НЕФТЕХИМИЯ, 2008, том 48, № 1, с. 65-68
УДК 541.183.5/621.78-97+665.614
УТИЛИЗАЦИЯ ОСАДКОВ ВОДОИОДГОТОВКИ В ПРОЦЕССАХ ИЗВЛЕЧЕНИЯ НЕФТИ ИЗ ВОДНЫХ СРЕД
© 2008 г. Л. Ю. Новоселова, Е. Е. Сироткина, Н. И. Погадаева
Институт химии нефти СО РАН, Томск E-mail: novoselova@ipc.tsc.ru Поступила в редакцию 17.05.2007 г.
Установлена возможность использования материала осадков очистки природных вод от железа (отходов станций водоподготовки) для извлечения нефти из водных сред. На примере осадков обезже-лезивания артезианской воды водозабора Томского Академгородка показана высокая адсорбционная способность названных материалов по нефти. Исследована нефтепоглощающая способность исходных осадков; подобраны условия их термической обработки; изучена способность термически активированных осадков извлекать нефть из водных сред.
ВВЕДЕНИЕ
Быстро возрастающая техногенная нагрузка на природную среду, особенно в районах нефтедобычи и нефтепереработки, приводит к тому, что сама среда не в состоянии справиться с вносимыми загрязнениями за счет процессов саморегуляции и самоочищения (т.н. пассивная очистка) [1, 2]. Указанные проблемы требуют проведения активной очистки и создания новых эффективных технологий удаления нефтяных и сопутствующих загрязнений из биосферы. В настоящее время такие технологии разрабатываются весьма интенсивно, преимущественно с использованием новых эффективных сорбирующих материалов [3-8].
В Институте химии нефти СО РАН в течение длительного времени разрабатываются новые сорбенты и фильтро-адсорбционная технология комплексной очистки воды от нефти, нефтепродуктов и большого ряда сопутствующих загрязнителей. Разработаны сорбенты на основе дисперсных (в том числе и наноразмерных) и волокнистых материалов [9-13]. Кроме того, предлагается использовать и техногенные материалы, тем более что такие направления как "ресурсосбережение" и "рациональное природопользование" в настоящее время являются приоритетными, а утилизация техногенных продуктов в промышленных масштабах экономически и экологически обоснована и целесообразна [14-21].
В данной работе в качестве объектов исследования были выбраны осадки очистки воды от железа (ООВЖ) - отходы станций водоподготовки, основу которых составляют оксид-гидроксидные фазы железа. Использование ООВЖ в качестве сорбентов нефти, нефтепродуктов (НП) и других загрязнителей, может быть весьма перспективным. Осадки, формирующиеся в большом количестве на водозаборах г. Томска и Томской обла-
сти при обезжелезивании подземных вод, изучены довольно подробно [22-24]; однако сведения об их сорбционных свойствах отсутствуют. Целью данной работы и явилось исследование сорб-ционной способности осадков, образующихся на водозаборе Томского Академгородка при обезжелезивании артезианской воды, по отношению к нефти.
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ
Подготовку сорбента осуществляли следующим образом: воздушно-сухой материал осадков растирали в фарфоровой ступке, просеивали через сито Drufsieb ISO с размером ячеек 0.3 мм (для отделения крупных посторонних включений).
Сорбционные свойства ООВЖ по нефти изучали в статических и динамических условиях на примере извлечения Западно-Ключевской нефти из искусственно приготовленных водных эмульсий. Для этого в первом случае (статические условия) к водонефтяной эмульсии добавляли сорбент и перемешивали с помощью механической мешалки; при этом варьировали начальную концентрацию нефти в эмульсии, количество сорбента (соотношение сорбент : эмульсия) и продолжительность контактирования сорбента с эмульсией. Во втором случае (динамические условия) в колонку диаметром 20 мм загружали 10 г сорбента; 500 мл эмульсии, содержащей 40-240 мг/л нефти, подавали в колонку сверху вниз, пропуская через слой сорбента, фильтрат собирали в лабораторный сосуд.
Количество нефти, поглощенной образцами ООВЖ, определяли по разности ее концентраций в воде до и после контактирования с материалом сорбента. Концентрацию нефти в воде устанавливали методом инфракрасной спектрофотометрии
Продолжительность контактирования, мин 10 30 50 70 90
Сн, мг/л
Рис. 1. Зависимость степени извлечения нефти от продолжительности контактирования эмульсии с сорбентом (кривая 1, Сн = 90 мг/л) и начальной концентрации нефти Сн (кривая 2, продолжительность контактирования 45 мин); соотношение сорбент : эмульсия = 2 г : 100 мл.
(ИКС): ИК-спектры регистрировали на спектрофотометре БРЕСОЯБ-М 80 в области 2700-3100 см-1 в кюветах из №С1 с толщиной поглощающего слоя 1 см при температуре 20°С [25, 26].
Погрешность при определении содержания нефти выбранным методом ИКС зависит от ее концентрации в воде. Диапазон измеряемых концентраций - от 0.05 до 50 мг/л (если концентрация нефтепродуктов в анализируемой пробе превышает 50 мг/л, то допускается разбавление элюата). При концентрации нефти в воде от 1.0 до 25 мг/л погрешность ее определения (±8) составляет 24%, а при концентрации от 25 до 50 мг/л - 10% [26]. В нашем случае концентрация нефти составляла от 10 до 240 мг/л и погрешность ее определения указанным методом в большинстве опытов не превышала 10%.
Рис. 2. Зависимость степени извлечения нефти от количества сорбента (Сн = 57 мг/л; продолжительность контактирования 45 мин).
Степень извлечения, мас. %
Т, °С
Рис. 3. Влияние температуры обработки ООВЖ на эффективность извлечения нефти. Сн, мг/л: 1 - 124, 2 - 240.
РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
Для достижения поставленной цели в работе необходимо было решить ряд задач, а именно: исследовать нефтепоглощающую способность исходного осадка (ООВЖ-исх), подобрать условия его термической активации, исследовать сорбци-онные свойства по нефти термообработанных образцов материала. Результаты исследований приведены на рис. 1-4.
В статических условиях было изучено влияние начальной концентрации нефти в эмульсии (Сн, мг/л), продолжительности контактирования эмульсии с сорбентом и влияние количества сорбента на степень извлечения нефти (рис. 1, 2).
Из рис.1 видно, что с ростом начальной концентрации нефти в эмульсии степень ее извлечения материалом осадка повышается. Увеличение же продолжительности контактирования сорбента с эмульсией свыше 50 мин приводит к небольшому снижению его емкости по нефти. Здесь, по-видимому, важную роль играет сам материал сорбента, на котором стоит остановиться подробнее.
Большое количество примесей в воде находится в коллоидном состоянии [27, 28]. При извлечении этих примесей в процессе водоподготовки образуется осадок, который представляет собой сложную дисперсную систему. Процесс старения осадка приводит к удалению части сорбированной воды, а высушенный осадок можно представить как ксеро-гель. Контактирование ксерогеля ООВЖ с водоне-фтяной эмульсией, по-видимому, приводит к поглощению некоторого количества воды, т. к. при старении осадка на воздухе неструктурная вода удаляется частично и обратимо. В результате длительного взаимодействия ООВЖ с водонефтяной
УТИЛИЗАЦИЯ ОСАДКОВ ВОДОПОДГОТОВКИ В ПРОЦЕССАХ
67
эмульсией наблюдается его небольшое набухание, которое и приводит к некоторому снижению неф-тепоглощающей способности материала.
Увеличение соотношения сорбент : эмульсия в интервале от 0.1 до 2 г на 100 мл приводит к заметному росту степени извлечения нефти. Дальнейшее же увеличение количества сорбента (более 2 г на 100 мл эмульсии) нецелесообразно, т. к. рост эффективности процесса очистки воды от нефти в данном случае незначителен, что видно из рис. 2.
Было изучено также влияние термической обработки осадков обезжелезивания воды на эффективность извлечения нефти в динамических условиях. Исходные осадки (ООВЖ-исх) подвергали термическому воздействию в интервале температур 25-325°С (атмосфера - воздух, продолжительность - 3 ч). Показано (рис. 3), что увеличение температуры обработки до 250°С приводит к росту нефтепоглощающей способности осадков; прокаливание же при 300°С и выше уже не дает такого эффекта - степень извлечения нефти из воды с применением 00ВЖ-300 либо не превышает этого показателя для 00ВЖ-250, либо имеет несколько более низкое значение. Для того чтобы объяснить полученные данные стоит подробнее остановиться на некоторых вопросах.
Во-первых, известно, что для наиболее эффективного протекания процесса сорбции в каждом случае необходим подбор материала, обладающего оптимальной пористой структурой [29-32]. Во-вторых, у тяжелых высокомолекулярных частей нефти, для которых характерно преобладание молекулярных структур со сложной пространственной организацией, наиболее сильно проявляются коллоидные свойства, а коллоидные частицы в нефтяных системах весьма склонны к ассоциации с образованием различных структурных блоков [33-36]. Исходя из вышесказанного можно сделать вывод о том, что материалы, характеризующиеся преобладанием микро- и субмикропор, могут быть недостаточно эффективны в процессах сорбционного извлечения ассоциированных нефтепродуктов, поскольку большое количество микропор недоступно для проникновения в них ассоциатов большого размера и сложной пространственной конфигурации.
Сравнение полученных результатов (рис. 3) с данными [37] по величине удельной поверхности, подтверждает сделанное нами ранее предположение о том, что сухой осадок обезжелезивания воды можно представить как ксерогель. Дело в том, что термическое модифицирование ксерогелей сопровождается уменьшением удельной поверхности и расширением пор с ростом температуры [38-40]. Так как в нашем случае увеличение температуры обработки осадка действительно приводит к снижению величины удельной поверхности материала (что характерно для ксерогелей), то можно предположить, что нагревание ООВЖ до 250°С
Степень извлечения, мае. % 100 г
90
80
70
60
20
40
60
80
100 120
Сн, мг/л
Рис. 4. Зависимость степени извлечения нефти в динамических условиях от влияния предварительной термической обработки сорбента: 1 - ООВЖ-исх, 2 -00ВЖ-250.
способствует увеличению размеров пор с закономерным улучшением поглощающей способности материала по нефти. Нагревание ООВЖ до 300°С и выше, по-видимому, приводит к образованию пор еще большего размера, но сопровождается нек
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.