ХИМИЯ ТВЕРДОГО ТОПЛИВА, 2008, № 4, с. 64-77
УДК 665.7.032.53:66.081:541.183.5
СОРБЕНТЫ НА ОСНОВЕ ТОРФА ДЛЯ ОЧИСТКИ ЗАГРЯЗНЕННЫХ СРЕД (обзор)
© 2008 г. Л. Ю. Новосёлова, Е. Е. Сироткина
Институт химии нефти СО РАН, Томск E-mail: novoselova@ipc.tsc.ru Поступила в редакцию 26.12.2007 г.
В обзоре приведены наиболее интересные из описанных в литературе сведений по разработке сорбентов на основе торфа и возможностям их практического применения для очистки загрязненных сред от нефти и нефтепродуктов, металлов, поверхностно-активных веществ и др. Торф является дешевым, доступным и эффективным сорбентом широкого ряда загрязнителей биосферы. Он может использоваться как самостоятельно, так и в составе комбинированных сорбентов и композиционных материалов комплексного действия.
Как известно, к наиболее характерным загрязнителям для различных сред относятся нефть и нефтепродукты (НП), поверхностно-активные вещества (ПАВ), тяжелые металлы (ТМ) и др. В настоящее время для очистки биосферы от загрязнителей используются различные методы, в том числе механические, физико-химические, химические, биологические. Из физико-химических методов наибольший интерес представляет адсорбция, которая весьма эффективна, а при многоступенчатой организации процесса способна обеспечить очистку до любого требуемого уровня. В качестве сорбентов применяются как природные на растительной и минеральной основе (хлопок, мох, опилки, древесные стружки, древесная мука, пенька, солома, глина, перлит и др.), так и искусственные и синтетические материалы на основе вискозы, гидратцеллюлозы, синтетических волокон, термопластических материалов, пенополиуретана и др. [1-4].
Кроме того, в последнее время все большую актуальность приобретает использование сорбентов на основе отходов и техногенных материалов [5-14], так как такие направления, как "ресурсосбережение" и "рациональное природопользование", в настоящий момент являются приоритетными направлениями науки и техники, а утилизация отходов и техногенных продуктов в промышленных масштабах как экономически, так и экологически обоснованна и целесообразна [15].
Так, авторы [6] отмечают, что практически любой вид древесных отходов может быть переработан в дробленые сорбенты для очистки технологических растворов и сточных вод, подготов-
ки питьевой воды и т.д. В качестве сорбирующих материалов они предлагают использовать древесные опилки, в том числе и обработанные кислотными или щелочными растворами [6]. Для получения таких сорбентов, как активные угли, применяют термолизованные древесные отходы (на основе древесной щепы) [10].
С помощью высушенной и измельченной коры эвкалипта удаляют красители из сточных вод [11]. Такое дешевое и экологически чистое углеродсо-держащее сырье, как косточки фруктов (например, абрикосов [12]) и скорлупа орехов, также можно использовать при получении углеродных адсорбентов с высокой емкостью, прочностью и др. Углеродные сорбенты на основе косточкового сырья получают с использованием химической и парогазовой активации, низкотемпературным пиролизом с последующей активацией карбони-зата водяным паром и т.д.
В Институте химии нефти СО РАН в течение длительного времени разрабатываются новые материалы для комплексной очистки воды от нефти, нефтепродуктов, солей металлов и других загрязнителей. Разработаны полипропиленовые волокнистые иониты [16-26], а также сорбенты на основе различных дисперсных (в том числе и наноразмерных) и волокнистых материалов [2732]. Кроме того, предложено использовать для получения сорбентов такие техногенные материалы, как алюмосиликатные микросферы зол уноса теплоэлектростанций (ТЭС) [5] и осадки очистки артезианской воды от железа (отходы станций водоподготовки) [33].
Таким образом, в настоящее время при разработке сорбентов для очистки загрязненных сред необходимо учитывать как их эффективность, так и доступность исходного сырья, используемого в качестве основы.
Особый интерес в этом отношении как основа дешевых, доступных и эффективных сорбентов широкого ряда загрязнителей биосферы представляет торф, который используется как самостоятельно, так и в составе комбинированных сорбентов и композиционных материалов комплексного действия [1, 34-46].
1. Влияние физико-химических характеристик торфа на свойства сорбентов на его основе
Авторы [47] отметили, что, благодаря особенностям химического состава и структурной организации вещества торфа, адсорбенты на его основе можно использовать для решения широкого спектра задач практического природопользования, в том числе для очистки воды от нефтепродуктов и ионов тяжелых металлов; ликвидации аварийных разливов нефти и НП на воде и почве; рекультивации почвы, загрязненной НП; очистки газовых выбросов от токсичных компонентов и т.д.
На свойства сорбентов с использованием в качестве основы торфа влияют такие характеристики последнего, как его тип, степень разложения (СР) и зольность, размер частиц (РЧ), плавучесть, влажность (Вл) и др. Понятно, что названные характеристики в большинстве своем взаимосвязаны и взаимозависимы, в связи с чем отделить их друг от друга весьма сложно. Несмотря на это, для понимания степени влияния указанных параметров на свойства изучаемых сорбентов ниже мы попытаемся рассмотреть каждый из них более подробно.
Существенное влияние на сорбционные свойства торфа оказывает содержание в нем зольных элементов. Показатель зольности (общее содержание неорганической части, %) определяется водно-минеральным режимом торфообразования и зависит от типа торфа и степени его разложения. Средняя зольность для торфов низинного типа составляет 6-18%, переходных торфов - 46%, верховых - 2-4%; степень разложения (В) низинного торфа - 15-55%, переходного - 550%, верхового 2-55% [48]. При низкой степени разложения структура торфа менее нарушена, он обладает более высокой пористостью, удельной поверхностью, более развитой структурой по сравнению с торфом высокой степени разложе-
ния [49]. Таким образом, уменьшение зольности и степени разложения торфа приводит к улучшению его сорбирующих свойств по отношению к нефти, НП и т.п., поэтому большинство исследователей для получения сорбентов предлагают использовать верховой торф низкой степени разложения (В = 5-15%) [48, 50-56].
Так, в работе [50] описано получение сорбента для извлечения неполярных жидкостей (нефти, НП, лаков, красок и др.) на основе торфа моховой группы со степенью разложения не более 15%. Согласно изобретениям [51, 52], в качестве исходного сырья для сорбента очистки сточных вод (СВ) от бензина, керосина и дизельного топлива брали фрезерный верховой торф малой степени разложения (В = 5-10%) моховой группы (магел-ланикум). При изготовлении сорбента очистки от нефти твердых и водных поверхностей [53] также использовали фрезерный верховой торф малой степени разложения.
Однако авторами [48] с целью увеличения ассортимента экологически чистых сорбентов, а также расширения сырьевой базы для их получения предложено использование составов в виде смесей низинного (В = 25%) и/или переходного (В = 20 и 35%) и фрезерного верхового (В = 15 и 20%) торфов, взятых в соотношениях 0.5:0.4-0.5:1 соответственно.
Значительное влияние как на количество, так и на скорость поглощения НП сорбентами на основе торфа оказывает размер частиц. С целью улучшения характеристик таких сорбентов исходные и обработанные материалы подвергали измельчению и фракционированию; различные фракции смешивали в оптимальных пропорциях [51, 52, 57-61].
Так, фракции частиц (гранул) готовых сорбентов имели размер, мм: 3 [57], 1-2 [58], 1-3 [59]. Сорбенты, поглощающие воду и масла, получали из сухого сфагнума или смесей сфагнум-мха и сфагнум-торфа, измельченных до размеров <850 мкм и просеянных до <300 мкм для удаления более крупных частиц [60].
В работе [51] приведены исследования влияния размера торфяных гранул на поглотительную способность сорбентов по керосину и дизельному топливу. Сорбенты получали следующим образом: торф измельчали при помощи шнеково-го механизма, увлажняли до 78-80% и окатывали на тарельчатом грануляторе. Полученные сферические гранулы диаметром от 2 до 7 мм подсушивали в естественных условиях до влажности 14-
Таблица 1. Влияние размера гранул и температуры их обработки на емкость сорбентов (по керосину и дизельному топливу) [51]
Температура обработки, Сорбционная емкость (г/г) фракций
мелкой средней крупной
°С по керосину по дизельному топливу по керосину по дизельному топливу по керосину по дизельному топливу
0 1.67 1.94 1.53 1.75 1.19 1.36
50 1.68 1.98 1.56 1.77 1.22 1.36
100 2.11 2.23 1.72 2.04 1.41 1.48
150 2.18 2.33 1.96 2.26 1.51 1.58
160 2.24 2.38 2.00 2.27 1.58 1.65
170 2.31 2.50 2.07 2.32 1.65 1.72
180 2.21 2.40 2.00 2.28 1.62 1.70
190 2.15 2.35 1.95 2.24 1.55 1.64
200 2.08 2.33 1.92 2.22 1.50 1.61
250 1.96 2.11 1.87 2.17 1.34 1.45
300 1.82 2.05 1.75 2.01 1.27 1.38
400 1.20 1.40 1.22 1.32 1.04 1.23
Таблица 2. Сорбционная емкость различных фракций торфа [52]
Фракционный состав предлагаемого сорбента Размер частиц, мм Сорбционная емкость, г/г
по керосину по дизельному топливу
Растительные остатки >3 3.21 4.10
Крупная 2-3 4.87 5.52
Средняя 1-2 6.08 7.34
Мелкая 0.5-1 6.38 7.35
Пылевидная крупная 0.25-0.5 5.51 6.23
Пылевидная мелкая <0.25 5.26 6.04
Средняя и мелкая (1 : 1.5) - 6.62 7.50
Средняя и мелкая (1 : 1) - 6.25 7.71
16%, разделяли с помощью набора стандартных сит на мелкую (диаметр гранул 2-3 мм), среднюю (3-5 мм) и крупную (>5 мм) фракции; подвергали термической обработке при различных температурах. Сорбционная емкость гранул разного диаметра по керосину и дизельному топливу приведена в табл. 1, откуда видно, что максимум поглотительной способности сорбентов по обоим нефтепродуктам приходился на мелкую фракцию гранул [51].
С целью выявления оптимального сочетания фракций торфа для сорбции керосина и дизельного топлива [52] из исходного торфа при помощи сухого рассева на стандартных ситах по размеру частиц (РЧ) было выделено шесть фракций: растительные остатки (РЧ > 3 мм), крупная (РЧ = 23 мм), средняя (РЧ =
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.