Яхина Л.И., Назаров А.М.
ВОЗМОЖНЫЕ РЕШЕНИЯ ДЛЯ УТИЛИЗАЦИИ ОТХОДОВ МЕТАЛЛООБРАБОТКИ *
Аннотация:
используемые эмульсии следует обрабатывать таким образом, чтобы свести к минимуму отходы. Обработка может быть проведена в том же месте, где производятся отходы, или отходы могут быть доставлены в сервисные компании. В этой статье представлены сравнительные результаты расслоения эмульсионных отходов физическими и химическими методами, с особым акцентом на отделение от экологического полиэлектролита. Результаты испытаний на расщепление таким образом показывают отличное разделение в минеральном масле, хорошее качество водной фазы и масляной фазы, которые могут быть использованы в качестве альтернативного топлива
Ключевые слова:
отработанные эмульсии для металлообработки, физико-химическая обработка отработанных эмульсий, загрязнение и защита воды
УДК 628.477
Яхина Л.И.
магистрант 3 курса
Экологический инжиниринг и аудит,
Уфимский государственный нефтяной технический университет
(г. Уфа, Россия)
Научный руководитель:
Назаров А.М.
проф. д-р хим. наук.,
Уфимский государственный нефтяной технический университет
(г. Уфа, Россия)
ВОЗМОЖНЫЕ РЕШЕНИЯ ДЛЯ УТИЛИЗАЦИИ
ОТХОДОВ МЕТАЛЛООБРАБОТКИ
Аннотация: используемые эмульсии следует обрабатывать таким образом, чтобы свести к минимуму отходы. Обработка может быть проведена в том же месте, где производятся отходы, или отходы могут быть доставлены в сервисные компании. В этой статье представлены сравнительные результаты расслоения эмульсионных отходов физическими и химическими методами, с особым акцентом на отделение от экологического полиэлектролита. Результаты испытаний на расщепление таким образом показывают отличное разделение в минеральном масле, хорошее качество водной фазы и масляной фазы, которые могут быть использованы в качестве альтернативного топлива.
Ключевые слова: отработанные эмульсии для металлообработки, физико-химическая обработка отработанных эмульсий, загрязнение и защита воды.
Использованные эмульсии после механической обработки металла превращаются в отходы. Эмульсии отходов содержат высокую концентрацию соединений, которые считаются вредными для окружающей среды 1. В дополнение к составляющим компонентам, таким как минеральное масло, поверхностно-активное вещество, противозадирные присадки на основе соединений хлора, серы, бора, фосфора и т.п. Изношенная эмульсия может содержать частицы металла, смазку с поверхностей скольжения, неорганические соли, соединения, которые образуются в процессе обработки, а также различные органические загрязняющие вещества. В некоторых странах действуют нормативные акты в области эмульсий, и среди них наиболее существенное влияние оказывает ограничение содержания масла и жира в сточных водах на уровне 100 мг/л в соответствии с нормативами состава сточных вод, сбрасываемых в систему общественной канализации.
Тенденция развития мирового права направлена на снижение предельных значений загрязнения до того, что в некоторых странах оно составляет 10 мг/л. Следовательно, эмульсия должна быть очищена перед сбросом3.
Когда эмульсия добавляется в водоток, не сразу замечается, что было сброшено минеральное масло, поскольку эмульсия представляет собой мелкодисперсную композицию масла в воде. Однако при действии микроорганизмов на эмульгатор в эмульсии минеральное масло начинает выделяться на поверхности воды. Быстрое увеличение потребления кислорода, присутствующего при микробиологическом разложении большого количества органического вещества, значительно изменяет срок службы природных вод. В дополнение к биологическому разложению это приводит к испарению вредных соединений и образованию аэрозолей. Воздействие солнца создает условия для фотоокисления масла в смолу, оседающую на дне и берегах рек, озер или моря, и ее очень трудно удалить. Отделившиеся масляные пятна могут находиться на значительном расстоянии от города для зацепления, так что трудно найти безответственного виновника. Минеральное масло, сбрасываемое в водотоки, может вызвать множество неприятных последствий, таких как покрытие поверхности воды, что препятствует естественной аэрации воды и вызывает риск пожара, токсичное воздействие на некоторые формы жизни в воде, что делает воду и рыбу безвкусными.
Особое внимание следует уделить загрязнению подземных вод минеральным маслом, поскольку оно придает воде для питья отвратительный вкус даже в разведении 1:106 и остается в течение нескольких десятилетий разлагаемым микроорганизмами. Из-за трудной биоразлагаемости минерального масла его все чаще заменяют синтетическими эфирами, которые, как считается, поддаются биологическому разложению6. В этом случае это уменьшит потребность в разделении эмульсий, но не устранит ее полностью, поскольку эмульсия выгружается в свежем виде, а затем загрязняется.
На промышленных предприятиях проблема утилизации отработанной эмульсии решается двумя способами: путем привлечения специализированной компании, занимающейся переработкой эмульсии сточных вод, или строительством собственных установок.
Эмульсии для охлаждения и смазки при обработке металлов представляют собой композиции, диспергирующие масло в воде и регулируемые электронным способом действием поверхностно-активных веществ – эмульгаторов. Они могут дестабилизировать электрическую возмущающую силу вовне. Во время нанесения происходит расслоение эмульсий за счет изменения рН, изменения состава эмульсии из-за микробиологической деградации, действия металлических частиц, попадающих в масло со скользящими поверхностями и т.д. Измельченная эмульсия может быть получена путем применения активных веществ, высоких температур или фильтрации с микронным размером пор.
Существует три типа нестабильности эмульсии, и это: создание "молочного слоя", инверсия и деэмульгирование. Все три типа нестабильности, каждый сам по себе, являются состоянием эмульсионной композиции. Часто, однако, они связаны друг к другу и для завершения деэмульгирования эмульсии проходит через все три стадии [1].
Вначале стабилизация эмульсии производилась путем коагуляции с образованием более крупных частиц масла. Этот процесс все еще обратим. Во втором случае это приводит к образованию еще большего осаждения частиц или, которые находятся под воздействием гравитационных сил, выделяемых на поверхность. Это создание так называемого молочного слоя или пенки, где на самом деле существует два типа эмульсий. Верхний слой представляет собой концентрированные эмульсии с большей долей масла, в то время как остальная часть – из более бедных минеральных масел. После создания более толстого слоя процесс продолжается до конца – происходит разделение эмульсий и остаются прозрачные водные и масляные слои.
Одной из важных характеристик нестабильности эмульсии является инверсия, когда эмульсия типа "масло в воде" переходит во вторую форму эмульсии типа "вода в масле". В эмульсии без масла, диспергатора и водной дисперсионной фазы, и на вид это намного плотнее, чем классическая эмульсия без масла. В дополнение к вышеупомянутым причинам нестабильности, инверсия может произойти, когда чрезмерное перемешивание из-за случайного движения молекул разрушает мономолекулярный слой и приводит к перегруппировке. В эмульсии частицы масла объединяются, проходя через так называемую промежуточную стадию, когда дело доходит до появления воды, которая остается "захваченной" в масле, и получается эмульсия типа "вода в масле" [2].
Знание механизма нестабильности эмульсии очень важно, поскольку из него можно сделать вывод о возможностях разделения отработанной эмульсии.
Было разработано множество различных методов переработки отходов эмульсиона. Отработанная эмульсия может быть получена первичным, вторичным и третичным способами. Основные методы включают механическое отделение плавающего масла и консистентной смазки от опилок или других частиц, собранных во время обработки. Для этой цели могут быть использованы различные сепараторы и фильтры.
Процедуры вторичной обработки включают все действия, которые приводят к разделению из нефти из водной фазы. Процедура называется разделением эмуляции. Разделение может быть достигнуто физическими и химическими (разделение кислотами, эмульгаторами, адсорбцией) или термомеханическими методами обработки (выпаривание, экстракция, ультрафильтрация). Лучший маслянистый слой с поверхности можно легко удалить с помощью так называемых скиммеров.
Физико-химические методы разделения не требуют дорогостоящих установок и подходят для небольших объемов эмульсии или для малого бизнеса или мастерской. По физико-химическим процедурам разделения эмульсии могут быть разделены на две части: неорганические электролиты (кислоты и соли многовалентных металлов) или органические электролиты (высокомолекулярные деэмульгаторы-электролиты).
Механизм действия электролита заключается в нейтрализации или разрушении эмульгатора. Разделение неорганических электролитов обеспечивает хорошую сепарацию масла, но у него больше недостатков. К ним относятся: потребность в большом количестве электролита, происходит вторичное осаждение и значение рН водной фазы очень низкое, что требует еще большей дополнительной нейтрализации. Отделение органического электролита имеет значительное преимущество по сравнению с разделением неорганических электролитов, например, при отличном отделении масла требуется небольшое количество электролита, значение рН водной фазы нейтральное и не требует дополнительной нейтрализации и последующего осаждения солей.
После разделения отдельных фаз эмульсии она должна быть дополнительно обработана третичными методами. Маслянистый слой может быть удален любым способом сжигания: в качестве альтернативного топлива на существующих электростанциях или в специально сконструированной мусоросжигательной установке. Водный слой желательно, при необходимости, обрабатывать электрохимическими или биологическими способами16.
Выбор способа обработки эмульсии зависит от состава эмульсии (эмульгатор, минеральное масло и т.д.), уровня примесей, количества эмульсии, инвестиционных затрат, затрат на производство (химикаты, энергия) и на удаление вторичных отходов [3].
Разделение эмульсии осуществляли с использованием двух физико-химических методов:
- Разделение кислотой – в качестве электролита использовалась 30%-ная серная кислота. Эмульсию с 30%-ной кислотой нагревали при температуре 100oC в течение 2 ч до полного разделения масляной и водной фаз.
- Процедуры разделения эмульсии деэмульгаторами, т.е. отделение
2% водного раствора органического полиэлектролита. Этот способ разделения предполагает использование деэмульгирующей эмульсии катионного типа, поскольку эмульсия для металлообработки стабилизируется в основном анионными и неионными эмульгаторами. Образовавшаяся таким образом соль без электрического заряда собирается в более крупные агломераты. Схема действия с деэмульгатором приведена на рисунке 1.
Рисунок 1. Схема действия с деэмульгатором
Рабочие эмульсии. Для тестирования процесса разделения были использованы эмульсии трех различных видов E1, E2 и E3, маркировка W относится к использованной эмульсии, значения которой сравниваются с соответствующими свежими эмульсиями.
Свойства тестируемых эмульсий. Свойства испытанных эмульсий определялись стандартными методами тестирования охлаждающих и смазочных жидкостей при механической обработке металлов. Качество слоев воды было определено путем тестирования воды, и на ней есть маркировка: VSK – водный слой после разделения кислотой, VSD – водный слой после разделения деэмульгаторами.
Теплотворную способность масляного слоя определяли по методу ASTM D 2382. Содержание металла определяли методом атомно-абсорбционной спектроскопии.
Эмульсия для обработки алюминия E1 состоит из минерального масла, натурального масла, синтетических эфиров, производных борной кислоты и эмульгаторов. Для отделения этой эмульсии требовалась относительно высокая концентрация деэмульгатора, поскольку эмульсия очень стабильна. Отработанная эмульсия E 1W эксплуатируется уже 7 месяцев. Из-за ухудшения качества эмульсии для разделения необходимо меньшее количество деэмульгатора.
Эмульсия E2 W состоит, помимо воды, из минеральных масел, натуральных масел, амина, производного борной кислоты и эмульгатора. Эмульсия применялась для охлаждения и смазки при механической обработке черных металлов.
Также разделение эмульсий, которые менее вредны для окружающей среды и человека, среди них эмульсии без красителя-этаноламина, без соединений хлора и без соединений, содержащих ароматическое ядро. Использованная эмульсия E3 W использовалась на машинах для стальных винтов в расчете на трехмесячный период. Из-за большого притока масла с поверхности скольжения он имеет более высокое содержание минерального масла, что сокращает срок его службы [4].
Разделение эмульсии физико-химическими методами, кислотой и деэмульгатором было успешно осуществлено. Образующиеся слои воды и масла полностью разделяются.
Концентрация деэмульгатора для каждой эмульсии различна и зависит от типа эмульсии: молочной, полусинтетической, биостабильной, концентрации эмульсии, возраста или загрязнения эмульсии.
Оценка качества водных слоев на содержание трески, БПК, нефти и загрязняющих веществ аналогична. Химическое и биологическое потребление кислорода было снижено более чем на 80 или 90%. Это было достигнуто за счет снижения содержания масла более чем на 99%. Содержание моющих средств уменьшается. Эти значения были ниже предельных значений Постановления о составе сточных вод, сбрасываемых в общественную канализационную систему. Принимая во внимание содержание масел и жиров, чтобы заказать минеральное масло, слои воды можно сбрасывать в канализацию. Однако после отделения водного слоя, который имеет кислотное значение рН 1, следует дополнительно обработать нейтрализацией.
После длительного использования некоторые эмульсии могут содержать большее количество металлов, чем допустимо. Такая водная фаза перед сбросом в канализацию должна быть дополнительно обработана подходящим способом для удаления металлосодержащих соединений. Маслянистый слой после отделения от изношенной эмульсии при металлообработке может быть полезен для применения в качестве альтернативного топлива, а также в существующих энергетических или производственных установках.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ:
Номер журнала Вестник науки №12 (57) том 3
Ссылка для цитирования:
Яхина Л.И., Назаров А.М. ВОЗМОЖНЫЕ РЕШЕНИЯ ДЛЯ УТИЛИЗАЦИИ ОТХОДОВ МЕТАЛЛООБРАБОТКИ // Вестник науки №12 (57) том 3. С. 479 - 487. 2022 г. ISSN 2712-8849 // Электронный ресурс: https://www.вестник-науки.рф/article/6812 (дата обращения: 20.04.2024 г.)
Вестник науки СМИ ЭЛ № ФС 77 - 84401 © 2022. 16+