Информационное письмо
Образец оформления статьи
Анкета автора
10.07.2015

Влияние параметров коагуляционной очистки воды от промывки целлюлозы на эффективность обезвоживания шлам-лигнина

Троц Елена Сергеевна
Студентка кафедры химии и химических технологий Северного (Арктического) Федерального университета им. М.В. Ломоносова, г. Архангельск, Российская федерация
Повжик Богдан Сергеевич
студент кафедры химии и химических технологий Северного (Арктического) федерального университета имени М.В.Ломоносова, г. Архангельск, Российская федерация
Воронцов Константин Борисович
к.т.н, доцент кафедры химических технологий, Северного (Арктического) Федерального университета им. М.В. Ломоносова, г. Архангельск, Российская федерация
Аннотация: В статье представлены результаты экспериментального исследования влияния факторов процесса коагуляционной очистки воды от промывки целлюлозы на эффективность обезвоживания шлам-лигнина методом центрифугирования. Установлено, что на величину влажности кека и индекса центрифугирования значительное влияние оказывают рН среды и продолжительность обработки коагулянтом.
Ключевые слова: целлюлозно-бумажная промышленность, коагуляция, центрифугирование
Электронная версия
Скачать (675.2 Kb)

На кафедре химии и химических технологий Северного (Арктического) федерального университета имени М.В.Ломоносова разработана технология локальной коагуляционной очистки лигнинсодержащих сточных вод целлюлозно-бумажной промышленности [1,2]. Её сущность заключается в последовательной обработке сточной воды коагулянтом и флокулянтом. В процессе коагуляционной очистки лигнинные вещества переходят в нерастворимое состояние и в виде осадка, который принято называть шлам-лигнином, отделяются от жидкой фазы. В случае отсутствия технологии переработки образующегося осадка он становится источником вторичного загрязнения окружающей среды. Шлам-лигнин является достаточно ценным сырьем, в частности, для синтеза углеродных адсорбентов методом пиролиза [3]. При этом требуется соответствующая подготовка шлам-лигнина к переработке, которая будет заключаться в удалении из осадка влаги. Процесс подготовки должен включать следующие стадии: уплотнение, обезвоживание и сушку осадка. Процесс уплотнения планируется осуществлять путем отстаивания, а обезвоживание – методом центрифугирования [4].

В данной работе приведены результаты исследования влияния факторов процесса коагуляционной очистки на параметры и эффективность обезвоживания шлам-лигнина методом центрифугирования.

Объектом исследований служила вода от промывки целлюлозы, отобранная на ОАО «Архангельский ЦБК» и имевшая следующие характеристики: ХПК – 420 мг О2/л, цветность – 750 оПКШ, рН – 8,6, содержание взвешенных веществ – 0,050 г/л. В качестве реагентов использовали коагулянт – сульфат алюминия и низкокатионный полиакриламидный флокулянт.

Исследования проводили методом планированного эксперимента. В данной работе использовали ротатабельный центральный композиционный план второго порядка для трех факторов. В качестве факторов были выбраны следующие: pH, дозировка коагулянта - Д (в расчете на Al2O3) и продолжительность обработки коагулянтом, τ. Уровни и интервалы варьирования факторов представлены в таблице 1. Выходными параметрами, характеризующими эффективность процесса центрифугирования, служили: индекс центрифугирования (ИЦ) и влажность кека.

Пробы сточной воды обрабатывали раствором коагулянта, исходя из заданных дозировок, затем раствором флокулянта (дозировка 0,1 мг/л). Воду отстаивали в течение 0,5 часа, осадок отделяли и подвергали центрифугированию при следующих условиях: продолжительность – 5 минут, фактор разделения – 2300. После центрифугирования определяли объем кека и рассчитывали индекс центрифугирования, а также определяли влажность кека по методикам, приведенным в работе [4].

Таблица 1 – Уровни и интервалы варьирования факторов

Факторы

Уровни факторов

Шаг

-1

0

1

α

рН (х1)

4,5

5,0

5,8

6,5

7,0

0,7

Д, мг Al2O3/л (х2)

20,0

30,1

45,0

59,9

70,0

14,9

τ, мин (х3)

1,0

1,6

2,5

3,4

4,0

0,9

Полученные экспериментальные данные использовали для расчета коэффициентов уравнений регрессии и разработки статистических моделей, связывающих значения выходных параметров с условиями их получения.

Уравнения регрессии для выходных параметров:

1) влажность кека, W, % 

1.png

2) индекс центрифугирования, ИЦ

2.png

Все вышеприведенные уравнения и модели адекватны: расчетный критерий Фишера оказался меньше табличных значений.

По уравнениям, описывающим математические модели, строили поверхности отклика, которые наглядно демонстрируют влияние режимных параметров на выходные характеристики и представлены на рисунках 1-3. Матрица планирования и результаты экспериментов приведены в таблице 2. На рисунках: 1 и 2представлены поверхности отклика эффективности очистки по объему уплотненного осадка.

Таблица 2 – Матрица планирования и результаты экспериментов

опыта

Параметры очистки

Выходные параметры

pH

Д, мг/л

τ, мин

W, %

ИЦ

1

5

30

1,6

97,61

20,9

2

6,5

30

1,6

97,37

14,7

3

5

60

1,6

96,85

19,8

4

6,5

60

1,6

97,64

22,3

5

5

30

3,4

95,00

10,0

6

6,5

30

3,4

99,39

90,2

7

5

60

3,4

97,25

18,2

8

6,5

60

3,4

96,92

17,1

9

4,5

45

2,5

98,93

46,7

10

7

45

2,5

97,18

20,4

11

5,8

20

2,5

96,08

12,7

12

5,8

70

2,5

96,93

17,9

13

5,8

45

1,0

97,28

19,3

14

5,8

45

4,0

96,54

15,2

15

5,8

45

2,5

97,08

17,1

16

5,8

45

2,5

97,62

23,1

17

5,8

45

2,5

91,03

5,9

18

5,8

45

2,5

97,16

18,5

19

5,8

45

2,5

96,15

14,3

20

5,8

45

2,5

98,24

29,8


Влияние факторов эксперимента на величину влажности кека

Рис.1. Влияние факторов эксперимента на величину влажности кека:
а – при постоянной продолжительности, б - при постоянной дозировке коагулянта, в – при постоянном рН

Определенное влияние на величину влажности кека оказывает рН в процессе обработки сточной воды коагулянтом, на основании представленных данных возможно установить оптимальный интервал данного фактора: 5,5…6,0. Дозировка же коагулянта значительного влияния на рассматриваемый выходной параметр не оказывает. Следует отметить совместное влияние рН и продолжительности обработки коагулянтом: при поддержании рН в оптимальном интервале наименьшее значение влажности кека наблюдается при продолжительности обработки 2,5 минуты. Минимальное достигнутое значение влажности кека составило 96,0…96,5 %.

Влияние факторов эксперимента на величину индекса центрифугирования

Рис.2. Влияние факторов эксперимента на величину индекса центрифугирования:
а – при постоянной продолжительности, б- при постоянной дозировке коагулянта, в – при постоянном рН

Чем меньше величина индекса центрифугирования, тем эффективнее процесс обезвоживания данным методом. При дозировках коагулянта менее 50 мг/л уменьшение значения рН среды в процессе очистки приводит к значительному снижению ИЦ. При дозах же свыше 50 мг/л в исследованном диапазоне определяется оптимум рН, который находится в интервале 5,5…6,0, как и в случае с влажностью кека. Здесь также необходимо отметить, что с ростом дозировки коагулянта снижается степень влияния рН на индекс центрифугирования, и в указанном выше интервале данный параметр имеет минимальные значения, а значит эффективность обезвоживания максимальна. Совместное влияние рН и продолжительности обработки коагулянтом приводит к тому, что при значениях продолжительности менее 3 минут и более 3 минут наблюдаются противоположные зависимости: в первом случае снижение рН отрицательно влияет на ИЦ, а во втором – положительно. Введение низких дозировок коагулянта (20…50 мг/л) приводит к тому, что с ростом продолжительности обработки индекс центрифугирования увеличивается, так как образующийся в таких условиях осадок обладает сравнительно низкой влагоотдающей способностью. В то же время, при больших дозировках (60…70 мг/л) величина ИЦ не зависит от продолжительности обработки и принимает минимальные значения.

В целом, можно заключить, что во влиянии факторов процесса коагуляции и на влажность кека, и на индекс центрифугирования есть схожие закономерности. Оптимальными условиями проведения коагуляционной очистки воды от промывки целлюлозы сульфатом алюминия с точки зрения их влияния на параметры, характеризующие эффективность обезвоживания методом центрифугирования, следует признать: рН – 5,5…6,0, дозировку коагулянта – 60…70 мг/л и продолжительность обработки – 3 минуты.

Список литературы:

1. Байбородин А.М., Воронцов К.Б., Богданович Н.И. «Разработка системы локальной очистки сильнозагрязненных сточных вод целлюлозно-бумажных предприятий» // «Вода: химия и экология», Издательский дом «Вода: химия и экология» (Москва), № 8, 2011, с. 16-21.
2. Байбородин А.М., Воронцов К.Б., Богданович Н.И. «Коагуляционная очистка сильнозагрязненного стока ДПЦ-3 ОАО «Архангельский ЦБК» // «Известия высших учебных заведений. Лесной журнал», № 4, 2012, с. 144-150.
3. Воронцов К.Б., Чалакова Е.С., Богданович Н.И., Соловьева П.В. анализ изотерм адсорбции из жидкой и газовой фаз образцами углеродных адсорбентов термохимической активации шлам-лигнина // Физикохимия растительных полимеров: материалы VI международной конференции – Архангельск: САФУ, 2015, с. 74-79.
4. Троц Е.С., Воронцов К.Б. Оценка эффективности обезвоживания шлам-лигнина методом центрифугирования // Nauka-Rastudent.ru, 2015, № 6 (18), с. 26.