Промышленные системы водоснабжения и водоотведения. Ресурсосберегаю

самопроизвольному диспергированию загрязнений, перерасходу моющих средств. Особую роль в этом процессе играют диспергирующие аппараты (насосы) и время процесса формирования сточных вод.

Т а б л и ц а 1 . 9

Технологические режимы применения водных растворов СМС

Изменение состава моечных вод происходит под влиянием многих факторов. Их классификация дана в табл. 1.10.

Т а б л и ц а 1 . 1 0

Классификация факторов изменения состава моечных вод в процессе их эксплуатации

32

О к о н ч а н и е т а б л . 1 . 1 0

Роль отдельных факторов в общем процессе неоднозначна. Следствием взаимодействия очищающей среды с загрязнением является насыщение ее нефтепродуктами и механическими примесями. Это ведет к изменению физико-химических характеристик растворов. Следует отметить, что загрязненность раствора имеет три характерных периода:

1)интенсивное накопление загрязнения в начале эксплуатации очищающей среды;

2)период относительной стабилизации степени загрязненности раствора;

3)период существенного ухудшения эксплуатационных характеристик с одновременным увеличением концентрации эмульгированного и суспендированного загрязнения.

33

Термическое разложение топлива, масел, смазок протекает по двум основным направлениям: 1) углеводороды → перекиси → нейтральные смолы → асфальтены → карбены и карбоиды; 2) углеводороды → оксикислоты → кислые смолы.

Последний период изменения физико-химических и эксплуатационных характеристик моющих растворов в процессе эксплуатации происходит вследствие реакций, протекающих при накоплении загрязнений, добавлении препарата для подкрепления раствора, дегидратации ПАВ при нагреве, адсорбции ПАВ и электролитов, эмульгировании и суспендировании загрязнений. Отмываемые загрязнения переходят в состав водного раствора СМС и образуют весьма сложную дисперсную систему, в которой одна часть компонентов находится в молекулярнодисперсном состоянии, другая − в виде коллоидных частиц, третья − в виде крупных нерастворимых образований, а четвертая − представляет собой эмульсию «масло в воде», стабилизированную различными эмульгаторами. Синтетические моющие средства интенсифицируют моющее действие водных растворов, улучшают качество отмыва загрязненных поверхностей, увеличивают кратность использования воды. Однако их присутствие имеет негативный характер при решении обратной задачи − очистке раствора. Поверхностно-активные вещества активно взаимодействуют с частицами отмываемого загрязнения. Из общего состава загрязнений следует выделить остатки горючесмазочных веществ (ГСМ).

Именно взаимодействие ПАВ и ГСМ определяет основные свойства загрязненных растворов. Технология применения моющих растворов способствует образованию высокодисперсной фазы. В процессе формирования и очистки загрязненных моющих растворов решаются противоположные задачи. В процессе моечной операции стабилизация отмытых загрязнений является необходимым условием. При регенерации очищающей среды действие стабилизатора препятствует удалению суспендированных и эмульгированных загрязнений. В равной степени гидро-

34

фильные и гидрофобные поверхностно-активные вещества неионогенного типа способны работать в условиях как щелочных, так и кислых сред. Поочередно создавая условия существования эмульсий «масло в воде» и «вода в масле», можно решать задачу дестабилизации загрязнений и обеспечить своевременную очистку растворов.

На основании приведенных научных данных по применению современных моющих средств и по исследованию загрязнений, поступающих в водный раствор в процессе эксплуатации, можно сделать следующее обобщение: загрязненные моющие растворы имеют свойства концентрированных эмульсий. Стабилизатором эмульсии в отработанных растворах являются синтетические моющие средства, составляющие смеси по- верхностно-активных веществ и электролитов. Высокая устойчивость эмульсии положительно влияет на моющие свойства растворов, однако значительно затрудняет решение обратной задачи – удаления загрязнений из объема очищающей среды при регенерации. В основу технологии очистки растворов следует положить возможность стабилизатора эмульсии изменять свои свойства.

1.4.ВИДЫ СТАБИЛИЗАЦИИ ЧАСТИЦ ЗАГРЯЗНЕНИЙ

ИМОДЕЛЬ МИЦЕЛЛЫ ЗАГРЯЗНЕНИЙ МОЕЧНЫХ ВОД

1.4.1. Виды стабилизации частиц загрязнений

Степень устойчивости коллоидных систем обусловливается составом и строением межфазных адсорбционных слоев, которые определяют свойства частиц.

Коллоидная частица представляет собой сложное образование, в котором ядро находится в определенной физикохимической связи с окружающей средой (раствором) через стабилизирующий двойной электрический слой ионов, а в ряде случаев через прочную сольватную оболочку из молекул растворителя (рис. 1.12).

35

ку между частицами исчезают силы электростатического отталкивания.

Следовательно, чем больше величина диффузионного слоя, тем больше потенциал и сила отталкивания между частицами. Сжатие двойного электрического слоя и нейтрализация потенциала вызывают коагуляцию дисперсных частиц. Сжатие диффузионного слоя наступает в результате воздействия на систему электролитов. В случае прибавления электролитов концентрация ионов в диффузионном слое увеличивается, и для компенсации зарядов на поверхности частиц требуется меньший объем диффузионного слоя, т.е. происходит как бы его сжатие. Когда диффузионный слой сжимается до величины адсорбционного слоя, потенциал равен нулю. В этот период коллоидные частицы находятся в изоэлектрическом состоянии, вследствие чего устраняются причины, препятствующие сближению, и коллоидные частицы, слипаясь, начинают выпадать из раствора. Следует отметить, что понижение величины ξ -потенциала может быть достигнуто также путем адсорбции ионов, добавлением неэлектролитов, образующих сольваты и гидраты со средой, при поверхностных химических реакциях. Однако во всех случаях возможность коагуляции возрастает при снижении величины потенциала. Таким образом, электрокинетический потенциал может рассматриваться как мера устойчивости коллоидной системы и как мера сопротивления коагуляции.

Такой вид стабилизации частиц дисперсной фазы характерен для «чистых» эмульсий. В присутствии стабилизатора коллоидной системы (синтетического моющего средства) частицы загрязнений обволакиваются компонентами СМС. На поверхности частиц образуются прочные, агрегативно-устойчивые оболочки, препятствующиекоалесценции частиц.

Молекулы ПАВ олеофильной головкой проникают в объем масляной частицы, оставляя на поверхности гидрофильный хвостик. Минеральные частицы загрязнений, покрытые масляной пленкой, ведут себя аналогично каплям масла. Электроли-

37

ты СМС создают в системе условия для существования системы типа «масло в воде».

1.4.2. Модель мицеллы загрязнений моечных вод

При разработке модели использована формула загрязнения моечных вод:

ПАВ + Э + НП + ВВ,

где ПАВ – поверхностно-активные вещества, Э – электролитические компоненты СМС, НП – нефтепродукты, ВВ – взвешенные вещества.

Модель мицеллы загрязненных моечных вод показана на рис. 1.13.

Рис. 1.13. Модель мицеллы загрязнения моечных вод:

1.5. МИЦЕЛЛЯРНЫЕ СВОЙСТВА ЗАГРЯЗНЕННЫХ

МОЕЧНЫХ ВОД

1.5.1. Критическая концентрация мицеллообразования

В настоящее время использование мицелл в качестве модельных систем при решении различных проблем, относящихся к коллоидным системам в целом, применимо в мономер-мицеллярных

38

равновесных системах для моделирования гидрофобных взаимодействий, которые представляют большой интерес, значительно расширяют областьприложенийявлениямицеллообразования.

Фундаментальной характеристикой мицеллообразующих мономеров является их дифильность, т.е. присутствие в одной и той же молекуле или ионе полярной и неполярной частей. В водных системах полярная часть молекулы (головка) гидрофильна, а неполярная (хвост) − гидрофобна. Известен широкий набор дифильных мономеров.

Обычная классификация неионогенных, анионных, катионных поверхностно-активных веществ (ПАВ) основана на свойствах головки молекулы. Ионные ПАВ, разумеется, всегда связаны с противоионами, и их свойства существенно зависят от природы противоионов. Гидрофобная часть молекулы может состоять из углеводородной цепи различной длины, иногда она содержит ненасыщенные или ароматические фрагменты, может быть частично или полностью галогенирована, как, например, в случае фторуглеродных ПАВ, она может также иметь разветвленную структуру, состоять из двух или более цепей. Дифильные молекулы имеют тенденцию собираться на поверхностях раздела, где гидрофобные группы частично или полностью изолируются от воды, а гидрофильные группы остаются погруженными в воду.

Этой общей тенденцией объясняется их поверхностная активность, т.е. способность адсорбироваться на границе раздела «вода – воздух» или «вода – масло» и смачивать поверхности гидрофобных твердых веществ, таких как углерод, или связываться с макромолекулами типа белков. Та же двойственная тенденция, основанная на асимметричном строении молекул, обеспечивает образование структур типа мыльных пленок и бимолекулярных слоев. Cтроением молекул обусловлена самоассоциация в растворе, приводящая к образованию агрегатов, в которых органические фрагменты молекул сближены так, что общая площадь контакта гидрофобных групп растворенной молекулы с водой уменьшена. Для детергентов и других ПАВ с гибкой гидрофобной частью молекулы самоассоциация в водных растворах приводит к образованию мицелл.

39

Критическая концентрация мицеллообразования (ККМ) – важнейший параметр мицеллярных растворов. Учитывая важность этой величины и встречающееся иногда неправильное ее толкование, атакже в связи с проблемами интерпретации данных по самоассоциациигидрофобных молекул различнойструктурывневодных средах, следует обсудить этот вопрос довольно подробно. Многие исследователи отмечали, что образование мицелл начинается или становитсязаметнымвышенекоторойобластиконцентрации.

Поверхностно-активные вещества в растворах часто образуют коллоидные ассоциаты, т.е. они имеют тенденцию образовывать мицеллят-агрегаты из длинноцепочечных дифильных молекул или ионов ПАВ, образующихся самопроизвольно в их растворах при определенной концентрации, зависящей от природы полярной группы и особенно от длины цепи молекулы. Вводных растворах ассоциация части молекул (ионов) происходит в результате сцепления углеводородных цепей, а в неводных (неполярных) средах − за счет полярных (функциональных) групп. Существует сравнительно узкая область концентраций, ниже которой мицеллы практически не образуются, тогда как при более высокой концентрации добавленное ПАВ образует мицеллы. Критическая концентрация мицеллообразования определяется как концентрация ПАВ, при которой в его растворе возникает большое число мицелл, находящихся в термодинамическом равновесии с молекулами (ионами), ирезкоизменяется ряд свойств раствора.

Однако во многих случаях упомянутая выше относительно малая область концентраций, которая включает ККМ, слишком узка, чтобы позволить определить значение ККМ точно. Переход вобласти ККМ для систем с гибкими цепями обусловлен кооперативностью процесса самоассоциации, которая делает агрегаты, содержащие много мономеров, значительно более устойчивыми, чем мелкие частицы.

ККМ − одна из наиболее легко определяемых и полезных количественных характеристик водных растворов ПАВ с гибкими цепями. Эта величина имеет ряд приложений в термодина-

40