Применение комплексов полиэлектролит ПАВ для очистки жиросодержащих сточных вод*

Тип работы:
Реферат
Предмет:
Химия


Узнать стоимость

Детальная информация о работе

Выдержка из работы

Ю. В. Шулевич, Тхуи Хыу Нгуен, М. Е. Червятина, А. В. Навроцкий, И. А. Новаков
ПРИМЕНЕНИЕ КОМПЛЕКСОВ ПОЛИЭЛЕКТРОЛИТ — ПАВ ДЛЯ ОЧИСТКИ ЖИРОСОДЕРЖАЩИХ СТОЧНЫХ ВОД*
Волгоградский государственный технический университет E-mail: viskositat@vstu. ru
Изучена возможность использования комплексов на основе катионных полиэлектролитов и додецил-сульфата натрия для очистки жиросодержащих сточных вод. Показано, что комплекс, полученный взаимодействием поли-Ы& quot-, М, М, К-триметил[метакрилоилоксиэтил]-аммоний метилсульфата и додецилсульфата натрия, является наиболее эффективным реагентом и может быть использован в процессах водоочистки на предприятиях пищевой промышленности.
Ключевые слова: катионные полиэлектролиты, поверхностно-активные вещества, комплексы полиэлектролит — ПАВ, флокуляция, жиросодержащие сточные воды.
Очистка сточных вод пищевых предприятий является трудоемкой задачей, потому что такие стоки представляют собой сложную дисперсную систему, содержащую эмульгированные белки, углеводы, липиды, минеральные соли, а также взвешенные вещества, имеющие органическое происхождение [1]. Решение этой задачи заключается в подборе условий и способов дестабилизации устойчивости этих систем.
Достаточно эффективным способом очистки жиросодержащих сточных вод (ЖСВ) как от белковых, так и от жировых загрязнений является метод флотации с предварительной коагуляцией белка неорганическими солями и синтетическими флокулянтами, такими как активная
Работа выполнена при финансовой поддержке Российского фонда фундаментальных исследований (код проекта 09−03−99 006-р_офи) и гранта Президента Р Ф для поддержки ведущих научных школ (код проекта НШ-5459. 2010. 3).
кремниевая кислота, полиакриламид и др. В качестве неорганических коагулянтов используют, как правило, соли железа и алюминия [2, 3]. К недостаткам этого подхода следует отнести низкую флотационную активность жиров и, как следствие, рост оптимальных концентраций реагентов [4]- содержание в очищаемой воде вторичных загрязнений в виде хлоридов и сульфатов, которые не удаляются из нее биологическими методами очистки- необходимость, в ряде случаев, подщелачивания для осуществления гидролиза коагулянта. Последнее не целесообразно, поскольку значение рН среды является строго нормируемым параметром при сбросе сточных вод в канализацию.
Эффективным подходом к очистке ЖСВ может оказаться применение комплексов катионных полиэлектролитов (ПЭ) с противоположно заряженными поверхностно-активными веществами (ПК). Сочетая свойства катионных
флокулянтов и солюбилизирующую способность поверхностно-активных веществ (ПАВ), комплексы подобного типа способствуют более быстрому и полному разделению дисперсий, содержащих эмульгированные жиры [5].
Целью данной работы является изучение флокулирующей способности ПК в отношении жиросодержащих сточных вод.
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ
В работе использовали катионные ПЭ поли -К, К, К, К-триметилметакрилоилоксиэтиламмо-ний метилсульфат (ПДМАЭМА-ДМС) и поли-[К-бензил-К, К-диметил-К-(метакрилоилокси-этил)]аммоний хлорид (ПДМАЭМА-БХ), которые были синтезированы из соответствующих мономеров радикальной полимеризацией с использованием инициатора третбутилперокси-пропанола-2 и воды в качестве растворителя.
В качестве ПАВ использовали додецил-сульфат натрия (ДДС) производства фирмы «Мегск» без дополнительной очистки.
Для изучения флокулирующей способности комплекса использовали модельные ЖСВ, которые получали диспергированием печени трески в дистиллированной воде. Печень трески была выбрана на том основании, что она характеризуется высоким содержанием жирных кислот (67%) и низким содержанием белка (2,4%). В табл. 2 показано содержание основных жирных кислот, входящих в состав печени трески.
Мономеры получали путем алкилирования ди-метиламиноэтилметакрилата диметилсульфа-том или бензилхлоридом. Исходный диметила-миноэтилметакрилат и алкилирующие агенты (диметилсульфат и бензилхлорид) производства фирмы «Aldrich» перед синтезом мономеров перегоняли под вакуумом. Синтезированные мономеры перед проведением реакции полимеризации были перекристаллизованы из ацетона. Определение среднемассовой молекулярной массы полиэлектролитов методом статического светорассеяния проводили на приборе «Photo-Cor FC» («PhotoCor», США) в лаборатории полиэлектролитов химического факультета МГУ им. М. В. Ломоносова. Ошибка в определении не превышала 15%. Структура синтезированных ПЭ и их среднемассовые молекулярные массы приведены в табл. 1.
В модельной ЖСВ варьировали содержание жира, диспергируя в дистиллированной воде различное количество печени трески.
Минимальная концентрации ПЭ, необходимая для образования ПК, оценивалась методом турбидиметрического титрования. Для этого к пробе ЖСВ добавляли раствор ПЭ и при перемешивании добавляли порционно раствор ДДС. После каждой порции ДДС пробу перемешивали в течение двух минут, после чего измеряли оптическую плотность на фотоэлектроколориметре КФК-3.
Таблица 1
Характеристика синтезированных полиэлектролитов
Полиэлектролит Формула элементарного звена Среднемассовая молекулярная масса* Mw-10'-6, г/моль
ПДМАЭМА-ДМС 0H3 *+H20−0_b 0+H3. 0−0-0−0-N-0H, 0 H2 H2 1 -3 0 2 2 0H3 0S030H3 12,0
ПДМАЭМА-БХ 0H3 ^H2^^4^* 0+H3. 0-O-0−0-N-0H3 0 H2 H2 1 3 2 2LJ — 0H2 0l 6 13,3
Примечание. * - [NaCl] = 0,05 моль/л, t = 25 оС, X = 632,8 нм
Таблица 2
Состав и содержание жирных кислот в печени трески
Тривиальное название кислоты Систематическое название кислоты Количество двойных связей в молекуле кислоты Брутто-формула Содержание в печени трески, %
Миристиновая Тетрадекановая 0 С13Н27СООН 8
Пальмитиновая Гексадекановая 0 С15Н31СООН 17
Пальмит-олеиновая 9-гексадеценовая 1 С15Н29СООН 7
Олеиновая цис-9-октадеценовая 1 С17Н33СООН 22
Линолевая 9,12-октадекадиеновая 2 С17Н31СООН 5
Арахиновая Эйкозановая 0 С19Н39СООН 7
Гадолеиновая 9-эйкозеновая 1 С19Н37СООН
Арахидоновая 5,8,11,14- эйкозатетраеновая 4 С19Н31СООН
ЕТК 5,8,11,14,17- эйкозапентаеновая 5 С20Н29СООН 10
Бегеновая Докозановая 0 С21Н43СООН 5
Эруковая (7)-докозен-13-овая кислота 1 С21Н41СООН
ДГК Докозагексаеновая 6 С21Н31СООН 6
Другие жирные кислоты 13
Для изучения влияния времени выдержки в пробы ЖСВ добавляли ПЭ и ДДС в количестве, необходимом для образования комплекса предельного состава. Сточные воды выдерживались 1−3 ч. После чего в сточную воду добавляли вторую порцию ДДС, необходимую для достижения рабочего состава комплекса. Сточные воды перемешивали в течение 15 мин и отстаивали в течение 30 мин, после чего измеряли оптическую плотность на фотоэлектроколориметре КФК-3.
Для проведения химического анализа в пробу ЖСВ добавляли ПЭ и ДДС. Причем ДДС добавляли двумя порциями с интервалом в 3 ч, после чего пробу сточной воды перемешивали, отстаивали и фильтровали.
Определение содержания жира и химического потребления кислорода (ХПК) проводили в соответствие с методиками [6, 7].
ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ
ПК, образованные ионогенными ПЭ и противоположно заряженными ПАВ, интенсивно исследуют в течение последних десятилетий [8, 9]. Устойчивый интерес к таким системам обусловлен их необычными свойствами и возможностями практического применения в области экологии [10, 11], медицины и фармацевтики [12]. Использование полимерных комплексов для решения разнообразных практических за-
дач обусловлено наличием в них мицелл ПАВ, связанных с полимерным клубком солевыми связями и обладающих значительной солюбилизирующей способностью по отношению к органическим соединениям различной природы.
ПК самопроизвольно образуются при смешении водных растворов компонентов за счет электростатического взаимодействия противоположно заряженных групп ПЭ и ПАВ, а также гидрофобных взаимодействий алифатических фрагментов ионов ПАВ, приводящих к их сегрегации и формированию мицеллярной фазы в частицах комплексов.
Связывание ионов ПАВ с ПЭ носит кооперативный характер, то есть начиная с некоторой критической концентрации агрегации ПАВ в растворе, называемой ККА, практически весь ПАВ, добавляемый в систему, связывается с ПЭ. В результате в зависимости от соотношения компонентов в системе вплоть до предельного состава реакционной среды 2пред (под составом реакционной среды, как правило, понимают отношение мольных концентраций ПАВ и ПЭ в системе) образуются растворимые комплексы. При этом растворимость частиц комплекса в растворе обеспечивают свободные, не связанные с ионами ПАВ участки макромолекулы. Предельный состав растворимых комплексов соответствует максимальному содержанию ПАВ в частице комплекса, сохраняющей
свою растворимость. Дальнейшее увеличение количества ПАВ в системе свыше 2пред приводит к фазовому разделению в системе, в результате которого в осадок выделяется нерастворимый в водных средах, как правило, сте-хиометричный комплекс (2стех = 1), а в растворе остается комплекс предельного состава. При 2=1 весь полимер оказывается связанным в нерастворимый комплекс. Общий характер взаимодействия полиэлектролита и ПАВ показан на рис. 1.
Рис. 1. Схематическое изображение изменения оптической плотности (А) от состава реакционной среды (2) в процессе взаимодействия ПЭ с противоположно заряженным ПАВ
В ЖСВ процесс взаимодействия ПЭ с ПАВ протекает аналогично. На рис. 2 в качестве примера показано взаимодействие ПДМАЭМА-ДМС с ДДС.
Однако для формирования комплекса необходима некоторая концентрация ПЭ, так называемая минимальная концентрация, то есть при меньших концентрациях ПЭ формирование комплекса не наблюдается.
Поскольку в процессе очистки любых сточных вод, в том числе и жиросодержащих, необходимо достижение минимальной мутности (оптической плотности), то было введено понятие рабочего состава реакционной среды (7раб), который превышает значение стехиометрично-го состава и обеспечивает минимальную оптическую плотность сточной воды после обработки реагентами (см. рис. 1). Во всех исследованиях 7раб был равен 1. 1−1.3.
Очистка сточных вод от жировых примесей связана с солюбилизацией примесей внутри-комплексными мицеллами, поэтому процесс очистки целесообразно проводить в два этапа. На первом этапе в сточную воду добавляются ПЭ и ПАВ в количестве, необходимом для формирования комплекса предельного состава, а на втором — оставшееся количество ПАВ, необходимое для формирования в системе стехиомет-ричного комплекса и его полного удаления из сточной воды (2раб).
Данные рис. 3 показывают, что наименьшая оптическая плотность сточной воды достигается при добавлении порций ПАВ в сточную воду с интервалом в 2−3 часа.
А
Рис. 2. Зависимость оптической плотности сточной воды (А) от состава реакционной среды (7) на основе ПДМАЭМА-ДМС. Содержание жира в сточной воде — 95 мг/л. Концентрация П Э:
1 — 29 мг/л- 2 — 44 мг/л- 3 — 144 мг/л
Время выдержки, ч
Рис. 3. Зависимость оптической плотности сточной воды (А) от времени выдержки ЖСВ между добавлениями порций ПАВ для формирования комплекса с составами 7пред и 7раб. Содержание жира в сточной воде — 30 мг/л. Концентрация П Э — 14 мг/л
Для оценки эффективности использования комплексов ПЭ — ПАВ для очистки жиросодержащих сточных вод был проведен химический анализ сточной воды до и после ее обработки комплексами с целью определения со-
держания жира и ХПК, характеризующих степень очистки сточной воды.
В табл. 3 приведены данные по очистке сточных вод, полученные методами химического анализа.
Таблица 3
Результаты химического анализа ЖСВ до и после ее очистки ПК на основе исследуемых ПЭ
Характеристики исходной модельной воды Концентрации реагентов, мг/л Характеристики очищенной модельной воды Степень очистки, %
Содержание жира, мг/л ХПК Спэ Спав Содержание жира, мг/л ХПК по жиру по ХПК
Норма показателя
25,0 354,0
ПДМАЭМА-ДМС
47,0 530,3 34,00 37,40 12,0 171,2 74,5 67,7
51,00 61,20 10,5 152,3 77,7 71,3
68,00 78,20 6,3 140,7 86,6 73,5
67,5 860,7 45,33 47,60 20,4 321,2 69,8 62,7
68,00 88,40 12,5 219,3 81,5 74,5
90,67 111,50 4,2 183,7 93,8 78,7
81,7 970,8 45,33 49,90 28,3 436,9 65,4 55,0
68,00 81,60 15,0 291,2 81,6 70,0
90,67 106,10 5,8 242,7 92,9 75,0
ПДМАЭМА-БХ
31,2 437,2 115,52 124,68 19,3 220,1 38,1 49,7
138,62 149,62 16,5 237,4 47,1 45,7
161,72 174,56 17 198,4 45,5 54,6
42,3 502,7 115,52 124,68 32,6 292,5 22,9 41,8
138,62 149,62 25,5 243,7 39,7 51,5
161,72 174,56 24 207,2 43,3 58,8
62,5 837,5 138,62 149,62 57 735,5 8,8 12,2
184,83 199,49 44,5 427,0 28,8 49,0
231,04 249,37 39,7 389,0 36,5 53,6
Как видно из таблицы, ПК на основе ПДМАЭМА-ДМС являются более эффективными в процессе очистки ЖСВ, чем комплексы на основе ПДМАЭМА-БХ. Его использование обеспечивает степень очистки от 65 до 94% в зависимости от дозы реагентов и содержания жира в исходной ЖСВ. Для П К на основе ПДМАЭМА-БХ для достижения показателей, близких к норме, требуются концентрации на порядок больше, чем для ПК на основе ПДМАЭМА-ДМС. Поскольку синтезированные ПЭ характеризуются высокой молекулярной массой, близкой по значению, столь существенную разницу в полученных результатах можно объяснить с позиции лиофилизирующей
способности макромолекул. В работе [13] было показано, что химическая природа ПЭ оказывает существенное влияние на закономерности образования комплексов. В частности, для ряда катионных ПЭ было выявлено, что ПДМАЭМА-ДМС, вследствие наиболее высокой лиофилизирующей способности, характеризуется самым большим значением предельного состава. Для комплексов этого ПЭ с ДДС предельный состав равен 0,5, в то время как для двух других ПЭ, в том числе и ПДМАЭМА-БХ, предельный состав равен 0,1−0,15.
Поскольку предельный состав соответствует максимальному содержанию ионов ПАВ в частице комплекса, сохраняющей свою раство-
римость в воде, а количество солюбилизированного вещества (например, жира) зависит прямо пропорционально от количества ПАВ, то наиболее эффективным в процессе очистки ЖСВ должен быть ПК на основе ПДМАЭМА-ДМС, что и подтверждается результатами, приведенными в табл. 3.
Таким образом, результаты проведенных исследований показывают, что комплексы ПЭ -ПАВ могут быть использованы в процессе очистки жиросодержащих сточных вод. Установлено, что комплекс на основе поли-К, К, К, К-триметилметакрилоилоксиэтиламмоний метил-сульфата (ПДМАЭМА-ДМС), вследствие наиболее высокого значения предельного состава (2 = 0,5), обусловленного высокой лиофилизи-рующей способностью полимерной цепи, является наиболее эффективным реагентом для очистки сточных вод. Его применение позволяет достичь степени очистки ЖСВ по жиру 6594%, ХПК — на 63−79%. Полученные показатели соответствуют нормам, предъявляемым к сбросу сточных вод в городскую канализацию.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Тимофеева, С. С. Современные методы очистки сточных вод на предприятиях пищевой промышленности / С. С. Тимофеева // Химия и технология воды. — 1993. -Т. 15. — № 7−8. — С. 571−577.
2. Матов, Б. М. Флотация в пищевой промышленности / Б. М. Матов. — М.: Пищевая промышленность, 1976. -167 с.
3. Феофанов, Ю. А. Проблемы и задачи в сфере обеспечения населения питьевой водой / Ю. А. Феофанов // Вода и экология. Проблемы и решения. — 1999. — № 1. -С. 4−11.
4. Степанова, Н. В. Влияние жира на коагуляцию белка низкомолекулярными электролитами / Н. В. Степанова, И. Н. Коновалова, П. Б. Василевский, И. Г. Береза // Вода и экология. Проблемы и решения. — 2000. — № 2. -С. 46−53.
5. Пат. 2 324 659 РФ, МКИ7 C 02 F 1/56 C 02 F 103/32. Способ очистки технологических вод / И. А. Новаков, Ю. В. Шулевич, О. Ю. Ковалева, А. В. Навроцкий, В. А. Навроцкий. — Заявл. 09. 01. 2007- опубл. 20. 05. 2008, Бюл. № 14.
6. ПНД Ф 14. 1:2. 122−97 Количественный химический анализ вод. Методика выполнения измерений массовой концентрации жиров в пробах природных и очищенных сточных вод гравиметрическим методом — М., 1997. — 7 с.
7. ПНД Ф 14. 1:2. 100−97 Количественный химический анализ вод. Методика выполнения измерений химического потребления кислорода в пробах природных и очищенных сточных вод титриметрическим методом. — М., 1997. — 23 с.
8. Goddard, E. D. Interaction of Surfactants with Polymers and Proteins / E. D. Goddard, K. P. Ananthapadmanab-han. — London, Tokyo: CRS Press Inc, Boca Raton, Ann Arbor, 1993. — Р. 171.
9. Lindman, B. Interaction of Surfactants with Polymers and Proteins / B. Lindman, K. Thalberg. — London, Tokyo: CRS Press Inc, Boca Raton, Ann Arbor, 1993. — Р. 203.
10. Кабанов, В. А. Полиэлектролиты в решении экологических проблем / В. А. Кабанов, А. Б. Зезин, В. А. Ка-саикин // Успехи химии. — 1991. — №. 3. — С. 595−601.
11. Petzold, G. Preparation and characterization of different polyelectrolyte complexes and their application as floccu-lants / G. Petzold, A. Nebel, H. -M. Buchhammer, K. Lunkwitz // Colloid Polymer Science. — 1998. — Vol. 276. — № 2. -Р. 125−130.
12. Кабанов, В. А. От синтетических полиэлектролитов к полимер-субъединичным вакцинам / В. А. Кабанов // Высокомолекулярные соединения, сер. А. — 2004. — Т. 46. -№ 5. — С. 759−782.
13. Шулевич, Ю. В. Влияние лиофилизирующей способности полимерной цепи на закономерности образования комплексов полиэлектролит — поверхностно-активное вещество / Ю. В. Шулевич, А. В. Навроцкий, В. Г. Скреб-нева, О. Ю. Ковалева, И. А. Новаков // Журнал прикладной химии. — 2008. — Т. 81. — Вып. 1. — С. 112−117.
Yulia V. Shulevich, Thyu Huu Nguyen, Marina Ye. Chervyatina,
Alexander V. Navrotskii, Ivan A. Novakov
APPLICATION OF POLYELECTROLYTE — SURFACTANT COMPLEXES FOR THE TREATMENT OF FAT-CONTAINING WASTE WATER
Volgograd State Technical University
Abstract. Possibility of using complexes based on cationic polyelectrolytes and sodium dodecyl sulfate for purification of fat-containing wastewater was examined. It was shown that the complex based on poly-N, N, N, N-trimethyl[methacryloyloxyethyl]ammonium methyl sulfate is the most efficient reagent.
Keywords: cationic polyelectrolytes, surfactants, polyelectrolyte — surfactant complexes, flocculation, fat-containing waste water.

ПоказатьСвернуть
Заполнить форму текущей работой