CC BY
58
ЭКОЛОГИЧЕСКИЕ ПРОБЛЕМЫ ПРОИЗВОДСТВА
УДК 628.316.12:665.7
Ю. К. Рубанов, Ю. Е. Токач
УДАЛЕНИЕ РАЗЛИВОВ НЕФТЕПРОДУКТОВ С ПОВЕРХНОСТИ ВОДЫ КОМПЛЕКСНЫМИ СОРБЕНТАМИ НА ОСНОВЕ ОКСИДОВ ЖЕЛЕЗА
Ключевые слова: сталеплавильный шлак, железорудный концентрат, синтезированный магнетит, отходы мокрой
магнитной сепарации.
Исследованы комплексные сорбенты, состоящие из магнитного наполнителя и адсорбирующего компонента для ликвидации разливов нефти с поверхности воды. В качестве магнитных наполнителей использованы железорудный концентрат и синтезированный магнетит, полученный соосаждением солей железа избытком щелочи. Адсорбирующими компонентами являлись сталеплавильный шлак и отходы обогащения руды методом мокрой магнитной сепарации. Представлены результаты измерения магнитной восприимчивости комплексных сорбентов и краевого угла смачивания. Предложена схема устройства для сбора нефтепродуктов с поверхности воды.
Key words: steel-smelting slag, an iron ore concentrate, the synthesized magnetite, waste of wet magnetic separation.
The complex sorbents consisting of a magnetic filler and the adsorbing component for elimination of oil spills from a water surface are investigated. As magnetic fillers used the iron ore concentrate and the synthesized magnetite received by a soosazhdeniye of salts of iron excess of alkali. The adsorbing components were steel-smelting slag and waste of enrichment of ore by method of wet magnetic separation. Results of measurement of a magnetic susceptibility of complex sorbents and a regional corner of wetting are presented. The scheme of the device for collecting oil products from a water surface is offered.
Введение
В связи с увеличением потребления и переработки нефти и нефтепродуктов возрастает и количество их разливов, ликвидация последствий которых представляет собой дорогостоящую операцию с привлечением больших сил и средств. По данным ОАО "Роснефть" количество прорывов нефтепроводов в 2010 г. составило более 14000. Ежегодно на территорию России проливается до 2 млн. т нефти, значительная часть которой вместе с дождевыми водами попадает в водные объекты. В качестве индикатора масштабов попадания нефти в окружающую среду можно использовать, например, загрязненность нефтепродуктами сибирских рек. Общий объем выноса нефти реками в Северный Ледовитый океан с территории России может составлять 500 тысяч тонн в год и более.
Применение сорбционных методов позволяет удалить загрязнения чрезвычайно широкой природы практически до любой остаточной концентрации независимо от их химической устойчивости [1-3]. А придание сорбентам магнитных свойств обеспечит использование физических методов удаления разлитых нефтепродуктов с использованием магнитных ловушек. Поэтому разработка адсорбента с высокими адсорбционными и магнитными свойствами с возможностью его эффективного внесения в слой нефтепродуктов и быстрого удаления с поверхности воды управляемым магнитным полем является актуальной научной и практической задачей.
Экспериментальная часть
Авторами были исследованы сорбционные свойства порошковых сорбентов на основе оксидов железа в виде мелкодисперсного железорудного концентрата и синтезированного магнетита, полученного методом соосаждения солей железа избытком щелочи. В качестве сорбирующих материалов были выбраны распадающийся сталеплавильный шлак (далее шлак) и отходы обогащения железной руды методом мокрой магнитной сепарации (далее ОММС) [4].
Компоненты выбраны из условия наличия железосодержащих фаз и аналогичности качественных химических составов с целью образования прочных связей при межмолекулярном взаимодействии.
По химическому составу в шлаке и в ОММС преобладают СаО (45 %) и БЮ2 (59 %), что определяет их адсорбционную способность, а присутствие оксидов железа способствуют проявлению магнитных свойств. В магнитных компонентах преобладающее содержание Ре2Оз (67,7 % и 87,5 %,) свидетельствует об их высокой магнитной восприимчивости. Дисперсность компонентов составляла менее 100 мкм.
Исследования проводили по каждому компоненту в отдельности и в следующих комбинациях:
- шлак + железорудный концентрат;
- шлак + синтезированный магнетит;
- ОММС + железорудный концентрат;
- ОММС + железорудный концентрат.
Соотношения компонентов выбраны из условия оптимальной магнитной восприимчивости,
которую измеряли по методу Фарадея по показаниям торсионных весов в магнитном поле. Максимальная напряженность магнитного поля катушки составляла 18 кА/м. На рис. 1 представлены результаты по измерениям магнитной восприимчивости в зависимости от массового соотношения компонентов. Оптимальное массовое соотношение установлено при 60 % магнитного наполнителя и 40 % адсорбирующего компонента, что соответствовало практически равному объемному соотношению компонентов [5].
Рис. 1 - Магнитная восприимчивость различных составов комплексных адсорбентов: ■ -железорудный концентрат + шлак; ♦ -железорудный концентрат + ОММС; ▲ -синтезированный магнетит + шлак; х -синтезированный магнетит + ОММС
Для обеспечения плавучести и снижения водопоглощения исследуемые материалы модифицировали силиконовым гидрофобизатором [5].
Из полученных результатов следует, что необходимое количество гидрофобизатора для достижения максимальной плавучести (12 час) составляет 8-10 %. При этом водопоглощение образцов составляет 6-10 %.
Данные по водопоглощению подтверждаются значениями краевого угла смачивания каплей воды, помещенной на поверхность уплотненного слоя материала, которые составили 115-1200 (рис. 2).
Рис. 2 - Капля воды на поверхности слоя сорбента (кратность увеличения - 50)
Изменение краевого угла смачивания во времени для нефтепродуктов в течение 6 секунд составило от максимального значения до 0, что
соответствует быстрому впитыванию масла в слой адсорбента.
Значения массовой нефтеемкости исследуемых сорбентов составили от 0,6 до 1 кг/кг (в зависимости от вида нефтепродуктов). При этом объемная нефтеемкость составит от 960 до 1600 кг/м3 (при объемной массе комплексного сорбента 1600 кг/м3), что превышает значения известных промышленных сорбентов (при нефтеемкости 5 кг/кг и объемной массе сорбента 200 кг/м3 объемная нефтеемкость составит 1000 кг/м3). Данный показатель является важным при
транспортировании к месту разлива судоходным транспортом с ограниченным объемным пространством.
Предлагаемый магнитный сорбент обладает пожаро- и взрывобезопасными свойствами. Отличается многократностью применения, технологичностью и экономичностью.
Сбор нефтепродуктов с поверхности воды происходит по схеме представленной на рис. 3 [6].
2 9 10 4 5 6
Рис. 3 - Схема удаления нефтепродуктов с поверхности водоемов судном-катамараном и обычным судном: 1 - судно-нефтесборщик, 2 -корпус с проемами для входа и выхода обрабатываемой воды, 3 - бесконечная плоская лента, 4 - нефтесборный барабан с магнитной системой, 5 - скребок, 6 - желоб, 7 - шнек, 8 -сборная емкость, 9 - бункер с магнитным адсорбентом, 10 - барабанный питатель, 11 -емкость с адсорбентом
Из бункера 9 адсорбент распределяется по поверхности обрабатываемой воды. За счет повышенной насыпной массы время насыщения адсорбента составляет 6-10 секунд, в течение которого он достигает нефтесборного барабана 4. Крупные флоккулы, потерявшие плавучесть оседают на движущуюся ленту 3 и также перемещаются к нефтесборному барабану и за счет
магнитного поля притягиваются к его поверхности. Снятие насыщенного адсорбента с поверхности барабана осуществляется скребком 5. Удаление собранной смеси осуществляется вращающимся шнеком 7 в сборную емкость.
Отделение собранных нефтепродуктов осуществляют в шнековой центрифуге в стационарных условиях.
Заключение
Таким образом, предлагаемое устройство позволит эффективно обеспечивать сбор вязких нефтепродуктов с помощью адсорбентов с повышенной насыпной массой за счет быстрого погружения их в слой нефтепродуктов, чего нельзя обеспечить легкими адсорбентами. Достижение полного насыщение адсорбента обеспечивается скоростью движения судна. Для обеспечения времени контакта адсорбента с разлитыми нефтепродуктами в течение 10 секунд и расположении бункера на расстоянии 10 м от нефтесборного барабана скорость движения судна должна быть 3,6 км/ч. При ширине захвата 2 м и толщине слоя разлитых нефтепродуктов 2 мм
количество собранных нефтепродуктов составит 12 т/ч.
ПСтатья подготовлена в рамках выполнения проектной части государственного задания по Заданию № 14.2406.2014/К
Литература
1. О.С. Мочалова, Л.М. Гурвич, Н.М. Антонова, Защита окружающей среды в нефтегазовом комплексе, 3, 20 -25 (2004).
2. О.В. Кравченко, В.В. Лапко, Д.И. Швец, Использование сорбентов на основе растительного сырья для извлечения нефтепродуктов из водных сред и щелочно-нефтяных эмульсий. Химия, Москва, 1995. 218 с.
3. Пат. Украина 1008 (1193).
4. Ю.Е. Токач, Ю.К. Рубанов, А.С. Иванов, И.И. Аркатова, Фундаментальные исследования. 11 (8), 1692- 1697 (2014).
5. Ю.Е. Токач, Ю.К. Рубанов, Композиционные сорбенты на основе оксидов железа для утилизации смазочно-охлаждающих жидкостей. Изд-во БГТУ, Белгород, 2014. 96 с.
6. Пат. РФ 2535744 (2014).
© Ю. К. Рубанов - к.т.н., доцент, профессор кафедры промышленной экологии Федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Белгородский государственный технологический университет им. В.Г. Шухова», [email protected]. Ю. Е. Токач - к.т.н., доцент кафедры промышленной экологии Федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Белгородский государственный технологический университет им. В.Г. Шухова», [email protected].
© Yu. K. Rubanov - candidate technical sciences, associate professor, professor department of Industrial Ecology of Belgorod State Techological University, V.G.Shukhov, [email protected]. Yu. E. Tokach - candidate technical sciences, associate professor department of Industrial Ecology of Belgorod State Techological University, V.G.Shukhov, [email protected].
