Usuwanie n-butanolu z roztworów wodnych

Abstract

W wielu procesach produkcyjnych przemysłu chemicznego występują ścieki o znikomej zawartości substancji zanieczyszczających. Przykładem może być wodny ściek n-butanolu o stężeniu mniejszym niż stężenie nasycenia. W pracy wykonano próbę zastosowania nowoczesnej metody ekstrakcyjnej „cloud point” do usuwania n-butanolu z roztworów wodnych. W ekstrakcji tego typu wykorzystuje się specyficzne właściwości związków powierzchniowo czynnych, w tym ich zdolność do solubilizacji, oraz zjawisko zmętnienia roztworów związków powierzchniowo czynnych. Jako związek powierzchniowo czynny zastosowano Triton X-114, o temperaturze punktu zmętnienia wynoszącej około 11ºC dla krytycznego stężenia micelarnego (CMC) równego 0,03 % mas. [3]. W wyniku eksperymentów wykonanych w temperaturze 40 ºC otrzymano średni współczynnik podziału n-butanolu równy 0,093.
Autorzy: Edyta ŁYCZAK, Wojciech SKRZYPIŃSKI

1. WPROWADZENIE

Surfaktanty znalazły szerokie zastosowanie w przemyśle głównie dzięki zdolności do micelowania oraz solubilizacji związków organicznych. W roztworach rozcieńczonych związki powierzchniowo czynne występują w postaci pojedynczych cząsteczek (monomerów). W miarę zwiększania stężenia surfaktantu powierzchnia cieczy całkowicie pokrywa się jego cząsteczkami, co odpowiada, na przykład osiągnięciu minimalnego napięcia powierzchniowego cieczy. Dalsze dodawanie surfaktantu powoduje jedynie tworzenie się skupisk molekularnych tego związku wewnątrz cieczy. Tak powstałe roztwory nazywane są układami micelarnymi, a skupiska cząsteczek związku powierzchniowo czynnego - micelami. Stężenie związku powierzchniowo czynnego, powyżej którego obserwuje się zmian napięcia powierzchniowego cieczy, nosi nazwę krytycznego stężenia micelarnego (CMC - critical micelle concentration).

Rozpuszczalność środków powierzchniowo czynnych w wodzie w zależności od temperatury różni się znacznie od rozpuszczalności innych związków. W niskich temperaturach rozpuszczalność jest nieznaczna, jednak od pewnej temperatury zwanej punktem Kraffta, charakterystycznym dla danego surfaktanta, występuje gwałtowny wzrost rozpuszczalności. Zatem punkt Kraffta przedstawia temperaturę przejścia ze stanu krystalicznego (anizotropowego) w stan izotropowy (przezroczysty). Podczas ochładzania w tymże punkcie występuje gwałtowne wydzielenie surfaktanta z roztworu. Przykładowo, dla kationowych związków powierzchniowo czynnych temperatura Kraffta zależy od rodzaju kationu i zmienia się z długością łańcucha węglowodorowego [1].

Wodne roztwory surfaktantów posiadają zdolność rozpuszczania związków trudno rozpuszczalnych lub nierozpuszczalnych w wodzie. Proces ten, nazywany solubilizacją, polega na tworzeniu termodynamicznie trwałych izotropowych roztworów tych związków w obecności surfaktantu występującego w postaci zmicelowanej. Cząsteczki solubilizowanej substancji mogą być rozpuszczone głęboko w hydrofobowym rdzeniu micel lub blisko ich powierzchni, ale także możliwe jest zaadsorbowanie solubilizatu na powierzchni micel. Ilość solubilizowanej substancji przypadającej na jedną micelę jest ograniczona i jest charakterystyczną cechą rozpuszczanej substancji.

W pewnej temperaturze zwanej temperaturą zmętnienia roztwory niejonowych związków powierzchniowo czynnych stają się mętne. Jest to efekt wydzielenia się fazy bogatej w surfaktant. Rozpatrując wykresy fazowe niejonowych związków powierzchniowo czynnych można stwierdzić, że temperatura zmętnienia zmienia się w pewnym zakresie w zależności od hydrofilowości i stężenia surfaktantu, obecności innych substancji organicznych oraz obecności elektrolitów [2]. Można więc uzyskać dowolną temperaturę zmętnienia roztworu surfaktantu, korzystną dla konkretnego układu.

Jeżeli do wodnego roztworu substancji organicznej zostanie dodany wodny roztwór związku powierzchniowo czynnego, to nastąpi szybkie związanie tej substancji w micelach surfaktantu. Zjawisko to wystąpi tylko wtedy, gdy stężenie surfaktantu w otrzymanej mieszaninie będzie wyższe od CMC związku powierzchniowo czynnego. Gdy taki układ zostanie ogrzany do temperatury wyższej od temperatury zmętnienia, to nastąpi wydzielenie fazy bogatej w surfaktant i substancję organiczną (Rys. 1).



Początkowy roztwór substancji organicznej można tu traktować jak surowiec w tradycyjnej ekstrakcji ciecz-ciecz. Zaś wydzieloną fazę bogatą w zawiązek powierzchniowo czynny – jako rozpuszczalnik organiczny, do którego następuje przeniesienie ekstrahowanej substancji. Fazę wodną, w której znajdują się niewielkie ilości surfaktantu można oddzielić od fazy bogatej w surfaktant. Proces ekstrakcji cloud point jest odwracalny. Chłodzenie układu prowadzi do uzyskania izotropowego roztworu micelarnego. Ekstrakcja cloud point może być charakteryzowana poprzez wartość współczynnika podziału D (podobnie jak w tradycyjnej ekstrakcji ciecz-ciecz) definiowany jako stosunek ułamka molowego w fazie ekstraktowej do ułamka molowego w fazie rafinatowej. Na jego wartość w bardzo dużym stopniu ma wpływ temperatura, gdyż ze wzrostem temperatury wzrasta stopień agregacji micel i ich deformacji, co w rezultacie skutkuje wzrostem solubilizacji różnych substancji. Wzrost temperatury powoduje również zmniejszenie objętości tej fazy. Tak więc w wyższej temperaturze w fazie bogatej w surfaktant będzie się znajdować więcej substancji organicznej. Jednym z często stosowanych niejonowych surfaktantów w procesie ekstrakcji cloud point jest triton X-114. Jego cząsteczka jest zbudowana z polioksyetylenowego łańcucha hydrofilowego i p-t-oktylofenylowego łańcucha hydrofobowego. Badania wpływu stężenia Tritonu X-114, dodatku innych surfaktantów do jego roztworu oraz dodatku elektrolitów na proces ekstrakcji cloud point przeprowadził między innymi P. A. Galera-Gomez [3].