Электробаромембранная очистка водно-органических растворов производства каптакса

УДК 66. 083. 3

ЭЛЕКТРОБАРОМЕМБРАННАЯ ОЧИСТКА ВОДНО-ОРГАНИЧЕСКИХ РАСТВОРОВ

ПРОИЗВОДСТВА КАПТАКСА

© К.С. Лазарев, С.В. Ковалев, В.Л. Головашин,

Е.Ю. Кондракова, Е.С. Бакунин

Ключевые слова: электробаромембранное разделение; каптакс; плотность тока; коэффициент задержания.

В процессе электрохимического синтеза альтакса образуются промывные воды со стадии отмывки целевого продукта. Промывные воды содержат непрореагировавшие натриевую соль каптакса и гидроксид натрия. Сбрасывать такие воды без предварительной очистки нельзя из экологических соображений. Кроме того, в них содержатся ценные вещества, которые могут быть вторично использованы в производстве альтакса. Эти обстоятельства требуют разработки способа разделения и очистки промывных вод и организации рецикла в производстве альтакса. В статье содержатся результаты исследования влияния давления и концентрации на процесс разделения раствора каптакса.

Экспериментальная установка и методика исследования. Исследования по определению коэффициента задержания и удельного потока растворителя проводились на экспериментальной установке, представленной на рис. 1 и рис. 2.

Установка работает следующим образом. Из расходной емкости (1) через систему вентилей высокого давления и ресивер рабочий раствор нагнетается в камеру разделения плунжерным насосом НД100/63 (2). Перемешивание раствора осуществляется в ресивере

(6), давление в котором контролировалось манометром

(7). Пройдя рабочую ячейку (3), дроссели (4) и поплавковые ротаметры (5) разделяемый раствор возвращается в расходную емкость (1). Для сглаживания пульсаций давления и расхода в системе установлен ресивер (6), который представляет собой цилиндрический сварной сосуд (V = 3,5 л), предварительно заполняемый сжатым воздухом до давления, составляющего 30-40 % от рабочего, компрессором высокого давления (9). Давление в установке контролируется образцовым манометром (8), установленным до ячейки (3). Кроме измерительного манометра в установке используется электроконтактный манометр (14), который при превышении давления в системе выше установленного значения отключает плунжерный насос (2) с помощью электроконтактного реле. Расход раствора задается регулированием рабочего хода плунжерного насоса (2). Температура раствора в системе поддерживалась температурой воды в термостате (10), контролировалась термометром (12) и регулировалась потенциометром (11) автоматически. Регулирование напряжения и, как следствие, плотности тока в процессах электроультрафильтрации и электроосмофильтрации производилось блоком питания (15).

Раствор, прошедший в результате разделения через мембраны, собирается в емкость (13). Колебания давления и расхода на описанной установке не превышали 5 % от установленного значения.

Рис. 1. Схема экспериментальной электробаромембранной установки

Рис. 2. Экспериментальная электробаромембранная установка: 1 - электробаромембранная ячейка; 2 - игольчатые вентили; 3 - пульт управления; 4 - блок питания и измерительные приборы, 5 - манометр

ю

Рис. 3. Схема электробаромембранной ячейки

Рабочий опыт проводили в течение времени, необходимого для сбора пермеата, при этом время проведения опыта фиксировалось секундомером. После рабочего эксперимента сбрасывали давление в системе, выключали установку. При необходимости проводили повтор рабочего опыта, но уже без контрольного.

Во время рабочего опыта все данные (концентрацию растворенных веществ в исходном растворе, в прикатодном и прианодном пермеате; расход разделяемого раствора; давление; температуру; напряжение; силу тока и время проведения опыта) заносили в рабочий журнал. Для расчета удельного потока растворителя через мембраны использовали выражение следующего вида [1-4]:

V

J =-------,

Е -т

м

где V - объем пермеата, м3; Ем - площадь мембраны, м2; т - время проведения эксперимента, с.

Экспериментальное значение коэффициента задержания определяли по формуле:

Эксперименты проводились по следующей методике. Перед началом экспериментальных исследований собирали разделительный модуль, при этом предварительно подготовленную мембрану располагали на прокладке (ватмане) активным слоем к разделяемому раствору. Далее модуль помещали в ячейку (3), показанную на рис. 1, и производили ее крепление на установке. После этого задавали рабочий расход раствора изменением хода плунжера насоса (2) и заполняли систему рабочим раствором. Далее устанавливали подачу воды в систему промывки сальников и охлаждения плунжера насоса, полностью закрывали игольчатые дроссели (4) и включали насос. По мере увеличения избыточного давления в системе открывали перепускной игольчатый вентиль и плавно игольчатые дроссели (4), пока колебания стрелок манометров не останавливались около заданного значения давления. Одновременно проверяли и наличие утечек раствора в разделительном модуле (3). Раствор, прошедший через мембраны, собирали в емкости (13). По этой схеме проводили холостой опыт в течение 30 минут. Затем выключали установку и сбрасывали в системе давление игольчатым вентилем. Собранный раствор из емкостей (13) выливали в исходную емкость (1). После восьмичасовой выдержки раствор сливали из установки, хорошо перемешивали и заливали в объеме 6• 10-3 м3. Затем в той же последовательности запускали установку, но при этом выводили ее на температурный режим и проводили контрольный опыт в течение времени, необходимого для сбора пермеата.

Основным элементом установки является разделительная ячейка (3). Конструкция ячейки представлена на рис. 3. Она предназначена для проведения процессов электроультрафильтрации и электроосмофильтрации.

Ячейка имеет штуцеры для ввода и вывода раствора (1), (10), штуцера для отвода пермеата (7), мембрану (4), опирающуюся на ватман (5), и пористый металлический электрод (6). Ячейка состоит из двух фланцев и уплотнена при помощи прокладки (9) и болтов. Средняя часть ячейки (3) является металлической и токопроводящей.

—

Я = 1 - ,

С

исх

где Я - коэффициент задержания; —пер - концентрация растворенного вещества в пермеате, кг/м3; —исх -концентрация растворенного вещества в исходном растворе, кг/м3.

Результаты экспериментальных исследований и их анализ. Коэффициент задержания является основным параметром, характеризующим качество процесса разделения [5-7]. Он зависит от материала мембраны, природы растворенных веществ и их концентраций в растворе, от рабочего давления, температуры и гидродинамики процесса. Исследования проводились при различных значениях рабочего давления (1,5-3,0 МПа), различных рабочих концентрациях, постоянной плотности тока (0,59 мА) и при постоянной температуре (/раб. = 22 °С).

Результаты экспериментальных исследований коэффициента задержания представлены в табл. 1.

Важными характеристиками процесса разделения является удельный поток растворителя. Удельный поток растворителя зависит от ряда факторов: природы мембран и растворов, концентрации растворенного вещества, температуры раствора, рабочего давления, гидродинамической обстановки над мембраной и т. п.

В результате проведенных исследований выявлены общие закономерности влияния различных факторов на процесс разделения: удельный поток растворителя снижается при росте концентрации разделяемого раствора, при увеличении рабочего давления удельный поток растворителя повышается. Это объясняется тем, что давление, являясь движущей силой процесса, напрямую связано с удельным потоком растворителя. Поэтому рост давления в процессе электробаромем-бранного разделения (при отсутствии геле- и осадкообразования, а также структурных изменений мембраны) всегда приводит к росту удельного потока растворителя. Результаты экспериментальных исследований удельного потока растворителя представлены в табл. 2.

Таблица 1

Результаты экспериментальных исследований коэффициента задержания

Каптакс Щелочь P, МПа Щелочь Каптакс Щелочь Каптакс

Сисх, кг/м3 Сисх, кг/м3 Спер, кг/м3 Спер, кг/м3 R R

11,6G4 3,824 1,5 1,981 G,G797 G,482 G,993

Катод 7,942 2,18 2 1,113 G,G291 G,489 G,996

9,2 2,33 2,5 1,24 G,G38 G,456 G,996

11,557 2,436 3 1,346 G,G593 G,447 G,995

11,6G4 3,824 1,5 1,88 G,4G33 G,5G8 G,965

Анод 7,942 2,18 2 1,G72 G,G6G8 G,5G8 G,992

9,2 2,33 2,5 1,28 G,22 G,439 G,976

11,557 2,436 3 1,6G8 G,3G16 G,34G G,974

Таблица 2

Результаты экспериментальных исследований удельного потока растворителя

Каптакс Щелочь P, МПа J-106, м/с

Сисх, кг/м3 Сисх, кг/м3

11,6G4 3,824 1,5 2,8

Катод 7,942 2,18 2 6,G36

9,2 2,33 2,5 6,15

11,557 2,436 3 6,G36

11,6G4 3,824 1,5 1,89

Анод 7,942 2,18 2 5,G9

9,2 2,33 2,5 4,58

11,557 2,436 3 3,56

ЛИТЕРАТУРА

1. Технологические процессы с применением мембран / под ред. Р.Е. Лейси и С. Лёба; пер. с англ. Л.А. Мазитова, Т.М. Мнацака-нян. М.: Мир, 1976. 372 с.

2. Дытнерский Ю.И. Баромембранные процессы: теория и расчет. М.: Химия, 1986. 272 с.

3. Дытнерский Ю.И. Мембранные процессы разделения жидких смесей. М.: Химия, 1975. 252 с.

4. Мудлер М. Введение в мембранную технологию. М.: Мир, 1999. 513 с.

5. Саббатовский К.Г., Соболев В.Д., Чураев Н.В. Задержка концентрированных электролитов обратноосмотическими мембранами // Коллоидный журнал. 1993. Т. 55. № 5. С. 142-147.

6. Горячий И.В. Электробаромембранные процессы: учеб. пособие. М.: РХТУ им. Д.И. Менделеева, 2007.

7. С 1 2403957 RU В0Ю61/42, В0Ю61/46. Электробаромембранный аппарат плоскокамерного типа / Ковалев С.В., Лазарев С.И., Чепе-няк П.А., Данилов А.Ю., Лазарев К.С. (ГОУ ВПО ТГТУ). № 2009108996/12; Заявл. 11.03.2009.

БЛАГОДАРНОСТИ: Работа выполнена при поддержке федеральной целевой программы «Научные и

научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 гг.

Поступила в редакцию 16 января 2012 г.

Lazarev K.S., Kovalev S.V., Golovashin V.L., Kondrakova E.Yu., Bakunin E.S. ELECTROBAROMEMBRANE CLEARING OF WATER-ORGANIC SOLUTIONS OF MANUFACTURE CAPTAX

In the course of electrochemical synthesis altax washing waters from a stage washing a target product are formed. Washing waters contain not reacted sodium salt captax and hydroxide sodium. To dump such waters without preliminary clearing it is impossible from ecological reasons. Besides, in them valuable substances which can be again used in manufacture altax contain. These circumstances demand working out of a way of division and clearing of washing waters and the organization cycle in manufacture altax. Research results of influence of density and concentration on process of captax solution division are conducted.

Key words: electrobaromembrane division; captax; current density; detention factor.