Исследование возможности использования сорбентов из диспергированных полимерных отходов для очистки воды от нефтезагрязнений с последующей биорегенерацией

Елена Чугунова, Ольга Ефимова,  аспиранты Московского государственного университета инженерной экологии (МГУИЭ);

Валентин Бирюков,  доктор технических наук, профессор,  заведующий кафедрой ЭиПБ МГУИЭ;

Вадим Никольский,  кандидат физико‑математических наук, профессор, ведущий научный сотрудник Института химической физики имени

Н.Н.Семенова РАН

В  результате  систематических  аварийных  разливов  нефти  в России  ежегодно  в  окружающую  среду  попадает  около  25  млн. тонн нефти. Проблема очистки водной среды от нефтепродуктов и обеспечения качества питьевой воды определена в настоящее время как одна из важнейших экологических задач.

В существующих  технологиях  сбора нефти и ее продуктов с поверхности воды, наряду с механическим, химическим  и  биологическим,  широко  используется  сорбционных  способ, основанный на применении различных  сорбентов. 

Сорбция  -  это практически  единственный  метод, позволяющий  очищать  воду  от  нефтепродуктов  до  любого  требуемого уровня без внесения каких‑либо вторичных  загрязнений.  Чаще  других сорбентов  используется  гранулированный активированный уголь. Однако его стоимость в нашей стране и за рубежом достаточно высока.

В  процессе  исследований  в  качестве  сорбентов  использовались  диспергированные  (измельченные)  полимеры.  Уникальность  данных  сорбентов в том, что сырьем для их получения  служат  отходы,  например,  изношенные  автопокрышки  и  полиэтиленовая  тара.  Таким  образом,  решается одна из экологических проблем: вторичное использование продуктов

Проблема  переработки  изношенных автопокрышек  и  полиэтиленовой  тары  актуальна  для  всех  стран  мира, поскольку ежегодно на Земле образуется  более  20  млн.  тонн  таких  отходов.  Однако  вместо  рационального использования их либо сжигают, либо подвергают  захоронению,  тем  самым,  нанося  вред  окружающей  среде.

Измельчение полимеров осуществлялось методом высокотемпературного сдвигового измельчения, разработанным в 80‑е годы в Институте химической  физики  РАН  и  основанным на  использовании  явления  множественного растрескивания твердого тела в условиях интенсивного сжатия и одновременного  деформирования сдвигом.

Этот  метод  является  наиболее перспективным по сравнению с механическим и криогенным измельчением.  К его достоинствам относятся:

‑ низкие  энергозатраты  на  измельчение(от 100 ‑ 500 кВтч/т);
‑ большая  удельная  поверхность измельченных частиц (0,3 ‑ 5 м 2 /г);
‑ измельчение  материала  до  частиц  со  средним  размером  10 - 800 мкм;
‑ экологическая чистота.

Метод  высокотемпературного сдвигового измельчения реализуется в специальных установках ‑ роторных диспергаторах.

Роторные  диспергаторы отличаются:

‑ простотой  и  надежностью  в  сочетании с широкими функциональными возможностями;
‑ отсутствием специальных нагревателей;
‑ уникальной  системой  водяного охлаждения;
‑ отсутствием  трущихся  механических поверхностей;
‑ сравнительно небольшими габаритами,  не  требующими  больших производственных площадей.

Процесс измельчения материалов в  роторном  диспергаторе  включает три этапа:

‑ уплотнение  и  саморазогрев  материала;
‑ разрушение  материала  поддействием  высокой  температуры, сжатия и сдвига;
‑ охлаждение  образовавшегося порошка.

В  роторном  диспергаторе  осуществляется  измельчение  материалов до частиц размером от 10 до 800 мкм, обладающих  большой  удельной  поверхностью и высокой химической активностью.

Внешний  вид  полученных  порошков  из  резины  и  полиэтилена  представлен на рис. 1, 2, 3.

В ходе исследований была изучена возможность  применения  в  качестве сорбентов  активных  порошковых  материалов,  полученных  измельчением отходов  полимеров  в  роторном  диспергаторе. В результате исследований весовым  методом  определена  сорбционная  емкость  данных  материалов по отношению к нефти (таблица 1).

Для  проверки  сорбционной  емкости проводился следующий опыт. В стакан  с  водой  наливали  нефть,  как показано  на  рис.  4.  На  поверхность нефтяной пленки насыпали порошковый сорбент, исходя из сорбционной емкости. Через некоторое время следов  нефти  на  поверхности  воды  не наблюдалось, что видно на рис. 5.

Для сорбентов характерна высокая водостойкость,  плавучесть.  Время полной сорбции нефтяной пленки с поверхности воды составляет 1 - 30 мин.

В  процессе  исследований  была  поставлена задача облегчения сбора сорбентов  с  поверхности  воды  за счет создания конструкций из порошковых материалов: пластин и матов.

Формирование  пластин  осуществлялось  прессованием  порошка  из полимеров под действием невысокого  давления  и  температуры  порядка 70°С.  Были  созданы  термоскрепленные пластины как из одного материала - порошка резины (рис. 6), так и из композиции  порошков  резины  и  полиэтилена в соотношении 4:1 (рис. 7).

Сорбционная емкость пластин оказалась  выше,  чем  у  порошковых  материалов  за  счет  создания  капилляров между частичками порошка, и составила 3,4 и 3,3 г/г соответственно.

Для  большего  проявления  капиллярных явлений в состав таких пластин был добавлен волокнистый материал  синтепон  в  количестве  1% (масс). Сорбционная емкость пластин с синтепоном - 3,6 г/г. Но  в  процессе  сорбции  нефти пластины теряют свою монолитность вследствие набухания. Поэтому пластину заключили в оболочку из нейлона (чтобы частички сорбента не оставались в воде). Сорбционная емкость пластин в оболочке - 4,2 г/г.

Изготовление матов менее трудоемко, и осуществляется путем заключения в оболочку из нейлона нескрепленного  порошкового  материала  из резины и полиэтилена. Это более дешевый способ создания конструкций, но сорбционная емкость матов незначительно отличается от порошка. Поэтому в порошок‑наполнитель решили  добавить  сорбент  с  большей удельной  поверхностью,  в  частности, был  использован  термообработанный графит. И хотя из‑за высокой стоимости  его  добавляли  в  небольших концентрациях  (10  %),  в  результате сорбционная  емкость  матов  стала намного больше и составила 5, 6 и 4,2 г/г соответственно.

Любые сорбенты нуждаются в регенерации  с  целью  повторного  использования. Поэтому исследована и успешно  доказана  возможность  восстановления  сорбционной  емкости биологическим путем, т.е. с помощью биодеструкторов нефти.

Предлагается  проводить  регенерацию в процессе культивирования в ферментере  нефтеокисляющих  микроорганизмов в водной среде, в которую  помещен  использованный  сорбент для очистки воды от нефти.

Биологический  способ  регенерации  является  наиболее  дешевым  и экологически безвредным.

В  лабораторных  исследованиях  в качестве нефтеокисляющих микроорганизмов  использовался  биопрепарат  «Олеоворин»,  разработанный  в ВНИИ  «Синтезбелок».  Он  состоит  из штаммов  бактерий  Acinetobacteroleovorum ВСБ - 712 и ВСБ - 568, выделенных из природного биоценоза и прошедших лабораторную селекцию. Они нетоксичны, непатогенны и неинвазивны;  не  вступают  в  антагонистические  отношения  с  природной  микрофлорой.  Каждый  из  штаммов  способен  окислять  с  высокой  интенсивностью нефть, нефтепродукты (мазут, дизельное  топливо,  трансформаторное масло и др.), фенол, толуол, бензол, 3,4‑бензапирен.

Предлагается  принципиальная технологическая  схема  применения данного  способа  очистки  воды  от нефтяных загрязнений. Она включает следующие стадии:

1. Получение сорбентов путем измельчения полимерных отходов.
2. Распределение сорбента по поверхности нефтяного загрязнения.
3. Сбор сорбента, впитавшего нефть.
4. Механический отжим сорбента.
5. Биорегенерация сорбента.
6. Сушка и фасовка  регенерированного сорбента.
7. Хранение сорбента до  следующего применения.
8. Использование сорбента, потерявшего сорбционные свойства в качестве добавки в асфальтобетон.

Рассмотренная  технология  получения,  применения  и  регенерации сорбентов  на  основе  отходов  полимерных  материалов  перспективна для  практического  использования  и дальнейшего изучения.

Журнал «Вода Magazine», №1 (сентябрь) 2007 г.