КОМПОЗИЦИОННЫЕ СОРБЕНТЫ В ОЧИСТКЕ НЕФТЕСОДЕРЖАЩИХ СТОЧНЫХ ВОД

АННОТАЦИЯ

В данной статье в качестве сорбента для очистки нефтесодержащих сточных вод использован кварцевый песок Ясамальского, Гекмалинского и Сулутапинского месторождений Азербайджана. При использовании указанного сорбента достигается степень очистки сточных вод равная 99,8%. Эксперименты позволили установить: для песчаных пород коэффициент вытеснения продуктом выше на 4,5-15,1 % по сравнению с водой. Способ позволяет исключить использование дорогостоящих компонентов, повысить эффективность очистки сточных вод.

Ключевые слова: кварцевый песок, нефтесодержащие сточные воды, степень очистки, сорбент.

Адсорбенты отличаются высокой пористостью и соответственно большой удельной поверхностью. Благодаря огромной удельной поверхности адсорбентов (поверхность на единицу объема) при адсорбции возможны очень большие скорости поглощения и полное поглощение. При очистке нефтесодержащих сточных вод к сорбентам предъявляются дополнительные требования: емкостью по отношению к нефти, гидрофобностью, и не менее важным свойством сорбентов является способность их к регенерации. Очистка нефтесодержащих сточных вод может сочетаться с использованием сорбентов [1, с. 47], так и применением механических методов.

Наиболее широко в качестве сорбента нефтепродуктов используется высокодисперсная древесная мука, модифицированная олигоэтоксисиланом (ЭС-40) при содержании последнего до 50 маc.% [2, с.70]. Очистку проводят в динамических условиях. Максимальная величина нефтеемкости до насыщения сорбента нефтепродуктами составляет 3,5 г/г, до "проскока" нефтепродуктов в фильтрат 0,7 г/г при соотношении ЭС-40/древесная мука, равном 1:1. Степень очистки на малоконцентрированных растворах 70%.

Недостатком известного способа очистки воды от нефтепродуктов является невысокая степень очистки, сложность технологического процесса модификации, повышенный расход дорогостоящего модификатора, сложность утилизации отработанного сорбента. Кроме того, использование высокодисперсного сорбента значительно снижает производительность процесса очистки.

Известен способ очистки сточной воды от нефтепродуктов, состоящий из  фильтра с сорбентом, представляющим смесь шунгита и отходов шунгизитового производства при следующем соотношении компонентов, об.%: шунгит - 92-99; отходы шунгитового производства - 1-8, который позволяет повысить продолжительность фильтроцикла в 1,7-2,2 раза, упростить процесс и исключить использование дорогостоящих компонентов [3].

Способ позволяет исключить использование дорогостоящих компонентов, утилизировать отходы шунгизитового производства и тем самым уменьшить загрязнение окружающей среды. Способ прост и доступен для широкого использования. Недостатками известного способа являются невысокие степень и производительность процесса очистки сточной воды от нефтепродуктов за счет низкой нефтеёмкости сорбента. Основным условием при очистки сточных вод от нефтепродуктов является минимальная обводненность выделенных нефтепродуктов. Это способствует дальнейшей утилизации их без дополнительной обработки.

В предлагаемой работе в качестве сорбента применен природный кварцевый песок разных месторождений Азербайджана. В Азербайджане кварцевые пески сосредоточены в основном в Апшероне, Гобустане и Кубинском районе. Выбор кварцевого песка обусловлен и другим фактором, способным сыграть важную роль в уменьшении стоимости процесса очистки сточных вод от нефтепродуктов благодаря легкости транспортировки этого материала. Ведь эффективность очистки зависит не только от исходной концентрации нефтепродуктов в сточных водах, расхода стока, сопутствующих загрязнений и требований к качеству очищаемой воды исходя из норм очистки, но и эффективности методов транспортирования стоков от места образования до площадки очистных сооружений, а также транспортирования очищающих веществ, что может существенно усложнить процесс очистки. Поэтому такой легко транспортируемый материал как кварцевые пески месторождений Апшерона, Гобустана и Кубинского района может существенно увеличить эффективность всего процесса.

Преимущество использования сухого кварцевого песка для фильтров вытекает из его низкой истираемости и долгого срока службы, что важно с точки зрения повторяемости использования материала в процессе очистки. Также, помимо очень высокой прочности, следует отметить такие физико-химические особенности кварцевого песка, как высокая пористость, однородность и сыпучесть. Немаловажным является и фактор стабильности и удобства хранения материала, что объясняется тем, что он не скатывается в шарики, а песчинки песка не склеиваются между собой. Имеют значение крупно-, средне или малая шероховатость гранул песка, геометрическая структура слоя (однородность зерен и зазоры между ними), что в целом обеспечивает качество фильтрующего материала. В качестве сорбционного материала использовался кварцевый песок Ясамальского, Гекмалинского и Сулутапинского месторождений фракции до 1,5 мм, имеющий следующий химический состав (табл. 1).

Таблица 1.

Средний химический состав кварцевого песка в Азербайджане

Количественное содержание компонентов предлагаемого сорбента приведено в табл.2.

Таблица 2.

Количественное содержание компонентов композиционных сорбентов с содержанием кварцевого песка различных  месторождений

Сорбент загружали в адсорбционную колонку диаметром 40 мм. Через колонку сверху вниз пропускали 3 л раствора температурой 20⁰С и концентрацией нефтепродуктов 70 мг/л. После очистки концентрация нефтепродуктов в очищенном растворе составила  0,1 мг/л. Степень очистки при скорости фильтрации 10 м/ч составляла 99,8%.

Пример 1 (состав 2): 39,6 г (99,0 маc.%) кварцевого песка фракции до 1.5 мм модифицировали путем тщательного перемешивания в смесителе роторного типа с 0,4 г (1,0 маc.%) кубовым остатком синтетической жирной кислоты (КОСЖК) в течение 10 мин при температуре 90^oС. В результате модификации образуется 40 г сорбента.

Пример 2 (состав 4): 39,2 г (98,0 маc.%) кварцевого песка фракции до 1,5 мм модифицировали путем тщательного перемешивания в смесителе роторного типа с 0,8 г (2,0 маc.%) кубового остатка синтетической жирной кислоты (КОСЖК) в течение 10 мин при температуре 90^oС. В результате модификации образуется 40 г сорбента.

Для получения сравнительных данных параллельно проводились аналогичные эксперименты на других составах сорбента, при других параметрах режимов очистки и скорости фильтрации.

Результаты испытаний представлены в табл.3 (начальная концентрация нефтепродуктов в водном растворе составляла 70 мг/л, песок (Ясамальское месторождение) использовали фракции 1,0-1,5 мм).

Таблица 3.

Степень очистки воды от нефтепродуктов композиционным сорбентом (кварцевый песок Ясамальского месторождения)  при скорости фильтрации 14 м/час

Необходимым элементом любой технологической схемы адсорбционной очистки сточных вод является регенерация сорбента после насыщения его веществами, извлеченными из сточных вод. Для исследования десорбции нефтепродуктов из насыщенных сорбентов  в статическом режиме осуществляли их двукратную промывку горячей водой в течение 30 минут при температурах 40, 60 и 80°С. После температурной обработки сорбенты приобретают рыхлую структуру и полностью восстанавливают свои сорбционные свойства. Оптимальной температурой промывочной воды является 80°С, при этом степень извлечения нефтепродуктов с насыщенных сорбентов составляет 90,5%.

 После регенерации сорбент должен быть обработан острым паром для удаления адсорбированной воды и восстановления поверхности. Регенерацию композиционных сорбентов осуществляли обратной промывкой водой при 85⁰С. Если принять за 100% степень очистки, достигаемую при промывке тетрахлорметаном, то степень очистки при промывке водой составляет 70%. Периодичность промывки горячей водой зависит от условий эксплуатации (рекомендуется 1-2 раза в сутки при снижении давления на фильтре). Продолжительность обратной промывки – 5-7 мин. После многократной регенерации адсорбционные свойства сорбента сохраняются, а его высокая механическая прочность делает сравнительно легкой операции по загрузке и выгрузке. Сорбент сравнительно недорогой, характеризуется длительным сроком службы благодаря многократной регенерации. 

Cтепень очистки воды от нефтепродуктов и достижение максимальной эффективности очистки непосредственно зависит от выбора наиболее оптимального времени фильтрации, что актуализирует вопрос правильного подбора скорости фильтрования и плотности набивки загрузочного кварцевого песка. Процесс фильтрации состоит из четырех стадий; фильтрация через кварцевый песок водо-нефтяной смеси, в результате которой удаляются взвешенные частицы, разрушаются водо-нефтяные эмульсии и укрупняются капли нефти; гравитационное отделение укрупненных капель нефти; отпаривание образовавшегося на верхней поверхности фильтрующего песчаного слоя кека, из которого затем выделяют нефтепродукты; обратная промывка фильтрующего песчаного слоя. В ходе экспериментов удалось определить, что малая плотность загрузки приводит к тому, что процесс сорбции идет преимущественно в каналах между сравнительно крупными песчинками и очищаемые воды не проникают между мелкими. Наоборот, при высокой плотности набивки кварцевого песка в фильтр резко сокращается общая сорбирующая поверхность и эффективность фильтрации от нефтепродуктов падает. Плюс от плотности набивки непосредственно зависит и скорость протока жидкости, что в свою очередь формирует гидравлическое сопротивление в системе. Эксперименты по сопоставлению нефтевытесняющей способности растворов продукта и воды при фильтрации в пористой среде позволили установить: для песчаных пород коэффициент вытеснения продуктом выше на 4,5-15,1 % по сравнению с водой. Вне зависимости от выбора материала для фильтрации с уменьшением скорости прохода загрязненной нефтепродуктом жидкости через фильтрационный слой, снижается общая производительность системы; а при увеличении скорости подачи очищаемого жидкости, она будет проходить через каналы между такими гранулами, где меньшее гидравлическое сопротивление, что сделает неэффективной сорбцию во всем объеме фильтровального материала.

Таким образом, предлагаемые нами адсорбенты на основе кварцевых песков позволяют проводить очистку нефтесодержащих сточных вод со степенью очистки, равной 99,8%.

Список литературы:

1. Ибадова С.Я., Сулейманова Н.В. Очистка гидросферы от нефтяных и органических загрязнителей путём сорбции // ХХХΙV Международная научно-практическая заочная конференция «Наука вчера, сегодня, завтра». Новосибирск, №5 (ΙΙ часть), 27 май 2016, стр. 45-49
2. Ю.А. Сангалов, Н.А. Красулина, A.H. Ильясова, Н.Н. Петухова. Модификация дисперсной древесины олигоэтоксисилоксаном/ Из-во вузов. Химия и химическая технология. -1999. - т. 42. вып.2. - С.66-71
3. Патент РФ 2077495. Способ очистки сточных вод от нефтепродуктов. MKИ С02 F 1/28 / А.З. Зайденберг, В.А. Рябченко, Е.В. Дюккиев; Институт геологии Карельского науч. центра PAH. -.No 94025822/25; Заявл. 29.05.1991. Опубл. 20.01.98 (прототип)