Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему

Разработка технологии очистки воды гидрофобными органоминеральными сорбентами с магнитными свойствами, полученными на основе горного сырья

ВАК РФ 25.00.36, Геоэкология

Содержание диссертации, кандидата технических наук, Гридин, Андрей Олегович

Введение

Глава 1. Критический обзор научно-технической информации в области ликвидации загрязнений окружающей среды углеводородами.

1.1. Характеристика масштабов и особенностей загрязнения окружающей среды углеводородами.

1.2.Существующие способы ликвидации углеводородных загрязнений.

1.3. Сорбенты, их производство и применение для ликвидации углеводородных загрязнений.

1.4. Перспективные решения в области получения магнитных сорбентов

1.5. Постановка цели и задач исследований

Глава 2. Теоретические и лабораторные исследования гидрофобных сорбентов

2.1. Выбор типа сырья и магнитных добавок для получения сорбентов

2.2. Теоретические исследования возможности получения гид- 50 рофобных плавучих магнитных сорбентов.

2.3. Методика проведения экспериментов

2.4. Результаты экспериментальных'исследований. 64 Выводы

Глава 3. Освоение опытно-промышленного производства и применения гидрофобных магнитных сорбентов.

3.1. Разработка исходных данных на проектирование опытно-промышленной установки.

3.2. Отработка параметров опытно-промышленного производства и наработка опытно-промышленной партии сорбентов

3.3. Лабораторные исследования свойств опытно-промышленных проб нефтяных сорбентов

3.4. Проведение испытаний сорбентов в промышленных условиях. 102 Выводы

Глава 4. Опыт применения гидрофобных сорбентов для очистки среды от углеводородов

4.1. Характеристика объектов и условий применения гидрофобных сорбентов.

4.2. Анализ результатов промышленного применения гидрофобных сорбентов.

4.3. Разработка рекомендаций по выбору оборудования для использования и утилизации сорбентов.

Выводы

Глава 5. Технико-экономические аспекты производства и сбыта магнитных нефтяных сорбентов

5.1. Технологический регламент производства гидрофобных ор-ганоминеральных нефтяных сорбентов

5.2. Общая характеристика рынка сорбентов для ликвидации нефтяных загрязнений.

5.3. Анализ себестоимости разработанных сорбентов.

5.4. Технико-экономические критерии выбора сорбентов 153 Выводы

Введение Диссертация по наукам о земле, на тему "Разработка технологии очистки воды гидрофобными органоминеральными сорбентами с магнитными свойствами, полученными на основе горного сырья"

Актуальность работы. Одними из наиболее опасных веществ, загрязняющих среду обитания, в силу своих свойств и масштабов использования являются углеводороды - нефть, горючий природный газ, газовый конденсат, продукты их переработки.

Важным фактором процесса загрязнения углеводородами воды является способность жидких углеводородов (нефти и особенно ее легких фракций) с большой скоростью растекаться по поверхности воды, образуя тонкую пленку большой площади. Вследствие этого разливы нефти на воде считаются более опасными, чем на почве, где она до определенной степени удерживается частицами почвы. Известно, что литр нефти лишает кислорода 40 тысяч литров воды, тонна нефти загрязняет 12 кв. км водной поверхности. Тяжелые фракция нефти часто оседают на дно водоемов, пагубно действуют на икру, молодь, взрослую рыбу и их корм. Донные отложения, нефть и нефтепродукты, кроме того, являются источниками вторичного загрязнения водоемов. Жидкие углеводороды легко проникают в верхние слои почвы. Часть этих углеводородов фильтруется вместе с почвенными водами и попадает в водоемы, а другая часть углеводородов остается в почве за счет смачивания и адсорбции и затем поступает в корневую систему растений вместе с влагой и питательными элементами, необратимо угнетая развитие растений при концентрации свыше 2 г на 1 кг почвы (порог фитотоксичности).

По официальным данным Госгортехнадзора, ежегодно регистрируется около 2000 утечек нефтепродуктов, химических и других веществ. По данным Российского отделения "Гринпис" (апрель 1995 г.) потери нефти и нефтепродуктов в России за счет аварийных ситуаций и несоблюдения технологической дисциплины достигают 25 млн. т ежегодно. Ожидается, что в связи с изношенностью технологического и транспортного оборудования аварийные разливы будут происходить все чаще.

Заметным источником загрязнения окружающей среды нефтепродуктами являются крупные предприятия, в том числе горные, использующие в работе большие количества горюче-смазочных материалов. На горных предприятиях положение усугубляется еще и тем, что мощные системы водопо-нижения в карьерах и шахтах создают огромные депрессионные воронки, собирающие загрязнения, в том числе углеводородные, с огромных площадей.

Поэтому проблема борьбы с такими загрязнениями является чрезвычайно актуальной.

Среди различных средств борьбы с углеводородными загрязнениями являются сорбенты. Число разработок все новых видов сорбентов в мире постоянно возрастает, при этом разработчики стараются получать все более эффективные сорбенты из наиболее дешевых видов сырья и отходов, свойства которых позволяют собирать различные виды загрязнений в любых условиях. Часто для этого сорбентам требуется придавать специальные свойства, повышающие эффективность их использования в конкретных ситуациях, например, гидрофобность, длительную плавучесть, магнитные свойства для облегчения сбора с поверхности, биологическую активность и т.п.

Поэтому актуальным является и конкретное направление решения проблемы очистки окружающей среды от углеводородных загрязнений - создание сорбентов со специальными свойствами, в данном случае - создание гидрофобных плавучих сорбентов с магнитными свойствами.

Цель работы - разработка технологии производства гидрофобных сорбентов с магнитными свойствами и технических средств их использования для очистки поверхности воды от загрязнения жидкими углеводородами.

Основная идея работы - подбор рецептуры композиции немагнитного и магнитного материалов и условий их обработки, позволяющих получить высокую сорбционную способность сорбента с магнитными свойствами при сохранении его плавучести и обеспечивающих эффективное удаление углеводородных загрязнений с поверхности воды и эвакуацию сорбента с помощью магнитных устройств.

Методы исследований: анализ и обобщение литературных источников и данных практики; аналитические методы изучения состава и свойств материалов; методы математического планирования и обработки экспериментов; лабораторные эксперименты; натурные испытания; физическое и математическое моделирование.

Научные положения, представляемые к защите:

1. Получение дисперсных гидрофобных сорбентов с ферромагнитными свойствами возможно на базе композиций, включающих немагнитные пористые гидрофобные сорбенты из сырья растительного происхождения и магнетита, при этом плавучесть частиц магнитного сорбента определяется как соотношением масс немагнитных и ферромагнитных частиц, так и соотношением их размеров.

2. Безреагентная гидрофобизация композиции из ферромагнитных частиц и частиц сырья растительного происхождения возможна путем селективного удаления гидрофильных функциональных групп органических молекул в процессе частичного термолиза сырья, при этом степень гидрофобизации и емкость поглощения сорбентов определяются величиной потери массы растительного сырья, регулируемой интенсивностью и длительностью теплового воздействия.

3. Прочность связи ферромагнитных и немагнитных частиц после гидрофобизации зависит от содержания смолистых (битуминозных) веществ в композиции. При их содержании в немагнитном компоненте менее 10 % необходимо дополнительное введение в композицию связующих веществ.

4. Норма расхода магнитного сорбента при проведении очистных работ зависит от толщины пленки жидкого углеводорода и его вязкости, при этом оптимальная крупность частиц дисперсных сорбентов при удалении пленок жидких углеводородов должна быть равной толщине пленки.

5. Основным технико-экономическим критерием оценки качества сорбентов является критерий «цена/нефтеемкость»; при этом определяющим критерием в выборе сорбента в случае равного соотношения «цена/нефтеемкость» является критерий учета вспомогательных затрат по отношению к затратам на сорбент.

Научная новизна работы:

1. Впервые установлено, что получение гидрофобных магнитных сорбентов из смеси частиц магнетита и растительного сырья возможно в процессе гидрофобизации последних, при этом показано, что массовая доля магнетита определяется запасом плавучести частиц гидрофобизированных растительных частиц, а соотношение крупности магнитных и немагнитных частиц не должно превышать корня квадратного из произведения массовой доли магнетита на соотношение объемных масс немагнитных и магнитных частиц.

2. Определены рациональные параметры гидрофобизации композиции частиц магнетита и сырья растительного происхождения, в частности установлено, что в тепловых полях гидрофобизация происходит в интервале температур 250-300 °С за 1,5-2 часа без доступа воздуха, при этом потеря массы сырья растительного происхождения составляет 15 - 25%, а краевой угол смачивания сорбента водой составляет 120 -140°.

3. Установлены аналитические зависимости относительной емкости поглощения сорбентами жидких углеводородов от толщины пленки и вязкости последних, относительная емкость поглощения увеличивается с увеличением этих параметров, а для тонких пленок может быть повышена путем введения в дисперсный сорбент частиц, содержащих поверхностно-активные вещества - диспергаторы.

Научное значение работы. Результаты проведенных исследований закладывают технологические основы получения гидрофобных сорбентов из природного сырья и отходов с приданием им специальных свойств

Практическое значение работы. Применение гидрофобных органо-минеральных сорбентов с магнитными свойствами позволяет ликвидировать загрязнения нефтью и нефтепродуктами акваторий морских и речных портов, открытых акваторий, сточных вод, ливневых городских стоков. В частности, в рамках этой работы:

1. Разработаны технологические основы производства гидрофобных магнитных сорбентов, реализованные в Техническом Задании на изготовление опытной установки и в регламенте производства сорбентов.

2. Установлены основные эксплуатационные параметры полученных сорбентов, предложены технические средства для их применения, что реализовано в инструкциях по применению сорбентов и опробовано на практике.

3. Установлены основные технико-экономические критерии производства и применения сорбентов, дающие возможность прогнозировать развитие производства и потребления различных сорбентов.

Достоверность научных положений, выводов и результатов обеспечивается представительностью и надежностью исходных данных, полученных на основе системного подхода, сопоставимостью результатов исследований с данными практики, применением методов физического и математического моделирования, использованием компьютерных расчетов и техникО-экономического анализа.

Реализация работы. Разработанные гидрофобные органоминеральные сорбенты с магнитными свойствами были использованы при ликвидации залповых выбросов нефти на р.Белой (Башкирия), канале Москва-Волга, при ликвидации систематических загрязнений на водных объектах Мосводокана-ла, Мосводостока, Махачкалинского и Находкинского портов, объектах НК «ЛУКойл», «Татнефть».

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы были доложены и одобрены на заседании кафедры инженерной защиты окружающей среды МГГУ (2001 г.).

Публикации. Основные положения диссертации опубликованы в 4 статьях и монографии.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из 5 глав, введения, заключения, списка использованных источников из 105 наименований, 5 приложений, содержит 26 рисунков и 31 таблицу.

Заключение Диссертация по теме "Геоэкология", Гридин, Андрей Олегович

Выводы

1. Разработан технологический регламент на промышленное производство магнитных сорбентов мощностью 600 тонн сорбента в год, основанное на отечественном оборудовании, или оборудовании, изготавливаемом по техническому заданию разработчика. Производство отвечает всем нормам безопасности и охраны среды.

2. Рассчитаны экономические показатели производства и показано., что производственная себестоимость сорбента составит 370 у.е. за тонну, что при коммерческой цене сорбента 2000 у.е. за тонну позволит окупить создание производства за 20 месяцев.

3. Показано, что удельные затраты на применение сорбента определяются двумя критериями - критерием «цена / нефтеемкость» и критерием «вспомогательные / прямые затраты». Указанные критерии позволят производить обоснованное сравнение различных сорбентов и, в соответствии с этим, проводить маркетинговую политику производства.