аппарата.
На материале «Мегасорб» происходит частичная очистка воды от масла за счет слияния и укрупнения капель масла. Потеря дисперсности эмульсии приводит к ее расслаиванию и капли масла поднимаются к крышке аппарата в выводятся из аппарата в виде концентрата.
Частично очищенная водо-маслянная эмульсия подается на керамические мембраны, закрепленные на трубной решетке. На мембранах происходит разделение на 2 потока: пермеат – очищенная от масла вода и концентрат, концентрированная водо-маслянная эмульсия. Также предусмотрена работа аппарата в «тупиковом» режиме.
3.2. Используемые материалы и рективы
3.2.1. Моторное масло
Для приготовления водо-маслянных эмульсий использовалось моторное масло ОЙЛРАЙТ М – 63/14Г Классик, являющееся универсальным всесезонным минеральным маслом с классом вязкости SAE 15W – 40. С состав масла входит высококачественные минеральные масла и комплекс универсальных присадок.
Как известно в обеих вязкостных классификациях (ГОСТ, SAE), чем меньше цифра в числителе с индексом «3» (ГОСТ) или перед буквой «w» (SAE), тем меньше вязкость масла при низкой температуре и чем больше цифра, стоящая в знаменателе (ГОСТ) или после дефиса (SAE), тем больше вязкость масла при высокой температуре.
Масло Ойлрайт М-63/14Г получено на минеральной основе (т.е. путём очистки соответствующей фракции нефти). Его получают смешением остаточного и дистиллятного компонентов и введением многофункциональных присадок. Так же масло Ойлрайт М-63/14Г проявляет высокие эксплуатационные свойства (в таблице 3.2.1.1. приведены технические характеристики), поэтому является универсальным и может применяться для смазывания в тяжело нагруженных цилиндрических, спирально-конических и гиппоидных передачах легковых и грузовых автомобилей.
Таблица 3.2.1.1.
Технические характеристики моторного масла Ойлрайт М-63/14Г.
| Наименование показателя | Норма по ГОСТу (ТУ) |
| Массовая доля, % - кальция - цинка - механических примесей, не более | 0,23 0,10 0,015 |
| Щелочное число, мг КОН на 1 г масла, не менее | 7,5 |
| Плотность при 20ºС, г/см3, не более | 0,900 |
| Температура, ºС - вспышки в открытом тигле, не ниже - застывания, не выше | 210 - 30 |
| Вязкость кинематическая, мм2/с: - при 100ºС, не мене | 12 |
| Вязкость динамическая, мПа×с, не более: - при минус 15ºС | 4500 |
| Индекс вязкости, не менее | 115 |
Ниже приведена многокомпонентность минерального масла
Групповой химический состав минерального масла, % (об.)
Нафтены:
• Моноциклические……………………………………………………18,4
• Бициклические………………………………………………………. 9,9
• три- (и более) циклические………………………………………….16,5
Ароматические углеводороды с нафтеновыми кольцами:
• Моноциклические……………………………………………………10.5
• Дициклические…………………………………………………….. 8,1
• Трициклические…………………………………………………… 6,6
• Полициклические с большим числом колец…………………….. 8,0
• Парафины…………………………………………………………... 13,7
• Изопарафины……………………………………………………… 8,3
3.2.2. Мембраны
В лабораторной установке для проведения процесса мембранного разделения выбраны керамические микрофильтрационные мембраны КМФЭ-1 производства НПО «Керамикфильтр» с внешним селективным слоем.
Выбор типа мембраны обосновывается рядом конкурентных преимуществ керамических мембран по сравнению с другими типами мембран для проведения данного процесса:
-высокая производительность;
-биологическая резистивность;
-термическая устойчивость в агрессивных средах;
-механическая прочность;
-технологичность мойки;
-низкие эксплуатационные расходы;
-длительный срок эксплуатации.
Характеристики используемых керамических мембранных элементов:
Число каналов – 1;
Размер пор – 1,5 - 0,1 мкм;
Диаметр наружный – 10,0 мм
Диаметр канала – 6,0 мм
Длина – 800 мм
3.2.3.Сорбционно – коалесцирующие материалы
В качестве материала, обладающего сорбционно – коалесцирующими свойствами использовался сорбент «Мегасорб».
Сорбент «Мегасорб» представляет собой нетканое термоскрепленое полотно, получаемое путем прокатывания или иглопрокалывания, сформированное в единую объемную гофрированную структуру по технологии Struto. Вырабатывается данный материал из смеси гидрофобных полимерных волокон на основе полипропилена и полиэтилена (ПП - 2,2 текс 50%, ПЭ - 1,7 текс 30%, ТПВ - 0,48 текс 20%). Для термофиксации нетканого холста используются бикомпонентные волокна. При таком способе формования образуются вертикально ориентированные каналы, по которым капли нефти всплывают после их отрыва от материала при превышении некоторого критического объема. Благодаря упругой структуре, возникающей за счет чередующихся плотных слоев материала и пустот, «Мегасорб» обладает большим временным ресурсом в режиме коалесценции. Характеристики сорбента «Мегасорб» приведены в таблице 3.2.3.1.
Таблица 3.2.3.1..
Технические характеристики сорбента «Мегасорб» .
| Характеристики | Значение |
| Поверхностная плотность, кг/м3 | 0,5 – 0,55 |
| Толщина, мм | 25 – 50 |
| Нефтеемкость: - при сборе с поверхности воды - режим фильтрования | 35 – 40 10 – 12 |
| Расход сорбента для сбора 1 т нефти, кг/т | 0,085 |
| Водопоглощение, кг/кг | 2 – 4 |
| Грязеемкость, кг/м3 | 5 – 7 |
| Рабочий диапазон температур воды, ºС | от +4 до +50 |
| Количество циклов регенерации отжимом | 500 |
| Нефтеотдача при отжиме, % | 70 – 75 |
| Скорость сорбции, кг/мин/кг | 3 – 4 |
| Скорость фильтрации, м/час - рабочий режим - форсированный режим | 5 – 7 8 – 10 |
| Степень очистки воды от нефтепродуктов, % | 97,5 – 98 |
| Способ отжима | Пресс, центрифуга, валки |
| Содержание НП в очищаемой воде, мг/л | до 1000 |
3.3.Методика экспериментальной работы
3.3.1.Методика приготовления эмульсий
Эмульсии (водомасляными смеси) приготавливали путем интенсивного перемешивания масла с водой в мешалках при скорости вращения лопастей 100 - 1000 об/мин. Такого перемешивания достаточно для образования грубодисперсной смеси. Стабильность водомасляных смесей определяется их концентрацией, также на стабильность эмульсий большое влияние оказывает жесткость воды и присутствие в ней умягчителей.
Усредненный состав воды для г. Москвы приведен в таблице 3.3.1.1. (по данным ОАО Мосводоканал http://www.mosvodokanal.ru/.
Таблица 3.3.1.1.
Усредненный состав водопроводной воды в г. Москве
| Показатели качества | Единицы измерения | Норматив СанПиН | Среднее содержание в питьевой воде | |
| Органолептические показатели | ||||
| Мутность | мг/л | 1,5 | 0,3 | |
| Цветность | градусы | 20 | 6 | |
| Запах | балл | 2 | 1 - 2 | |
| Обобщенные показатели | ||||
| Окисляемость | мгО/л | 5,0 | 2,9 | |
| Водородный показатель | ед. pH | 6,0 – 9,0 | 7,1 | |
| Жесткость общая | ºЖ | 7,0 | 3,7 | |
| Нефтепродукты суммарно | мг/л | 0,1 | < 0,05 | |
| СПАВ анион. | мг/л | 0,5 | < 0,015 | |
| Неорганические вещества | ||||
| Алюминий | мг/л | 0,50 | 0,06 | |
| Барий | мг/л | 0,1 | 0,034 | |
| Бор | мг/л | 0,5 | < 0,04 | |
| Железо | мг/л | 0,30 | 0,05 | |
| Кадмий | мг/л | 0,001 | < 0000,1 | |
| Медь | мг/л | 1,0 | 0,0017 | |
| Мышьяк | мг/л | 0,05 | < 0,0005 | |
| Никель | мг/л | 0,1 | 0,0007 | |
| Нитраты(по NO3-) | мг/л | 45 | 4,3 | |
| Ртуть | мг/л | 0,0005 | < 0,0002 | |
| Свинец | мг/л | 0,03 | < 0,0002 | |
| Селен | мг/л | 0,01 | < 0,0002 | |
| Стронций | мг/л | 7,0 | 0,15 | |
| Сульфаты | мг/л | 500 | 30 | |
| Фториды | мг/л | 1,5 | < 0,1 | |
| Хлориды | мг/л | 350 | 18 | |
| Хром (6+) | мг/л | 0,05 | < 0,01 | |
| Цианиды | мг/л | 0,035 | < 0,01 | |
| Органические вещества | ||||
| Линдан | мг/л | 0,002 | < 0,00001 | |
| ДДТ | мг/л | 0,002 | < 0,00001 | |
| 2,4Д | мг/л | 0,03 | < 0,0005 | |
| Вещества, присутствующие в воде в результате хлорирования | ||||
| Хлор остаточный связанный | мг/л |
- | 0,68 | |
| Хлороформ | мг/л | 0,2 | 0,009 | |
| Микробиологические и паразитологические показатели | ||||
| Общие колиформные бактерии |
КОЕ/100мл | отсутствие | не обнаружены | |
| Термотолерантные колеформные бактерии |
КОЕ/100мл | отсутствие | не обнаружены | |
| Общее микробное число | кол. в 1 мл | не более 50 | 0 | |
| Колифаги | БОЕ/100мл | отсутствие | не обнаружены | |
| Цисты лямблий | Число цист в 50 мл | отсутствие | не обнаружены | |
При использовании воды жесткостью 7 - 8 мг-экв/л и более жесткой в эмульсии появляются образования, напоминающие хлопья. Ее стабильность падает, но отделяющееся масло содержит до 50% воды в виде эмульсии в масле. Если вода имеет показатель рН намного более 7,5— 8,5, то полного расслоения не наблюдается. Часть масла остается в виде более стабильной эмульсии. Таким образом, можно сказать что нестабилизированная эмульгаторами эмульсия достаточно быстро расслаивается в течении времени на две взаимно несмешивающиеся фазы: масло и вода. Для предотвращения данного процесса в лабораторной установке предусмотрена мешалка.
3.3.2. Методика анализа концентрации нефтепродуктов в воде
Для определения содержания нефтепродуктов в пробах воды в процессе проведения экспериментальных исследований используется установка для экспресс – контроля нефтепродуктов в воде КИС – НП СЕ. 1207.00.00.000. «Лилия – 1» на рис. 3.3.2.1. .
Рис.3.3.2.1. Установка для экспресс – контроля нефтепродуктов «Лилия – 1»
Установка предназначена для измерения массовой концентрации нефтепродуктов (дизтопливо, моторные, трансмиссионные, индустриальные масла, сырая нефть) в воде. Измерение выполняется непосредственно в месте выполнения пробоотбора воды. Технические данные приведены в таблице 3.3.2.1.
Таблица. 3.3.2.1.
Технические данные установки «Лилия – 1»
| Наименование показателя | Технические данные |
| Диапазон измерений, мг/дм3 | 0,05-0,6 0,5-6 5-50 |
| Предел относительной погрешности, в диапазоне измерений, % от 0,05 до 0,3 мг/дм3 от 0,3 до 50 мг/дм3 | ±35 ±25 |
| Диапазон рабочих температур окружающего воздуха, ºС | 0 – 50 |
| Масса установки в снаряженном состоянии, кг, не более | 8 |
| Габаритные размеры установки в транспортном положении, м, не более: длина ширина высота | 0,5 0,46 0,145 |
В состав установки входят: дозатор – 5, дозатор – 50 и дозатор – 350, груша, вскрыватель для патронов, соединительные трубки, комплект индикаторных средств КИС – НП (индикаторные, поглотительные и ампульные патроны), рассчитанный на выполнение 120 измерений.
Принцип действия установки. За счет разрежения в установке происходит просос анализируемой воды через поглотительный патрон (ПП). Дозирование анализируемой воды осуществляется поплавком и клапаном. Нефтепродукты, сорбированные ПП, экстрагируют растворителем, в качестве которого используется гексан, и пропускают через индикаторную трубку. По длине окрашенного столба наполнителя индикаторного патрона в миллиметрах, умножив ее на коэффициент преобразования, определяют концентрацию нефтепродуктов в воде, т.е. анализ проводим линейно – колористическим методом.
Порядок проведения анализа:
1. Вскрыть поглотительный патрон (ПП) с двух сторон с помощью вскрывателя патронов;
2. Соединить ПП в зависимости от исходной концентрации нефтепродуктов с дозатором на 5, 50 или 350 мл (в таблице 3.3.2.2.);
3. Присоединить дозатор к насосу и начать прокачивать анализируемую воду, контроль разряжения, определяя по вакуумметру насоса. В зависимости от исходной концентрации анализируемой воды прокачивают различные объемы жидкости:
Таблица 3.3.2.2.
Соотношения объемов прокачиваемой жидкости и содержания НП
| Концентрация анализируемой воды, мг/дм3 | Объем, который требуется прокачать через ПП |
| 0,05 - 0,6 | 350 мл |
| 0,5 - 6 | 50 мл |
| 5-50 | 5 мл |
4. После завершения прокачивания (отсутствие пузырьков воздуха в ПП) вскрыть индикаторный патрон (ИП) с двух сторон и с помощью соединительной трубки соединить его с поглотительным патроном;
5. Вскрыть ампульный патрон и присоединить его к поглотительному и индикаторному патрону (см. рис.3.3.2.2.);
6. Прокачать растворитель через ПП и ИП и измерить цвет изменившегося ИП в миллиметрах;