Создание модельных систем для испытания фильтр-сепараторов стабилизированных эмульсий типа «масло в воде»

Выпускная квалификационная работа бакалавра

по направлению 04.03.01 «Химия»

 

 

Руководитель (научный)		доктор химических наук, доцент Зайцев Н.К.
Консультант		кандидат химических наук, Колотилкин А.С.

 

МОСКВА 2016

 

Электронная версия ВКР передана на выпускающую кафедру (дата, подпись)

Оглавление

Введение. 3

1. Обзор литературы.. 8

1.1. Общие сведения об эмульсиях. 8

1.2. Эмульсия «масло в воде». 10

2. Эксперимент. 13

2.1. Используемые вещества, оборудование и вспомогательные материалы.. 13

2.1.1. Используемые вещества. 13

2.1.2. Оборудование и вспомогательные материалы.. 17

2.2. Исследование влияния состава на устойчивость эмульсии. 24

2.3. Исследование зависимости устойчивости эмульсии от температуры.. 25

2.4. Измерение размера частиц эмульсии. 28

2.5. Исследования зависимости стабильности эмульсии от вида топлива. 29

Выводы.. 30

Список литературы.. 31

 

 

Введение

Непрерывное развитие промышленности, связанное со стремлением человечества к повышению уровня жизни, имеет обратной стороной столь же непрерывное и все более сильное загрязнение окружающей среды ее отходами. Среди основных источников загрязнений можно назвать загрязнение природы сточными водами промышленных предприятий, коммунально-бытовыми стоками, различными удобрениями, ядохимикатами и другими веществами, используемыми в сельском хозяйстве, загрязнение почв тяжелыми металлами, бактериальное и радиационное загрязнение. Но, пожалуй, наиболее существенным является загрязнение окружающей среды нефтью и различными продуктами ее переработки.

Постоянное увеличение добычи, переработки и потребления нефти привело к загрязнению обширных территорий. Но самым пагубным является то, что нефтяные загрязнения попадают в воду и делают ее непригодной как для питья, так и для жизни, что приводит к постепенному, но достаточно быстрому разрушению экосистемы планеты. На рисунке 1 приведены районы нефтяного загрязнения мирового океана. Но не менее серьезной проблемой является загрязнение нефтью и нефтепродуктами источников питьевой воды, а ведь в последние десятилетия запасы питьевой воды и так непрерывно сокращаются.

Рисунок 1. Районы нефтяного загрязнения мирового океана [1]

 

Именно поэтому проблема очистки воды от нефти нефтепродуктов стоит очень остро. Согласно ГОСТ Р 51858-2002 «Нефть», предельно допустимая концентрация (ПДК) нефти в воде объектов культурно-бытового пользования и хозяйственно-питьевого назначения для нефти классов 3, 4 должны быть не более 0,1 мг/дм³, а для нефти классов 1, 2 - не более 0,3 мг/дм³ [2]. В ГОСТ Р 51232-98 «Питьевая вода. Общие требования к организации и методам контроля качества» ПДК нефти и нефтепродуктов в питьевой воде не определены [3]. Однако требования к качеству питьевой воды определяются Российским СанПиН 2.1.4.10749-01 «Питьевая вода» Гигиенические требования к качеству воды» [4]. На международном уровне требования к качеству питьевой воды регламентируются директивой ЕС 98/83/ЕС «Качество питьевой воды, предназначенной для потребления человеком» [5], международными рекомендациями ВОЗ «Руководство по контролю качества питьевой воды 1992 г.» [6].

В таблице 1 приведены некоторые значения ПДК нефти, нефтепродуктов и использованных в настоящей работе веществ для питьевой воды по ГН 2.1.5.689-98 «Предельно допустимые концентрации (ПДК) химических веществ в воде водных объектов хозяйственно-питьевого и культурно-бытового водопользования» [7].

 

Таблица 1. Некоторые значения ПДК нефти, нефтепродуктов и использованных в работе веществ для питьевой воды по ГН 2.1.5.689-98 «Предельно допустимые концентрации (ПДК) химических веществ в воде водных объектов хозяйственно-питьевого и культурно-бытового водопользования» [7]

Наименование вещества	№ CAS	Величина ПДК, Мг/л	Лимитирующий показатель вредности	Класс опасности
Бензин	8032-32-4	0,1	Орг.запах
Неонол АФ 9.4	7311-27-5	0,3	Орг. пена
Неонол АФ 9.6	34166-38-6	0,3	Орг.пена
Неонол АФ9.12	131890-11-4	0,1	Орг.пена
Нефть	8002-05-9	0,3	Орг.пленка
Нефть многосернистая		0,1	Орг.пленка

 

Но из-за разливов нефти при добыче, не соблюдения правил транспортировки и других путей попадания нефти в воды, данные значения ПДК могут быть сильно превышены.

Нефть - природный ресурс, горючая, маслянистая жидкость, со специфическим запахом, состоящая в основном из углеводородов с разной молекулярной массой. Из-за своей природы, нефтяные капельки, попадая на поверхность воды, не растворяются, и не исчезают в объеме воды, а создают эмульсию или «пленку» на поверхности. Эти «пленки» и эмульсии снижают концентрацию растворенного в воде кислорода, приводя к омертвлению вод, что является экологической катастрофой. Есть и другие типы негативного воздействия нефтяных загрязнений воды – гибнущие обитатели рек, озер и морей – рыба, птицы, животные, гибнут растения. Появление нефтяной пленки на поверхности океана приводит к снижению испарения воды, нагреву ее массы и как следствие к значительным климатическим изменениям

Но мы остановимся на загрязнении вод, используемых для питьевых целей, что также является очень серьезной и постоянно усложняющейся экологической проблемой.

Современные методы очистки вод от нефтяных загрязнений подразделяются на механические, химические, физико-химические и биологические. Применение того или иного метода в каждом конкретном случае определяется источником и характером загрязнения, площадью загрязнения, количеством нефти и др.

На кафедре аналитической химии имени И.П. Алимарина Института тонких химических технологий накоплен значительный опыт использования микрогетерогенных систем в электроаналитической химии.

В частности, были разработаны методы определения тяжелых металлов в бензине без его сжигания путем превращения топлива в микроэмульсии с последующим инверсионным вольтамперометрическим определением свинца, кадмия и марганца.

В настоящий момент микрогетерогенные системы имеют все возрастающее применение в аналитической химии. Одно из важнейших направлений химического анализа микрогетерогенных систем связано с необходимостью переработки нефтяных отходов и устранения нефтяных загрязнений окружающей среды.

Предлагаемая нами концепция заключается в том, что бы такие системы разлагать и анализировать углеводородную часть методами химического анализа, ранее разработанными для углеводородов, а водную часть методами химического анализа, ранее разработанными для водных растворов. В связи с этим на кафедре разрабатываются методы разделения микрогетерогенных систем на углеводородную и водную составляющую. Для этого стояла задача создать модельную микрогетерогенную систему.

Целью настоящей работы является разработка стабильных модельных систем для последующего разделения на составляющие. Подобная модельная система может стать основой для разработки методики пробподготовки для анализа нефтяных отходов и природных водно-углеводородных систем.

Для достижения цели должны быть выполнены следующие задачи:

• Создание модельной микрогетерогенной системы типа «масло в воде»

• Проведение исследований соотношения компонентов для получения стабильной эмульсии первого типа.

• Исследование температурной зависимости эмульсий.

• Проведение исследований зависимости стабильности эмульсии от вида топлива.

Обзор литературы

Общие сведения об эмульсиях

Эмульсия - дисперсная система, состоящая из микроскопических капель жидкости (дисперсной фазы), распределенных в другой жидкости (дисперсионной среде). Эмульсии могут быть образованы двумя любыми несмешивающимися жидкостями; в большинстве случаев одной из фаз эмульсий является вода, а другой — вещество, состоящее из слабополярных молекул (например, жидкие углеводороды, жиры) [8, 9]. Существует 2 типа эмульсий: прямая и обратная. Так же называемые эмульсии 1-го и 2-го типа. Эмульсией 1-ого типа - масло в воде (М/В), а эмульсия 2-ого типа - вода в масле (В/М).

Методов приготовления эмульсий существует достаточно много:

• Конденсационный метод

• Метод прерывистого встряхивания

• Дисперсионный метод

• Смешивание

• Коллоидные мельницы

• Гомогенизаторы и т.д.

Эмульсии - термодинамически нестабильные системы, обладающие значительной свободой энергией. Исключение составляют самоэмульгирующиеся системы с низким межфазным натяжением. Поэтому основными при исследовании эмульсий являются вопросы изучения их устойчивости [9, 10].

Выделяют три вида устойчивости:

• Седиментационная (кинетическая).

• Коагуляционная (агрегативная).

• По отношению к коалесценции.

Тип образующейся эмульсии зависит от соотношения объемов водной и масляной фазы, условий эмульгирования и других факторов, но главную роль играет природа эмульгатора - третьего компонента эмульсии, придающего им агрегативную устойчивость.

Тип эмульсии, образующейся при механическом диспергировании, в значительной мере зависит от соотношения объема фаз. Жидкость, содержащаяся в большем объеме, обычно становится дисперсионной средой. При равном объемном содержании двух жидкостей при диспергировании возникают эмульсии обоих типов, но «выживает» из них та, которая имеет более высокую агрегативную устойчивость и определяется природой эмульгатора. Способность эмульгатора обеспечивать устойчивость эмульсии того или иного типа определяется энергетикой взаимодействия его с полярной и неполярной средами, которая может быть охарактеризована при помощи полуэмпирической характеристики - числа гидрофильно-лиофильного баланса (ЛГБ) поверхностно-активного вещества.

В настоящее время существует две количественных характеристики эмульсии, полученной с помощью определенного раствора ПАВ: максимальный объем эмульсии и максимальная поверхность эмульсии. Однако максимальный объем недостаточно объективная характеристика, так как зависит от метода получения эмульсии. При более интенсивном перемешивании фаз капли получаются меньшего размера и при одном и том же количестве ПАВ максимальный объем будет меньше, чем при слабом перемешивании [11].

Эмульсия «масло в воде»

 

Рисунок 2. Схемы эмульсий первого и второго типа [11].

Было установлено, что при равных объемных концентрациях фаз могут существовать эмульсии первого и второго типа, причет эти эмульсии резко отличаются по свойствам. Для приготовления устойчивых концентрированных эмульсий типа масло в воде, кроме двух несмешивающихся жидкостей, необходимо также присутствие третьего - вещества-эмульгатора. Часто, в качестве эмульгаторов применяются гидрофильные коллоиды. Они «облегчают» эмульгирование масел и жиров в воде. Вид получаемой эмульсии зависит от природы эмульгатора. На устойчивость эмульсии, являющуюся критерием эффективности эмульгатора, решающее влияние оказывают так же время, протекшее после приготовления эмульсии, температура, значение рН, наличие или отсутствие воздуха при эмульгировании и другие факторы.

Существуют низкомолекулярные эмульгаторы (НМЭ), и высокомолекулярные (ВМЭ). Эмульгаторы используют для повышения устойчивости эмульсии. А устойчивость - важнейшее свойство эмульсии. Она обуславливается тремя факторами:

• Геометрическими - минимальные отрезки молекул эмульгатора в фазах и определенное соотношение размеров полярной и неполярной групп

• Энергетическим - минимальная прочность удержания ПАВ в адсорбционном слое.

• Концентрационными - наличие насыщенного адсорбционного слоя, предельная адсорбция.

Часто считают фактором устойчивости эмульсии двойной электрический слой. Однако с этим согласиться нельзя, так как нет даже качественной корреляции между существованием двойного электрического слоя и свойствами эмульсий [12, 13].

В настоящее время используется несколько методов определения типа эмульсии [14]:

• Метод разбавления фаз. Небольшую порцию эмульсии смешивают с водой. Если эмульсия равномерно распределяется по всему объему воды, то, следовательно, вода – дисперсионная среда и данная эмульсия является прямой (М/В). Если же испытуемая эмульсия с водой не смешивается, а смешивается с маслом, то это – обратная эмульсия (В/М).

• По растворимости красителя. Небольшой объем эмульсии смешивают с красителем, растворимым только в одной из жидкостей, например, с красителем судан III, растворимым только в углеводородах. После этого эмульсию рассматривают в микроскоп. Если на неокрашенном фоне наблюдаются окрашенные капельки, то данная эмульсия – первого рода (М/В). Если, напротив, фон окажется окрашенным, а капельки – нет, то данная эмульсия имеет тип В/М.

• По смачиванию поверхности. Эмульсии первого рода смачивают гидрофильные поверхности – капля эмульсии растекается по поверхности стекла и не растекается по поверхности парафина; эмульсии второго рода смачивают гидрофобные поверхности – капля эмульсии растекается по поверхности парафина и не растекается по поверхности стекла.

• Метод флуоресценции. Эмульсии типа В/М под действием ультрафиолетового излучения могут приобретать видимую в темной камере окраску. Эмульсии типа М/В обычно не флуоресцируют. Применимость метода ограничена низкими и средними концентрациями дисперсной фазы.

• Кондуктометрический метод. Электропроводность прямой эмульсии близка к электропроводности воды. Для обратных эмульсий ее значения на несколько порядков ниже (обычно не менее чем в 10⁴ раз). Метод не всегда применим к концентрированным эмульсиям.

• Смачивание фильтровальной бумаги. Если при нанесении капли эмульсии на фильтр жидкость быстро распространяется по поверхности, оставляя в центре небольшую каплю, то в большинстве случаев это означает, что дисперсионной средой является вода.

Эксперимент

Для проведения исследования и оценки результативности данных нам необходимо было провести ряд оценочных маневров.