CC BY
15
№ 11 (116)
AunÎ
/Ш. TE)
UNIVERSUM:
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ноябрь, 2023 г.
DOI -10.32743/UniTech.2023.116.11.16250
ОЧИСТКА ПРОМЫШЛЕННЫХ СТОЧНЫХ ВОД МУБАРЕКСКОГО ГПЗ ОТ ОРГАНИЧЕСКИХ ЗАГРЯЗНЕНИЙ С ПОМОЩЬЮ ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКОГО МЕТОДА
Курбанов Жахонгир Хамитович
докторант,
Ферганский политехнический институт, Республика Узбекистан, г. Фергана E-mail: _ [email protected]
Гуро Виталий Павлович
зав. лаб.,
Институт общей и неорганической химии АН РУз, Республика Узбекистан, г. Ташкент
Расулова Ситорабону Нормуродовна
ст. науч. сотр.,
Институт общей и неорганической химии АН РУз, Республика Узбекистан, г. Ташкент
Рахмонов Ортик Комилович
зав. кафедрой «Химия и Химическая технология», Ферганский политехнический институт, Республика Узбекистан, г. Фергана E-mail: [email protected]
MUBAREK'S GPP INDUSTRIAL DRAINS CLEANING FROM ORGANIC CONTAMINANTS USING ELECTROCHEMICAL METHOD
Jakhongir Kurbanov
Doctoral student, Fergana Polytechnic Institute, Republic of Uzbekistan, Fergana
Vitaliy Guro
Head of Lab Institute of General and Inorganic Chemistry of the Academy of Sciences of the Republic of Uzbekistan, Republic of Uzbekistan, Tashkent
Sitorabonu Rasulova
Senior researcher Institute of General and Inorganic Chemistry of the Academy of Sciences of the Republic of Uzbekistan, Republic of Uzbekistan, Tashkent
Ortik Rakhmonov
Head
Department of "Chemistry and Chemical Technology ", Fergana Polytechnic Institute, Republic of Uzbekistan, Fergana
АННОТАЦИЯ
Повышенное внимание, из-за нарастающего дефицита пресной воды в республике, уделяется очистке промышленных сточных вод, в частности, Мубарекского газоперерабатывающего завода (ГПЗ), от органических примесных загрязнений: фенола, нафтенов, аминов и др. Для его стоков характерна невысокая минерализация, удельная электропроводность, достаточная для проведения электролиза, при наличии в составе вод хлорид-ионов,
Библиографическое описание: ОЧИСТКА ПРОМЫШЛЕННЫХ СТОЧНЫХ ВОД МУБАРЕКСКОГО ГПЗ ОТ ОРГАНИЧЕСКИХ ЗАГРЯЗНЕНИЙ С ПОМОЩЬЮ ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКОГО МЕТОДА // Universum: технические науки: электрон. научн. журн. Курбанов Ж.Х. [и др.]. 2023. 11(116). URL: https://7universum.com/ru/tech/archive/item/16250
A UNiVERSUM:
№11(116)_ДД ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ_ноябрь. 2023 г.
используемых в синтеза на аноде гипохлорит-ионов. Для очистки этих вод от органических загрязнений разработана технология, обеспечивающая поддержание в электролизере градиента напряженности электрического поля 0.01 В/см2. Технология успешно испытана и внедрена на предприятии.
ABSTRACT
Due to the growing shortage of fresh water in the republic, increased attention is paid to the treatment of industrial wastewater, in particular, the Mubarek Gas Processing Plant (GPP), from organic impurities: phenol, naphthenes, amines, etc. Its wastewater is characterized by low mineralization, specific electrical conductivity sufficient for electrolysis, in the presence of chloride ions in the water composition, used in the synthesis of hypochlorite ions at the anode. To purify these water from organic contaminants, a technology has been developed that ensures that an electric field strength gradient of 0.01 V/cm2 is maintained in the electrolyzer. The technology has been successfully tested and implemented at the enterprise.
Ключевые слова: органические примеси, газоперерабатывающий завод, сточные воды, источник постоянного тока, электроды, электролиз.
Keywords: organic impurities, gas processing plant, wastewater, direct current source, electrodes, electrolysis.
Введение. В республике Узбекистан, испыты -вающей дефицит пресной воды, особенно в аридных зонах, включающих Мубарекский регион, большое внимание уделяется очистке промышленных сточных вод нефтегазовых предприятий от органических загрязнений, таких как фенол, нафтены, амины и пр. В этой связи, перед научным сообществом поставлена задача разработки экономичной технологии очистки подобных вод, с доведением их качества до приемлемого для сельского хозяйства уровня - по содержанию в воде сульфид-ионов и органики. При анализе известных подходов к решению проблемы выделен электрохимический метод, как наиболее рациональный для Мубарекского ГПЗ, располагающего избыточными мощностями генерирования постоянного тока [1]. Как показал расчет удельных нагрузок суточного оборота сточных вод на электролизную систему [2], достаточным для их очистки стали показатели: напряжение 16-18 В и сила тока 150-2000 А. При выборе материала электродов ориентировались на данные [3] о материалах для анодов (графит, нержавеющая сталь, платина) и катодов (свинец, нержавеющая сталь). При рассмотрении конструкции электролизера выбор сделан в пользу простейшего -бездиафрагменного, работающего на «средних» плотностях тока 10-20 А/дм2. В этих условиях [3] фенол окислялся кислородом на аноде и пероксидом водорода на катоде. Недостаток - использование дорогостоящего компрессора.
Характеристика
В публикации [4] упомянут другой материал анода - углеродсодержащий полимер, расходуемый в режиме «медленного горения», катод соединен с генератором импульсов, повышающим эффективность очистки поверхности электродов в высокоминерализованных водах. Последнее контрастировало с особенностью вод Мубарекского ГПЗ: они низко минерализованные.
Цель: разработка электролизного способа очистки низко минерализованных сточных вод Мубарекского ГПЗ (МГПЗ) от загрязнений.
Задачи: 1) разработка конструкции электролизера, обеспечивающего окисление имеющихся органических загрязнений воды, встраивание его в существующую линию водоочистки завода от сульфид-ионов, метолом связывания их генерированными на аноде Fe(II) ионами в нерастворимый сульфид железа [5,6], 2) исследование кинетики деструкции органических соединений в воде, в процессе ее электролиза.
Методы и материалы. Объект исследования: сточная вода МГПЗ (табл. 1). Концентрацию в ней органических загрязнений оценивали методом пер-манганатометрии, в единицах «химического потребление кислорода» (Х.П.К.), по ГОСТ Р 55684-2013.
Таблица 1.
й воды МГПЗ
Наименование показателей OzDST 540:2010 ГОСТ Фактический показатель
Размерность Норматив
Внешний вид - Прозрачная жидкость без посторонних включений, с незначительным осадком минеральных солей. ГОСТ 23268.1-91 Мутная жидкость
Вкус и запах - Характерны для растворенных в воде органических веществ Запах органики
Цвет - Бесцветная жидкость, допускается оттенок от желтого до зеленого Слегка сероватый
№ 11 (116)
AunI
/Ш. ТЕ)
UNIVERSUM:
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ноябрь, 2023 г.
Наименование показателей OzDST 540:2010 ГОСТ Фактический показатель
Размерность Норматив
pH pH - - 7,9-8,0
Гидрокарбонат -ионы мг/дм3 - ГОСТ 23268.3-78 482,0
Сульфат -ионы - ГОСТ 23268.4-78 392,0
Ионы натрия - ГОСТ 23268.6-78 446,9
Ионы калия - ГОСТ 23268.7-78 29,3
Катионы Са - ГОСТ 23268.5-78 46,0
Катионы Mg - 20,0
Хлорид-ионы - ГОСТ 23268.17-78 285,0
СодержаниеS-2 - ПНДФ 14.1:2.109-97 0,0-68,0
Перманганат окисляемость - - ГОСТ Р 55684-2013 23,0
Электрохимические измерения проводили на потенциостате ПИ-50-1. Масс-хроматограммы проб воды получены на масс-хроматографе Agilent 5977B GC/MSD. Кинетику окисления органики изучали в модельных сериях растворов, в бездиафрагменном электролизере, при плотности тока 20А/дм2.
Результаты и обсуждение. Изучена природа органических соединений в сточной воде МГПЗ: они представлены: - алканами: октаном C8H18 (3.741 мин), нонаном C9H20 (4.916 мин); - алифатическими спиртами: 2-бутил-1-октанол C12H26O (4.470 и 6.304 мин); - 2-метилциклогексанолом (4.788 мин). Известна их окисляемость пероксидом водорода и гипохлоритом натрия [7]. Эти окислители генерируются на поверхности электродов в процессе электролиза [4-6], при достижении градиента напряженности электрического поля не ниже 0.01 В/см2.
В связи с наличием резервной мощности промышленного источника постоянного тока (5000 А* 18 В) МГПЗ (использован в электролизной технологии нейтрализации сульфид-ионов, за счет анодного генерирования ионов железа), предложено создать и встроить в линию водоочистки [6] этого предприятия дополнительный электролизер, создающий требуемый для окисления органики градиент напряженности электрического поля.
В итоге, создан бездиафрагменный, проточный аппарат, из корпуса в виде трубы из диэлектрического материала, с электродами из нержавеющей стали Х18Н10Т, в виде пластин, площадью 5 дм2 каждая, 1 мм толщиной, на расстоянии 4 мм друг от друга (не менее 10 анодов и 10 катодов) [8]. Его особенностью явилось то обстоятельство, что избыток
генерированных Fe(П)-ионов на жертвенном стальном аноде линии водоочистки МГПЗ, в контакте с кислородом воздуха (Фентон-процесс) катализирует окисление органики [1, 7].
Другой особенностью модернизированной линии водоочистки предприятия стало наличие в сточной воде МГПЗ хлорид-ионов (0.028%), в концентрации, достаточной для синтеза гипохлорит-ионов на аноде.
При изучении кинетики деструкции органики в сточной воде МГПЗ, в процессе ее электролиза, выполнена серия измерений падающей концентрации органических соединений, в зависимости от параметров процесса электролиза, во времени. Использовали ее образцы, не подвергнутые (1А табл. 2) и подвергнутые (1Б табл. 2), предварительно, принудительному насыщению кислородом воздуха методом дождевания. Для чего образцы воды (до сеанса электролиза) сбрасывали через душевую насадку, с высоты не менее 200 мм, под открытым небом, при атмосферном давлении. Электролиз вели в созданном электролизере, при линейной скорости потока воды 8 см3/мин.
Модельный ряд (табл. 2) составлен на основе своих и заимствованных данных [8],путем введения примеси изопропанола в дистиллированную воду с 0.01-0.10 % №С1, рН 7.0. Методом контроля ХПК содержание изопропанола было доведено до 100 мгО2/дм3. Эту воду с №С1 и примесью изо -пропанола, с исходным ХПК 100 мгО2/дм3, принудительно, насыщали кислородом методом дождевания, затем пропускали через электролизер при градиенте напряженности поля 10.0 В/см2,в течение 3.0 мин (табл. 2).
№ 11 (116)
А1
UNIVERSUM:
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ноябрь, 2023 г.
Таблица 2.
Условия и результат электролиза сточной водыМГПЗ
Прoба № Градиентнапряженности электрического поля, В^м2 [Cl-], масс. % Время обработки, мин Расход, cм3/мин ХПК, мгО2/дм3 Степень очистки %
до электролиза после
Сточная вода МГПЗ
1А 10.0 0.028 3.0 8 23.0 2.8 87.8
1Б 10.0 0.028 3.0 8 23.0 0.9 96.0
Модельная вода
2 10.0 0.1 3.0 100 100 3.1 96.9
Сравнительную эффективность окисления органических примесей изучали в модельной серии изопропанола, 0.48 г в 100 ^3 растворов №0. Данные табл. 2 показывают, что электрохимическая обработка сточной воды в присутствии гипохлорита на поверхности анода, после насыщения кислородом, позволяет проводить очистку от органических примесей в условиях непрерывного процесса не менее эффективно, чем в работе [9]. При этом достигается степень очистки вод от органики 87.8-96.0 %.
Опробовано анодное окисление органических соединений в электролизере на поверхности электродов из разных материалов (титан, платина) в модельных растворах триэтаноламина (ТЭА). Электрохимическое окисление ТЭА в воде выполняли без аэрации, с контролем параметров во времени (табл. 3).
Изучено альтернативное окисление органических соединений в воде - без электролиза, с капельным (по 0.02 мл) добавлением химического реагента -30% пероксида водорода, с перемешиванием, в модельном растворе (рис. 1, 2).
Таблица 3.
Перманганатная окисляемость проб триэтаноламина (0.045 г в 100 мл раствора) после анодной обработки, без принудительной аэрации, с разным материалом катода, во времени, при температуре 20 оС
№ Время мин. Объем пробы триэтаноламин, мл Объем раствора KMnO4 на титрование, мл Перманганатная окисляемость, мгО2/дм3
С титановом катодом
1 5 6.5 93.6
2 10 5 6.3 90.4
3 15 6.2 88.8
4 20 6.0 85.6
С платиновом катодом
1 5 9.05 67.2
2 10 10 9.0 66.8
3 15 8.3 61.2
4 20 8.1 59.6
Показано, что добавление пероксида водорода не приводит к ожидаемому уменьшению концентрация органических соединений, при анодном ее окислении (табл. 4).
Рисунок 1. Кинетика анодного окисления органических соединений в модельном растворе три- этаноамина, с катодом из материала: 1 - Ц 2- Pt
Рисунок 2. Кинетика пероксидного (Н2О2) (30%) окисления органических соединений в: 1- модельном растворе (триэтаноамин - вода); 2- дистиллированной воде
№ 11 (116)
AunI
/Ш. ТЕ)
UNIVERSUM:
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ноябрь, 2023 г.
Объяснение мнимого «роста» доли органики дано при изучении природы реакции «перманганатной окисляемости». В реакции образуется нерастворимый Мп02, который невозвратно расходует КМп04, поэтому при титровании 0.01 Н КМп04, «перманга-натная окисляемость» повышается (1):
КМО4 + Н2О2 + Ш804 = МП804 + К2804 + Н2О (1) При избытке КМ04:
КМО4 + Н2О2 = КОН + Мп02|+ О2 (2)
Таблица 4.
Результаты оценки перманганатной окисляемости проб триэтаноламина (0.045 г /100 мл) и дистиллированной воды после добавки Н2О2 (30%), при перешивании, во времени, при температуре 20 оС
№ Объем добавки Н2О2, мл Время, мин. Объем раствора, мл Объем расхода KMnO4 на титрование, мл Перманганатная окисляемость, мгО/дм3
Модельный раствор: дистиллированная вода-триэтаноламин
1 0.02 3.3 212
2 0.04 4.9 340
3 0.06 3 100 5.5 388
4 0.08 6.3 452
5 0.1 6.9 500
Дистиллированная вода
1 0.02 1.7 108
2 0.04 2.4 164
3 0.06 3 100 3.85 280
4 0.08 4.35 320
5 0.1 4.95 368
В этой связи, метод перманганатометрической оценки доли в воде органики, в присутствии Н2О2, требует, по нашему мнению, уточнения. Рекомендуется, для подобных рассмотренному, объектов исследования разработать спектрофотометрический метод определения органики в воде.
В результате, создан [10] и испытан, при очистке сточных вод МГПЗ, насыщенных О2 воздуха, предварительно обработанных в электролизере, редуцирующем ионы Fe(П), Fe(Ш), дополнительный проточный электролизер, работающий при градиенте напряженности электрического поля от 0.01 В/см2, в присутствии хлорид-ионов (0.01-2.0 мас.), предназначенный для очистки стоков от органических загрязнений. В нем, под действием электрического тока, на поверхности электродов, протекают электрохимические реакции: на аноде редуцируются атомарный кислород и гипохлорит-ионы [9], на катоде, непрямым окислением, образуются продукты восстановления кислорода (ОН\ НО/, НО-, НО) [1,7]. Далее, упомянутыми выше окислителями осуществляется окисление органики. Возможно, вероятно, и прямое окисление
органических соединений, адсорбированных на поверхности материалов электродов, за счет механизма переноса электрического заряда на их молекулярные структуры.
Заключение. Исследован состав сточной воды Мубарекского газоперерабатывающего завода, загрязненной органическими соединениями и сульфид-ионами. Обладая невысокой минерализацией, она, потенциально, пригодна, после очистки, к использованию в поливном земледелии. Для ее очистки разработана и успешно испытана электролизная технология на постоянном токе. Реализуется она при электролизе, на поверхности электродов из нержавеющей стали, с межэлектродным расстоянием 4 мм, обеспечивающем градиент напряженности электрического поля не менее 0.01 В/см2, достаточный для генерирования реакционно-активных частиц, окисляющих органические соединения. Степень очистки сточной воды от органики достигает 96,0 %
Список литературы:
1. Баешов А., Конурбаев А.Е., Иванов Н.С. и др. Применение кусковых электродов для очистки сточных вод от органических соединений.// Вестник КазНУ. Серия химическая. - №4 (64).-2011. - С. 27-31.
2. Патент RU 2 129 529 С1. Способ очистки воды и устройство для его осуществления. Заявка 9710294 0/025. Дата публикации: 27.04.1999, заявитель: Кокин В.П., Изобретатель: Кокин В.П.
3. Патент RU 2162822 С1, Способ очистки фенолсодержащих вод. Заявка: 99124525/12, 18.11.1999 (24). Дата начала: 18.11.1999 (46). Опубл. 10.02.2001. Заявитель(и): Дагестанский ГУ. Автор(ы): Каймаразова Ф.Г., Алиев З.М.
№ 11 (116)
UNIVERSUM:
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ноябрь, 2023 г.
4. Патент RU 2094381. Аппарат для электрохимической обработки воды. Автор(ы): Анохин П.М., Гагарин Э.Н., Емельянов Г.И. и др. Патентообладатель(и): Экологическая дзержинская ассоциация "ЭКОДАС". Приоритет: 1995-11-16; опубл. 27.10.1997.
5. Быковский Н.А., Пучкова Л.Н., Шулаев Н.С. Очистка сульфидсодержащих сточных вод в электролизере с растворимым железным анодом // Башкирский химический журнал. 2006. Т. 13. № 3.-С 78-81.
6. Гаязова Э.Ш. Окислительные методы в очистке сточных вод от трудноокисляемых органических соединений. Автореф...к.т.н.-Казань, 2013.
7. Дамодхар Гайм, Прабир Гош. Удаление органических соединений, присутствующих в сточной воде, в усовершенствованных процессах электрохимического окисления, Электрохимия, 2019, Т. 55, № 7,
8. Патент RU 178983. Устройство для очистки сточных вод от многокомпонентных загрязнений. Игнаткина Д.О.^Щ Войтюк А.А. (RU), Москвичева А.В. (RU) и др. Заявл. 13.11.2017; Опубл. 24.04.2018. Бюл. № 12.
9. Патент RU 2033391. Способ очистки сточных вод от органических примесей и устройство для его осуществления. Бозина Н.А., Ворожейкин А.П., Галухин В.А. и др. Регистрация заявки: 15.07.1991, публ. 20.04.1995.
10. Патент UZrn полезную модель FAP 02250 от 14.03.2023. Способ очистки вод от органических примесей. Решение о выдаче FAP 2022 0137/5 от 10.10.2022. Заявл. FAP 2022 0137 от 22.04.2022 Гуро В.П., Юсупов Ф.М., Шамсиев Ш.Дж., Курбанов Ж.Х., Ибрагимова М.А., Адинаев Х.Ф.
С. 771-807.
