Спосіб очищення води від сумішей неіоногенної та аніонної поверхнево-активних речовин

Реферат: Винахід належить до способу очищення води від сумішей неіоногенної (НПАР) і аніонної (АПАР) поверхнево-активних речовин (ПАР) і може бути використаний на підприємствах, які виробляють, а також застосовують ПАР, зокрема, у хімічній, текстильній, шкіряній, машинобудівній, фармацевтичній промисловостях. У способі використовують доступний, недорогий і нешкідливий флотаційний носій - агар-агар, в кількості 3 мг на 1 мг ПАР, в широкому діапазоні рН середовища від 2 до 12. Винахід забезпечує значно спрощений процес очищення води з максимальним вилученням НПАР і АПАР, а також забезпечує можливість повторного використання вилучених речовин та використаного реагенту в різних технологічних процесах. UA 111787 C2 (12) UA 111787 C2 UA 111787 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Винахід належить до галузі очищення стічних вод від забруднювачів органічної природи, зокрема сумішей неіоногенних поверхнево-активних речовин (НПАР) (індивідуальні НПАР: Твіни різних марок; технічні НПАР: ОП-7, OC-20, синтанол ДС-10, проксанол ІДЛ-3, пропінол Б-400, жиринокс-С, синтанол АПСЕ-12 та ін.) та аніонних поверхнево-активних речовин (АПАР) (алкілсульфати та алкілсульфонати лужних металів) у широких діапазонах значень рН середовища, і може бути використаний для очищення стічних вод промисловостей: хімічної, фармацевтичної, вугільної, нафтопереробної і нафтохімічної, будівельних матеріалів, лакофарбової, целюлозно-паперової. Крім того, пропонований спосіб може бути використаний для очищення побутових стічних вод і технологічних водних розчинів виробництва товарів побутового призначення (порошкоподібні синтетичні миючі засоби - СМЗ, пастоподібні та рідкі СМЗ, посилювачі для хімічної чистки), косметичних препаратів, синтетичних смол, шкіряного і текстильного виробництва. Досягнутий рівень техніки в даній області характеризується наступними аналогами: 1. Відоме "Пінне фракціонування неіоногенних, аніонних і катіонних поверхнево-активних речовин" [Спосіб флотаційної очищення стічних вод текстильних підприємств (Патент РФ на винахід № 2067078, опубл. 27.09.1996, Тарасевич Ю.И., Дорошенко В.Е… Козуб Г.А., Патюк Л.К. Способ флотационной очищення сточных вод), в якому спочатку здійснюють безреагентну флотацію, а потім реагентну флотацію з використанням в якості флотореагенту катіонного органічного флокулянта. Недоліками способу є трудомісткість флотації через багатостадійність процесу, необхідність утилізації великої кількості флотошламу, замала швидкість процесу, великий об'єм піни, що є органолептичним показником токсичної дії ПАР. 2. Відома "Адсорбція поверхнево-активних речовин" на адсорбентах різного типу [Спосіб очищення води. Патент України на винахід № 83168, опубл. 30.12.2008. Бюл. № 11, Гончарук В.В… Кармазіна Т.В., Петрачков А.А… Омельченко В.М.], яка полягає в тому, що в забруднену ПАР воду вводять адсорбент, який далі, після закінчення процесу або регенерують, або направляють у сховище. Недоліками способу є трудомісткість процесу, дозування адсорбенту, вибір способу їх регенерації, неможливість завеликих молекул ПАР проникнути в усі пори адсорбенту, не висока швидкість адсорбції, труднощі в утилізації ПАР. Відомий найбільш близький за досягненим результатом (найближчий аналог) "Спосіб очищення води від неіоногенних поверхнево-активних речовин" (Патент України на винахід № 102904, опубл.: 27.08.2013), який полягає в тому, що вилучення НПАР із водних розчинів проводять флотацією в присутності реагенту, за який використовують гексаціаноферат (III) калію або гексаціаноферат (II) калію в кількості 0.50-0,65 мг на 1 мг вилучуваної НПАР. а флотацію проводять при рН 4-10. Недоліками відомого способу за прототипом є: неможливість очищення води за допомогою вибраних реагентів сумішей ПАР різної природи; утруднення процесу за рахунок приготування розчинів реагенту; неможливість використання НПАР і реагенту у подальших цілях практичного характер). Задача, на рішення якої спрямовано запропонований винахід, - досягнення максимального вилучення НПАР та АПАР із індивідуальних та змішаних водних розчинів різного складу; можливість повторного використання НПАР, АПАР і реагенту в різних технологічних процесах; розширення діапазону оптимальних значень рН середовища. Поставлена задача вирішується способом очищення води від суміші неіоногенної та аніонної ПАР флотацією, який відрізняється тим, що як реагент використовують агар-агар в кількості 3 мг на 1 мг вилучуваної суміші ПАР. а флотацію проводять при рН 2-12, що значно спрощує процес очищення. Вибір як реагенту-носія НПАР і АПАР агар-агару був обумовлений його не токсичністю, природним походженням, можливістю сумісного знаходження з вилучуваними ПАР у побутових стічних водах, у стічних водах підприємств харчової та косметичної промисловості. Для здійснення способу в воду, що підлягає очищенню від індивідуальних НПАР, АПАР та їх сумішей з концентрацією 50 мг/л вводять агар-агар у визначеній оптимальній кількості. Реагент використовують у природному порошкоподібному вигляді. В нижній шар води через пористу скляну пластинку під тиском подають повітря. Бульбашки повітря спливають на поверхню, захоплюючи за собою змішаний продукт, що містить НПАР, АПАР та реагент-носій. Пінний концентрат, утворений під час флотації на поверхні, збирають за допомогою механічних скребків. B Експериментальні випробування проводили на лабораторній машині марки Л 136 -ФЛ виробництва "Механобр", що забезпечує подібність процесу, який протікає в сучасній 1 UA 111787 C2 5 10 флотаційній машині, на кафедрі фізичної та колоїдної хімії хімічного факультету Одеського національного університету імені 1.1. Мечникова. Для визначення оптимальної кількості (q) реагенту-носія агар-агару досліди проводили при однаковій концентрації неіоногенної і аніонної ПАР (50 мг/л): індивідуальних неіоногенних ПАР Твіну-20 (продукт взаємодії спирту сорбіту, окиси етилену і лауринової кислоти, містить 20 оксіетильних груп). Твіну-80 (продукт взаємодії спирту сорбіту, окиси етилену і олеїнової кислоти, містить 20 оксіетильних груп) та технічної неіоногенної ПАР - ОС-20 (моноалкіловий ефір поліетиленгліколю CnH2n+1HO(C2H4O)mH, де n=14-18, містить 20 оксіетильних груп m=20); аніонної ПАР - додецилсульфату натрію (ДДСН) - (C12H25OSO3Na). Мольна доля (n) НПАР в змішаному розчині складала 0,2; 0,5 і 0,8. Процес флотації в усіх досліджуваних системах тривав 15 хв. Отримані результати флотаційної обробки індивідуальних водних розчинів різних типів ПАР з рН 5,7 і температурою 18-20 °C наведені у табл. 1. Таблиця 1 q (агар-агару), мг на 1 мг ПАР 0 4,0 6,4 8,0 11,2 16,0 ОС-20 ДДСН (індив. Твін-20 (техн. НПАР) АПАР) (індив. НПАР) ступінь вилучення (), % 75 70 85 90 80 99 85 85 99 90 90 98 80 90 98 85 90 98 Твін-80 (і мли в. НПАР) 80 90 95 90 90 90 15 20 25 30 Як видно з табл. 1, ефективність флотаційного вилучення як НПАР, так і АПАР зростає на 10-15 % та 20 % відповідно. Так ступінь флотаційного вилучення НПАР досягає свого максимального значення (90-99 %) при витраті агар-агару в кількості 4 мг на 1 мг технічної НПАР (ОС-20) і в кількості 6,4 мг на 1 мг індивідуальної НПАР (Твін-20 і Твін-80), а для АГІАР (ДДСН) - 90 % при максимальній витраті реагенту - 8 мг на 1 мг ПАР. При ступені флотаційного вилучення ПАР =90-99 % їх залишкова концентрація у відпрацьованих розчинах, яка була визначена фотоколориметрично з похибкою ±1 % з використанням для аналізу в разі НПАР індикатора хромазуролу і ацетатно-аміачного буферного розчину (значення рН якого дорівнювало 7) та АПАР - метиленового синього та хлороформу, відповідає нормам їх скидання у міську каналізацію, враховуючи й той факт, що досліджувані ПАР мають різні значення ГДК (ГДКНПАР у воді=0,1 мг/л; ГДКАПАР у воді=0,5 мг/л). Ступінь переходу розчину в піну збільшується зі збільшенням витрати агар-агару з 4 Мг до 16 мг на 1 мг ПАР в 2,5 разу. Введення надлишкової кількості агар-агару не спричиняє погіршення процесу очищення, що є дуже важливим для технологів у випадку передозування реагенту. У табл. 2, 3 наведено дані щодо ефективності вилучення НПАР та АПАР при їх сумісному знаходженні у водних розчинах різного складу. Таблиця 2 q (агар-агару), 3 мг на 1 мг ПАР 0 3 35 Суміш Суміш ДДСН Твін-20 ДДСН ступінь вилучення () 90 80 95 80 99 95 95 95 ОС-20 Суміш Твін-80 ДДСН % 95 80 98 95 Із даних табл. 2 видно, що ступінь вилучення ДДСН із змішаних розчинів, що містять індивідуальні НПАР (Твін-20, Твін-80) або технічні НПАР (ОС-20) збільшується на 15 % при масовому співвідношенні НПАР:АПАР - 1:1. 2 UA 111787 C2 Таблиця 3 ступінь вилучення () рН5,7 q (агар-агару) 3 мг на 1 мг ПАР nХНПАР) 0,5 0,2 0,8 Суміш Твін-20 ДДСН 95 95 95 90 99 90 ДДСН 95 95 95 90 98 85 ДДСН 95 95 95 95 99 90 ДДСН 95 95 99 95 99 90 ДДСН 95 95 98 98 99 85 Суміш Твін-40 Суміш Твін-60 Суміш Твін-80 Суміш ОС-20 5 10 При підвищенні вмісту ДДСН в змішаному розчині ступінь флотаційного вилучення як індивідуальних НПАР (Твін-20, Твін-40, Твін-60, Твін-80), так і технічної НПАР (ОС-20) практично не змінюється. При збільшенні вмісту НПАР в змішаних розчинах спостерігається деяке зниження ступеня флотаційного вилучення ДДСН на ~ 5-10 %. Це дає можливість вилучати досліджувані ПАР без контролювання складу змішаного розчину. Мінімальне значення кількості розчину, що переходить до піни (~ 2-5 %) спостерігається при однаковому співвідношення Твінів і ДДСН в змішаному розчині. Щодо технічної НПАР (ОС-20) зменшення кількості пінного продукту на 10 % відбувається при мольному співвідношенні компонентів ОС-20: ДДСН -0,2:0,8. Визначення впливу кислотності середовища на ступінь флотаційного вилучення НПАР та АПАР із змішаних водних розчинів на прикладі системи Твін-20 - ДДСН проводили змінюючи значення рН в інтервалі 2-12 при однаковій дозі реагенту: 3 мг агар-агару на 1 мг ПАР і температурі 18-20 °C. Дані представлено в табл. 4. 15 Таблиця 4 рН Суміш Твін-20-ДДСН Твін-20 ДДСН ступінь вилучення (), % 20 25 2 98 95 4 95 90 6 95 90 8 95 90 10 98 90 12 98 85 Як видно з табл. 4, зміна значень рН розчину практично не впливає на вилучення Твіну-20. Максимальний ступінь флотаційного вилучення ДДСН із змішаного розчину спостерігається в кислому середовищі (95 %), де агар-агар частково розчиняється, що пов'язано з полегшенням взаємодії змішаних міцел з молекулами агар-агару внаслідок зміни конформації останнього через часткове розщеплення молекули на - і - галактопіранозу. В лужному середовищі (рН 12) ступінь флотаційного вилучення ДДСН зменшується на 10 % в результаті конкурентної взаємодії поверхнево-активних іонів C12H25OSO3 і надлишку гідроксид-іонів (ОН ) з функціональними групами на поверхні агар-агару при утворенні водневого зв'язку. Кількість розчину, що переходить до піни під час флотаційного вилучення Твіну-20 і ДДСН із змішаного розчину при додаванні агар-агару зменшується в лужному середовищі до 3 %. Техніко-економічний показник очищення води від неіоногенної та аніонної ПАР за пропонованим способом у порівнянні з прототипом наведений у табл. 5 (у всіх випадках ступінь очищення води від неіоногенної та аніонної ПАР досягає 90-99 %). 3 UA 111787 C2 Таблиця 5 № п/п Техніко-економічний показник Технічне рішення за винаходом Прототип 1. Кількість вилучуваних ПАР Суміш двох ПАР (НПАР і АПАР) Одна ПАР (НПАР) Кількість додаткових так (приготування 2. ні технологічних операцій розчину реагенту) Область оптимальних значень рН 3. 2-12 4-10 середовища Можливість повторного 4. використання ПАР і реагенту у так ні різних технологічних процесах 5 10 15 20 25 30 35 40 45 Одержані експериментальні дані свідчать про перевагу запропонованого способу в порівнянні з відомим: токсичні гексаціаноферати (II, III) калію замінюються на дешевий, доступний та нетоксичний агар-агар; передозування реагенту не спричинює погіршення процесу вилучення ПАР; технологічні водні розчини та стічні води, що містять НПАР і АПАР і підлягають обробці, не потрібно додатково підкислювати або підлужувати; можуть бути успішно використані для очищення мінералізованих розчинів. Використання агар-агару у кількості 3 мг на 1 мг ПАР при однаковій концентрації ПАР (50 мг/л) дозволяє досягти максимального вилучення НПАР та АПАР з індивідуальних та змішаних водних розчинів різного складу, проводити вилучення досліджуваних ПАР при будь-якому значенні рН середовища, усуває додаткову технологічну операцію - приготування розчину реагенту. Спосіб пояснюється прикладами: Приклад 1. В камеру флотаційної машини поміщали 1 л розчину, який містив 50 мг ОС-20, рН розчину 5-6. Розчин флотували 15 хв та фотоколориметрично аналізували на залишковий вміст технічної неіоногенної ПАР. Визначили, що ступінь флотаційного вилучення склав 75 % при об'ємі пінного продукту – 10 %. При введенні агар-агару у кількості 4 мг на 1 мг НПАР ступінь флотаційного вилучення підвищився до 90 %, а ступінь переходу розчину в пінний продукт не змінився. При підвищенні дози реагенту до 8 мг на 1 мг НІІАР ступінь флотаційного вилучення в межах похибки методу флотації (± 5 %) мало змінився, а при витраті агар-агару більше 11 мг на 1 мг НПАР - зменшився. Приклад 2. Умови ті ж, що й у прикладі 1, за винятком того, що як АПАР використовували ДДСН, а витрата агар-агару складала 8 мг на 1 мг НПАР. Ступінь флотаційного вилучення ДДСН (початкова концентрація у розчині - 50 мг/л, рН розчину 5-6) складав 90 %, ступінь переходу розчину в піну - 7 %. Приклад 3. Умови ті ж, що й у прикладі 1, за винятком того, що використовували змішаний в рівних кількостях розчин ОС-20 та ДДСН (50 мг/л, рН 5-6), а реагент-носій додавали в кількості 3 мг на 1 мг вулучуваних ПАР. Ступінь флотаційного вилучення НПАР складав 99 %, АПАР - 95 %, ступінь переходу розчину в піну - 8 %. Приклад 4. Умови ті ж, що й у прикладі 3, за винятком того, що в змішаному розчині з ДДСН як НПАР використовували Твін-80 (50 мг/л, рН 5-6). Ступінь флотаційного вилучення НПАР складав 99 %, АПАР - 95 %, ступінь переходу розчину в піну 5 %. При збільшенні вмісту НПАР у змішаному розчині ступінь вилучення АПАР зменшився на 5 %. Таким чином, використання як реагенту-носія доступного, некоштовного і нешкідливого для людей порошку агар-агару дозволяє: спростити технологію очищення води від НПАР, АПАР та їх сумішей за рахунок усування додаткової технологічної стадії приготування розчину реагенту, проведення вилучення досліджуваних ПАР при будь-якому значенні рН середовища. Спосіб відрізняється технічною простотою і високою ефективністю очищення (90-99 %), що сприяє охороні навколишнього середовища, та можливістю повторного використання НПАР і АПАР та реагенту-носія у промисловості. Важливою перевагою запропонованого способу також є можливість досягнення максимального очищення води одночасно від двох різних типів ПАРНПАР і АПАР. Після процесу очищення води від суміші НПАР і АПАР при оптимальному співвідношенні компонентів і витраті реагенту 3 мг на 1 мг ПАР в воді не міститься використаний реагент-носій. Залишкова концентрація НПАР і АПАР у розчинах, що підлягають флотаційній обробці, відповідає вимогам по їх скиданню в міську каналізацію. 4 UA 111787 C2 ФОРМУЛА ВИНАХОДУ 5 Спосіб очищення води від сумішей неіоногенної та аніонної поверхнево-активних речовин (ПАР) сорбційною флотацією в присутності реагенту, що є флотаційним носієм, який відрізняється тим, що як флотаційний носій використовують агар-агар в кількості 3 мг на 1 мг вилучуваних ПАР, а флотацію проводять в широкому діапазоні рН середовища від 2 до 12. Комп’ютерна верстка Д. Шеверун Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Василя Липківського, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут інтелектуальної власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 5