V Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
Исследование и сравнение эффективности способов разделения смазочно-охлаждающих жидкостей
Автор работы награжден дипломом победителя II степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
Введение:
Актуальность: Современное оборудование и технологии позволяют обрабатывать металлы различными способами. Все они приводят к нагреванию и деформации детали, а также в дальнейшем к порче оборудования. По этой причине, на предприятиях используют смазочно-охлаждающие жидкости (СОЖ). Содержание в них воды снижает температуру процесса обработки до оптимальной за счёт теплообмена, а наличие смазывающих свойств масла снижает трение в зоне обработки детали.
Смазочно-охлаждающие жидкости, в процессе своего использования, изнашиваются и требуют утилизации или регенерации для повторного использования. Утилизация должна происходить путём сжигания или захоронения, но отработанная СОЖ содержит большие объёмы воды. Поэтому её невозможно утилизировать сразу. Для регенерации эмульсию разделяют на масло и воду, которые очищают и затем повторно используют для создания СОЖ. Остатки, качественная очистка которых невозможна, утилизируют. Степень качества разделения воды и масла очень важна, так как сокращение утилизируемой СОЖ, ведёт к снижению количества вредных стоков и потреблению чистой воды для создания новой СОЖ, что улучшает состояние экологической обстановки.
В настоящее время на волгоградском металлургическом комбинате «Красный Октябрь» более 10 загрязняющих веществ, в том числе смазочно-охлаждающая жидкость, не проходят нужную очистку и утилизируются путем попадания в Волгу. Поэтому данная работа является актуальной для металлургического комбината «Красный Октябрь», поскольку она направлена на выбор способа для максимального разделения воды и масла, так как сокращение утилизируемой СОЖ ведёт к снижению количества вредных стоков и потреблению чистой воды для создания новой.
Цель: Исследовать способы разделения эмульсий на их эффективность и экономическую выгоду.
Задачи:
- изучить литературу по данному вопросу
- изучить методики синтеза смазочно-охлаждающих жидкостей
- изучить способы разделения смазочно-охлаждающих жидкостей
Объект исследования: эмульсии, флокулянты, поверхностно-активные вещества и неорганические кислоты.
Предмет исследования: свойства устойчивых эмульсий и эффективность способов их разложения.
Методы исследования: изучение литературы, эксперимент, анализ, синтез.
Практическая значимость нашей работы заключается в том, что на металлургических предприятиях используются большие объемы смазочно-охлаждающих жидкостей, которые необходимо разделять наиболее экономичным способом, а также сокращение выбросов ведет к улучшению экологической обстановки.
ГЛАВА 1. ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ
1.1. Смазочно-охлаждающая жидкость (СОЖ)
Смазочно-охлаждающие жидкости (СОЖ) – жидкие системы, представляющие собой эмульсии, состоящие из микроскопических капель (глобул) одной жидкости – дисперсной фазы, в другой – дисперсионной среде. Причём жидкости взаимно несмешивающиеся. Одна из жидкостей, как правило, вода. Вторая состоит из слабополярных молекул (жидкие углеводороды, жиры) Есть два вида эмульсий: прямые и обратные. Первые представляют собой капли масла в воде, а вторые - воды в масле.
Смазочно-охлаждающие жидкости разделяют на несколько видов:
1) Натуральные: содержат воду и масло, а также небольшое количество химических веществ.
2) Полусинтетические: содержат воду, большое количество присадок, эмульгаторов и других химических веществ, в меньшей степени масло.
3) Синтетические: они не содержат в своём составе масло.
Смазочно-охлаждающая жидкостьжи
Натуральные
Синтетические
Полусинтетические
Смазочно-охлаждающие жидкости используются при обработке металлов резаньем или давлением. При резке металл начинает нагреваться, что может привести к его деформации и неточности выполняемой работы, а также к порче оборудования. СОЖ снижает температуру свойствами одного из компонентов - воды и понижает изнашиваемость, смазывая металл, благодаря маслу.
Регенерация
Разделение
Отработанная СОЖ
Станок
Утилизация
Для создания СОЖ рекомендовано использовать воду питьевого качества.
В процессе использования СОЖ необходимо поддерживать на уровне работоспособности. Для этого её следует очищать от механических примесей и следить за составом, так как снижение концентрации компонентов в воде может вызывать размножение микроорганизмов, снижение эмульсионной стабильности, ухудшение рабочих параметров и увеличение коррозионной активности, а увеличение содержания компонентов в воде приводит к повышенному пенообразованию, что ухудшает отвод тепла и отрицательно влияет на работу металлообрабатывающего оборудования. Кроме того, высокая концентрация компонентов отрицательно влияет на внешнее покрытие станков и механизмов и может вызывать дерматиты у рабочих. Тем не менее СОЖ имеют свой срок службы, после чего их необходимо заменить. Отработанную СОЖ утилизируют в соответствии с природоохранными нормами данного региона, а так как в составе содержится в среднем 3% органических соединений, которые могут рассматриваться как загрязнения при сбросе в естественные водоемы или на водоочистные сооружения, необходимо разделение эмульсий на воду и масло.
1.2.Способы разрушения эмульсий
1.2.1. Разрушение эмульсий поверхностно-активными веществами
Поверхностно-активные вещества (ПАВ) – химические соединения, которые, концентрируются на поверхности раздела фаз и снижают поверхностное натяжение. Простой пример поверхностно-активных веществ – мыло, смесь натриевых солей карбоновых кислот. Мыло хорошо отделяет жир от других поверхностей. Один конец молекулы мыла растворяется в воде, а другой в жире, тем самым отделяя жир, который после вымывается водой.
ПАВ
Поверхностно-активные вещества разделяют на две группы: ионогенные и неионогенные. Ионогенные в растворе диссоциируют на ионы, таким образом, в зависимости от того, какие ионы являются поверхностно-активным, разделяют катионные и анионные ПАВ.
Неионогенные
Ионогенные
Катионные
Анионные
Неионогенные поверхностно-активные вещества представляют собой соединения, состоящие из гидрофобной (углеводородный радикал) и гидрофильной части (чаще всего, оксиэтилированная или оксипропилированная цепочка) Длинной гидрофильной и гидрофобной части молекулы можно варьировать свойства ПАВ.
Этиленоксид
1,2-пропиленоксид
Обычно R’- Углеводород от C₉ до C₁₆
1.2.2.Разрушение эмульсий флокулянтами
Флокулянты – соединения, представляющие собой полимеры, нарушающие стабильность коллоидного раствора, содержащего загрязнения. Коллоидные растворы – системы, промежуточные между истинными растворами и грубодисперсными системами. В них частицы сами не выпадают в осадок. Примером коллоидных растворов могут служить дым, суспензия, а также эмульсия. В водных растворах частицы окружены водой и заряженными ионами, что не позволяет им притягиваться и объединяться. Флокулянт оседает на поверхности частиц и нарушает стабильность системы.
Флокулянты, как и поверхностно-активные вещества, делятся на две группы: неионные и ионные, последние также делятся на катионные и анионные.
Флокулянты
Неионные
Ионные
Катионные
Анионные
Принцип действия неионных флокулянтов заключается в образовании водородных связей между полимером и кислородом или азотом, содержащихся во взвешенных частицах.
Анионные флокулянты не только образуют водородные связи, но также благодаря отрицательному заряду дополнительно связываются с катионами частиц в растворе.
Катионные флокулянты также образуют дополнительные связи, но между положительно заряженным катионом полимера и отрицательно заряженным анионом частиц.
В настоящее время флокулянты используют для очистки воды от загрязнений.
1.2.3.Разрушение эмульсий неорганическими кислотами
Этот способ является одним из самых экономичных и действенных. Применяются использующиеся при травлении на металлургических заводах серная и хлороводородная кислоты. Но одна из главных проблем разделения эмульсий таким способом с точки зрения экологии – это большое содержание кислот в отделенной воде. Следовательно, необходима дополнительная очистка воды – нейтрализация кислоты.
H₂SO₄+Ba(OH)₂=BaSO₄↓+2H₂O
HCl+NaOH=NaCl+H₂O
1.2.4.Разрушение эмульсий адсорбентами
Процесс включает введение гигроскопичного мелкодисперсного силикагеля (SiO₂) в эмульсию. Насыщенный маслом и водой, он отделяется от раствора, а позже утилизируется. Этот метод является затратным, поэтому его чаще используют для адсорбции остатков эмульсии после разделения вышеперечисленными способами.
ГЛАВА 2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ
Эксперимент проводился на базе лаборатории «ООО СМ сервис» города Волгограда.
2.1.Выбор веществ для разделения смазочно-охлаждающей жидкости
1.Лапрол 5003 Неионогенный деэмульгатор
Оксиэтилированный и оксипропилированный глицерин.
Первым этапом глицерин вступает в реакцию с пропиленоксидом. Затем добавляют этиленоксид. Таким образом, конечная молекула содержит 11-13,5% этиленоксида по массе.
Молекула Лапрола 5003 выглядит:
2) Дипроксамин – неионогенный деэмульгатор.
Оксиэтилированный и оксипропилированный этилендиамин.
Дипроксамин является одним из универсальных отечественных деэульгаторов.
3) ВПК – катионный флокулянт
Полидиаллилдиметиламмоний хлорид
n=3500-3700
4) Магнафлок ЛТ 27 – анионный флокулянт
Полиакрилиламид
5) Серная кислота 96%
6) Хлороводородная кислота 33%
2.2. Создание образца смазочно-охлаждающей жидкости
Для создания смазочно-охлаждающей жидкости мы смешали 7,5 г готового концентрата «Мирол» и 142,5 г воды. Таким образом, было получено 150 г 5% смазочно-охлаждающей жидкости. Данная СОЖ используется для лезвийной обработки черных металлов и алюминиевых сплавов. Концентрат изготавливается на основе минерального масла с добавлением эмульгаторов и ингибиторов коррозии. (Приложения 1 – 2)
2.3. Разделение смазочно-охлаждающей жидкости
В шесть мензурок был разлит образец СОЖ по 25 мл. Далее в каждую мы добавили по 3 мл исследуемого вещества. Образцы нагревали на водяной бане в течение часа. Были получены следующие результаты.
(Приложения 3 – 4)
2.3.1.Разделение деэмульгаторами
|
Лапрол 5003 |
Дипроксамин |
|
Нет отделения масла от воды |
Отделился слой менее 1 мл масла ( |