RU2062641C1 - Method for separation of stable water-oil emulsion with the help of ultrafiltration - Google Patents

Abstract

FIELD: separation of stable water-oil emulsions. SUBSTANCE: method involves preliminary purification, ultrafiltration, adding of calcium hydroxide (its quantity being 4-50 g/l) into thus prepared concentrate. The process is followed by thermostatic control within 3-75 h at 20-95 C, utilization of thus prepared oil phase and regeneration of membrane agents. Said regeneration takes place with the help of aqueous phase being prepared and having pH 9.5-12.5. EFFECT: improves efficiency of the method. 1 tbl, 1 dwg

Description

Изобретение относится к области разделения жидких сред ультрафильтрацией, а именно к процессам разделения устойчивых водомасляных эмульсий, например смазочно-охлаждающих жидкостей (СОЖ). The invention relates to the field of separation of liquid media by ultrafiltration, and in particular to processes for the separation of stable oil-water emulsions, for example, cutting fluids.

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). Known methods for the decomposition of water-oil emulsions using expensive reagents (application Germany N 4009760, CL B 01 D 17/05, 1991), using ultrasound (AS USSR N 1636340, CL 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). Closest to the claimed method is the separation of liquid media, in particular water-oil emulsions, including their supply to the working channels of the membrane unit, concentration of the delayed component on the membrane with the removal of permeate and concentrate, subsequent supply of the concentrate to the sump and periodic regeneration of the membrane with a washing solution (Dytnersky U. I. Reverse osmosis and ultrafiltration. M. Chemistry, 1978, S. 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. However, the known method does not provide an effective separation of free oil from the concentrate obtained after the ultrafiltration process, which is a stable oil-water emulsion, and, in addition, the known method involves the use of additional reagents for washing membrane elements.

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. The main requirement for various detergents, coolant, etc. used in metalworking is stability over a long service life, which is provided by emulsifiers. These include various surfactants, some of which are in solution, and the molecules of the other part create protective absorption-solvation layers on the surface of the oil droplets, thereby contributing to the stability of the emulsion.

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. Under the conditions of traditional technology, when the coolant is repeatedly used in the technological process, the emulsion is destabilized due to the influence of temperature, processing speed, presence of mechanical impurities, etc.

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. According to the conditions of special technologies, in particular, in the technology of precision metalworking, coolant is not reused in the process, and the emulsion, accordingly, retains its stability and is difficult to separate by traditional methods (settling, coagulation, temperature control, etc.), as in prototype.

Целью предложенного способа является повышение эффективности процесса разделения устойчивых водомасляных эмульсий с одновременным выполнением экологических требований, предъявляемых к современному производству. The aim of the proposed method is to increase the efficiency of the process of separation of stable water-oil emulsions while fulfilling the environmental requirements for modern production.

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. The problem to which the invention is directed, is to achieve the most complete separation of oil, as the most valuable component of the coolant, for reuse; in addition, oils are strong environmental pollutants and their ingestion with the coolant in wastewater is unacceptable.

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.The problem is achieved due to the fact that in the known method, before disposal, calcium hydroxide in the form of milk of lime in the amount of 4-50 g / l (in terms of Ca (OH) ₂ ) is additionally added to the concentrate, then thermostated at a temperature of 20-95 ^o C for 3-75 hours, after which the oil phase is disposed of, and the aqueous phase with a pH of 9.5-12.5 is used to regenerate the membrane elements.

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. To increase the efficiency of the process of separation of water-oil emulsions, calcium hydroxide is added as a demulsifier, which, firstly, forms, with the surfactants that determine the stability of the emulsion, insoluble calcium salts that precipitate; secondly, some surfactants are adsorbed on the surface of the precipitate of insoluble calcium hydroxide.

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. The amount of calcium hydroxide introduced must be such that it is sufficient to convert a part of the surfactants that determine the stability of the emulsion into an insoluble form, thereby reducing the concentration of surfactants in the adsorption layer on the surface of the oil droplets to such a point that coalescence of the oil droplets becomes possible, which allows in the future to most fully separate the emulsion into two phases: oil and water.

При уменьшении концентрации гидроокиси уменьшается количество удаляемых ПАВ из адсорбционного слоя, обволакивающего поверхность капель масла, уменьшается вероятность их слияния. With a decrease in the concentration of hydroxide, the amount of surfactants removed from the adsorption layer enveloping the surface of the oil droplets decreases, the likelihood of their merging decreases.

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. With increasing calcium concentration, the amount of surfactants removed from the adsorption layer on the surface of oil droplets increases due to the formation of insoluble salts and adsorption of insoluble calcium hydroxide on the precipitate, thereby improving the conditions for the coalescence of oil droplets.

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. However, a further increase in the concentration of calcium hydroxide does not lead to a significant increase in the separation efficiency, but leads to an overrun of reagents and, in addition, can lead to the deposition of calcium salts on the membrane elements during regeneration, which leads to inefficiency of the subsequent washing of the membrane elements. It was found experimentally that for the separation of water-oil emulsions, the optimal concentration of calcium hydroxide introduced is 4-50 g / l.

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. The separation process is influenced by the temperature factor and, accordingly, time, since the temperature causes changes in the viscosity of the oil and affects the difference in the densities of water and the oil phase.

При низких температурах процесс разделения протекает медленно, что приводит к неэффективности его использования с точки зрения экономики. At low temperatures, the separation process is slow, which leads to inefficiency of its use from the point of view of the economy.

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. An increase in temperature significantly reduces the viscosity of the oil phase and increases the density difference between the water and the oil phase. According to Stokes’s law, this helps to accelerate the process of dropping water drops, i.e. stratification and, accordingly, reduction of the process time. In addition, an increase in temperature accelerates the reaction of the interaction of hydroxide and surfactants and increases the rate of adsorption of surfactants on the sediment.

Однако повышение температуры до 100^oC может вызвать кипение воды, что недопустимо.However, increasing the temperature to 100 ^o C can cause boiling water, which is unacceptable.

Экспериментально определено, что процесс разделения водомасляных эмульсий следует проводить при температуре 20-95^oC от 3 до 75 ч.It was experimentally determined that the process of separation of water-oil emulsions should be carried out at a temperature of 20-95 ^o C from 3 to 75 hours

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. The use of the aqueous phase after processing the concentrate for the regeneration of membrane elements is based on the removal of the gel layer formed as a result of the presence of concentration polarization during ultrafiltration, which allows you to restore the selective and filtering properties of the membrane elements.

Основными компонентами, образующими на мембране гель-слой, являются органические соединения, входящие в состав СОЖ, в основном, масла, а также взвешенные и коллоидные частицы. The main components that form the gel layer on the membrane are organic compounds that make up the coolant, mainly oils, as well as suspended and colloidal particles.

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. The mechanism of regeneration of membrane elements using detergent consists in the removal of organic and solid contaminants from the surface of the membrane and their transfer to the washing liquid in the form of solutions and dispersions. In this case, the process of physical and chemical adsorption occurs, which is accompanied by the formation of adsorption and solvate layers consisting of detergent molecules covering the membrane surface and preventing the deposition of contaminants on the membrane surface.

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. The mechanism of the process is as follows. The detergent reduces the surface tension of the solution, and the solution moistens the contaminants, while the adhesion of the particles of contaminants to each other and to the membrane surface is reduced. Under mechanical action, i.e. during chemical washing, mud particles carried away by the molecules of the detergent pass into the solution. Detergent molecules are adsorbed on impurities and the washed surface of the membrane, which prevents the particles from solidifying and settling on the membrane surface. As a result, particles of suspension in suspension are stabilized in the solution and removed with it.

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. Alkalinity of the washing solutions is the most important factor affecting the cleaning efficiency, i.e. alkaline additives significantly reduce the concentration of surfactants in the washing solution, at which the maximum washing effect is manifested. In addition, the presence of alkali neutralizes free fatty acids, reduces the contact tension of the solution and saponifies impurities, thereby contributing to the removal of impurities according to the described mechanism.

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. The aqueous phase, which includes surfactants, at low alkalinity does not have sufficient ability to clean the surface of the membranes according to the mechanism described above. With an increase in alkalinity, the washing effect of the aqueous phase increases and reaches its maximum value.

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. It was experimentally determined that the optimal conditions for the regeneration of membrane elements is the aqueous phase obtained after separation of the concentrate, having a pH in the range of 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. A comparative analysis of the proposed solutions with the prototype shows that the proposed method meets the criteria of the invention of "novelty." Comparison of the proposed solution not only with the prototype, but also with other technical solutions in the art did not allow them to identify signs that distinguish the claimed solution from the prototype.

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. The drawing shows a separation scheme of stable water-oil emulsions. The following notation is used in the text: 1 pre-filter; 2 - the capacity of the source fluid; 3 ultrafiltration module; 4 sump; 5 - capacity; 6 mechanical filter; 7 throttle.

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.Example
A water-oil emulsion, for example spent coolant of the NGL-205 type, which includes oil products of 6.2 g / l, surfactant 1.5 g / l, suspended particles of 1 g / l and other impurities, is collected through a pre-filter 1 in a container with jacketed 2 stock solution.

Фильтр предварительной очистки 1 задерживает взвешенные частицы размером более 50 мкм, способные при ультрафильтрационном разделении механически повредить мембрану. The pre-filter 1 retains suspended particles larger than 50 microns, capable of mechanically damaging the membrane during ultrafiltration separation.

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.The solution thus prepared and preheated to a temperature of 45 ^° C is dosed at a flow rate of 1 m ³ / h into the ultrafiltration module 3, while ensuring a flow rate above the membrane of 4 m / s. Using a throttle 7 in the ultrafiltration module create a working pressure of 0.3 MPa.

Постоянную температуру в емкости 2 поддерживают за счет подачи теплоносителя или хладагента в рубашку аппарата. A constant temperature in the tank 2 is maintained by supplying a coolant or refrigerant to the apparatus jacket.

Удельная производительность по пермеату составила 50 л/м²•ч.The specific permeate productivity was 50 l / m ² • h.

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. The concentrate obtained in the ultrafiltration process is returned to the container 2, and the permeate is diverted for further consumption or processing. Upon reaching a degree of concentration of 50: 1 (the ratio of the initial volume to the volume of the obtained concentrate), the ultrafiltration process is stopped.

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. A concentrate containing 260 g / l of petroleum products, 36 g / l of surfactant, and suspended particles of 50 g / l are sent to a heat sump 4, where the concentrate is treated with calcium hydroxide in the form of 45% milk of lime in an amount that provides dose of calcium hydroxide 25 g / l.

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.The resulting mixture is stirred, heated to a temperature of 80 ^o C and maintained at this temperature for 10 hours, while the separation of the oil phase, which is 25% of the total volume.

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.Then the oil phase is removed from the sump 4 and sent for further processing, and the aqueous phase having a pH of 11.0, after separation from the precipitate on a mechanical filter 6 with a retention capacity of 5 μm, is sent to a container 5 for subsequent use in the regeneration of membrane elements. For this, the membrane module is filled with an aqueous phase, which then circulates with a completely open throttle 7. The regeneration process is carried out for 2 hours. During the regeneration process, the concentrate and filtrate are returned to the tank 5 for the aqueous phase. After regeneration, the permeate specific productivity of the membrane elements was completely restored and amounted to 50 l / m ² • h.

Результаты других опытов приведены в таблице. The results of other experiments are shown in the table.

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% ТТТ1 The results of the above experiments show that the use of calcium hydroxide in the amount of 4-50 g / l as a demulsifier makes it possible to completely separate the oil phase from a water-oil emulsion and, using a water phase with a pH of 9.5-12.5 to regenerate membrane elements, restore membrane performance elements for 100% TTT1

Claims (1)

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. The method of separation of stable water-oil emulsions by ultrafiltration, including preliminary cleaning of water-oil emulsions on a coarse filter, subsequent ultrafiltration by continuous removal of permeate and concentrate, utilization of the concentrate, periodic regeneration of the membrane elements with a washing solution, characterized in that calcium hydroxide is additionally added to the concentrate in an amount prior to disposal 4-50 g / l, then thermostat at 20-95 ° C for 3-75 hours, after which the oil phase is disposed of, and the aqueous phase pH 9,5-12,5 serves for regeneration of the membrane elements.

Images