Использование нефтяных коксов для очистки воды от нефти и нефтепродуктов
На сегодняшний день на рынке присутствует большое количество сорбентов для очистки воды от нефти, бензина, дизтоплива, мазута, масла или жира, однако не каждый из них может обеспечить требуемую безопасность, удобство применения, качество и последующую утилизацию материала. Одним из наиболее эффективных методов очистки воды, отвечающих данным требованиям, является использование сорбентов на основе специальных нефтяных коксов. Этот способ обеспечивает двойное преимущество: помимо очистки воды он позволяет возвращать к повторному использованию собранные нефть и нефтепродукты.
При производстве и использовании нефтепродуктов происходит их попадание в окружающую среду, в результате чего загрязняются атмосфера, почва, вода. Нефтяные загрязнения могут привести к существенному изменению экологической среды обитания человека, нарушению природного баланса микроэлементов в биосфере. Поэтому рекультивация, очистка природной среды от нефти и нефтепродуктов, разработка и осуществление мероприятий по охране воздушных, водных и почвенных ресурсов - это актуальная задача, от правильного решения которой зависит не только сохранение богатства природы, но и дальнейшее развитие экономики страны.
Ежегодно в воду попадает почти 1,5 млн. м3 нефти и нефтепродуктов.
Разлив нефти - это сброс сырой нефти, нефтепродуктов, смазочных материалов, смесей, содержащих нефть, и очищенных углеводородов в окружающую среду, произошедший в результате аварийной ситуации при добыче, транспортировке и хранении нефти. Вероятность, частота возникновения, масштаб, интенсивность и экологические последствия аварийных разливов нефти различаются в зависимости от широкого спектра природных и технологических факторов. Любая нефтедобыча не может быть абсолютно экологически чистой. Определенное количество углеводородов, как показывает мировой опыт, обязательно попадает в окружающую среду.
Наибольшие потери нефти связаны с ее морской транспортировкой из районов добычи. Аварийные ситуации, слив за борт танкерами промывочных и балластных вод - все это обуславливает присутствие постоянных полей загрязнения на трассах морских путей. Снимки поверхности Земли, сделанные со спутников, показывают, что уже до 20% поверхности океана покрыто нефтяной пленкой. Особенно загрязнены воды Средиземного моря, Атлантического океана. Развитие нефтедобычи сопровождаются увеличением масштабов и ростом объемов нефтяных загрязнений и отходов, вызывающих нарастание экологической угрозы, уменьшение площадей хозяйственных угодий, снижение плодородия почв и ухудшение здоровья населения. Существующие технологии ликвидации нефтяных загрязнений не обеспечивают требуемых объемов, темпов и степени очистки природных, промышленных и хозяйственных объектов от нефтяных загрязнений, оказываются малоэффективными и высокозатратными и не соответствуют современным требованиям экологии. При этом, по экспертным оценкам, от 3 до 7% добытого, перевезенного и сохраненного нефтепродукта в стране теряется безвозвратно в загрязнениях и отходах [1].
Для ликвидации последствий разлива нефти на водную поверхность используют преимущественно механические и сорбционные методы. Однако при толщине нефтяной пленки менее 1-2 мм, а также при малой глубине водоема использование механических средств становится невозможным. В таких условиях наиболее эффективны специальные нефтесорбирующие материалы.
Сорбенты - это материалы, собирающие нефть путем адсорбции и абсорбции (налипания или впитывания). Сорбция - процесс поглощения твердым телом или жидкостью какого-либо вещества из окружающей среды. Основные разновидности сорбции - адсорбция, абсорбция, хемосорбция.
Главными требованиями, предъявляемыми к нефтесорбирующим материалам, являются: безвредность для окружающей среды, нефтеемкость (количество поглощенного неф- тепродукта на единицу веса сорбента), плавучесть (в исходном и насыщенном состоянии), гидрофобность (сорбент не должен впитывать воду), возможность регенерации и повторного использования, технологичность изготовления и применения (удобство нанесения на поверхность и удаление), доступная стоимость. Именно по совокупности этих факторов определяется эффективность применения нефтесорбирующих материалов.
Сбор нефти сорбентами является одним из возможных методов ликвидации разливов, когда работа других нефтесборных средств и специализированных плавсредств затруднена (на малых глубинах, в условиях ограниченных площадей и т.п.).
Сорбенты обычно разделяются на три типа: неорганические, природные органические и искусственные органические. Сорбенты выпускаются в виде полос, ковриков, матов, валиков, боновых заграждений, подушек и свободно разбрасываемого сорбента.
Важной особенностью сорбентов является их плавучесть, аналогичная нефти и нефтепродуктам.
Сорбент наносится на водную поверхность и под нефтяное пятно с помощью распылителя бункерного типа с использованием в качестве носителя воздуха (комплектуется компрессором) или воды (комплектуется насосом).
Существуют сорбенты многоразового пользования для сбора разлитой нефти (нефтепродуктов) с поверхности воды, почвы, вплоть до удаления радужной пленки. Сорбенты удерживаются на поверхности воды, не тонут, хорошо сорбируют нефть при температурах от 0 до 30°С. Выпускаются в различной форме (рулонах, матах, салфетках) и используются в зависимости от условий. Маты армированы волокнами из полипропилена и предназначены для использования в качестве плавучих нефтепоглощающих боновых заграждений (тралов) различной конструкции. Сорбционная емкость составляет 15-20 кг нефти на 1 кг адсорбента. Регенерация (отжим нефти) до 10 циклов снижает емкость на 1-2 кг. Общий объем сбора нефти - на 1 кг адсорбента до 150 кг нефти. Использованные сорбенты могут применяться как топливо, гидроизоляционный материал [2].
Несмотря на получение первичного экологического эффекта - разрыва сплошного пленочного загрязнения, сорбции растворенных и эмульгированных нефтей, они имеют и существенный недостаток - требуют сбора и утилизации, которые не всегда осуществимы на практике.
Наибольшую трудность в технологическом аспекте представляет очистка водных поверхностей от плавающей нефти с помощью гидрофобных плавающих сыпучих сорбентов-собирателей. Обычно нефтесорбент распыляется пневматическим устройством на загрязненную водную поверхность и после поглощения нефти собирается механическими средствами, например, сетчатым черпаком или специальным сепаратором.
Сорбенты из синтетических материалов (маты, фильтры) можно использовать многократно. От сорбированных нефтепродуктов их регенерируют на месте путем механического отжима. Для непрерывной регенерации синтетического сорбента в виде волокна, используемого для сбора нефти с поверхности, на установках типа SK-2 и SK-6 его применяют в виде бесконечной ленты; в регенерированном масле всего 1-2% воды. Для адсорбции эмульгированных масел готовят материал типа фетра из волокон на основе синтетических смол, между слоями которого может быть помещен вспененный материал (сорбционная емкость 1 г такого многослойного блока достигает 1-3 г нефти).
На рынке присутствует достаточное количество сорбентов для сбора нефтепродуктов, мазута, дизтоплива, масла или жира, но не каждый из них может обеспечить требуемую безопасность, удобство применения и качество. Например, сорбент мазута, дизтоплива, масла не должен гореть сам по себе, понижая тем самым температуру воспламенения, поэтому применение сорбента на основе мха, опилок, синтепона, пенопласта, резины создает пожароопасную ситуацию. Некоторые токсичные жидкости начинают разъедать структуру сорбента, что также недопустимо. Немаловажным свойством сорбента является его дальнейшая утилизация. Как правило, утилизация производится через захоронение, сжигание или размещение на специальных полигонах.
Приемка отходов на полигоны требует наличия специального разрешения от местных контролирующих ведомств, и допускаемые объемы зачастую лимитированы. Необходимо провести химические анализы для определения опасного уровня содержания нефтепродуктов на данной стадии. Объекты, имеющие возможность принимать такие отходы, становится все труднее найти.
Использование переносных установок для сжигания (инсинераторов) зачастую запрещается законодательством, которое требует, чтобы на сам объект была получена лицензия, а также была проведена оценка выбросов. Углеродные сорбенты существенно отличаются от других высокопористых материалов, таких как сырой кокс, пемза и графит, тем, что содержат микропоры и супермикропоры, являющиеся собственно поглощающими порами и играющими определяющую роль при адсорбции газов и паров, а в большинстве случаев и в процессах жидкофазной адсорбции. Это обусловлено колоссальной геометрической поверхностью скелета пор, которая может достигать 400- 1400 м2/г. Объем микропор и супермикропор обычно колеблется в интервале 0,2-0,6 см3/г, но может достигать 1,3-1,5 см3/г. Большинство углеродных материалов, в частности все промышленные активные угли, содержат мезопоры с объемом 0,04- 0,20 см3/г и удельной поверхностью скелета до 100 м2/г, которые незначительно поглощают газы и пары, однако они вносят ощутимый вклад в адсорбцию крупных молекул органических веществ из растворов.
Макропоры ввиду малой удельной поверхности скелета (менее 2 м2/г) в адсорбционных процессах важны только как транспортные артерии. Их роль важна в процессах катализа и хемосорбции, где они выполняют функцию полостей для активных добавок, а также служат в качестве контейнеров для хранения, например, ацетилен-ацетонового раствора в производстве ацетиленовых баллонов, наполненных активным углем.
В целом технология производства пористых углеродных материалов на основе нефтепродуктов принципиально не отличается от традиционной схемы получения гранулированных сорбентов. Дополнительно требуется специальная подготовка сырья, а именно, получение кокса в процессе замедленного коксования и связующего пека в процессе пекования.
Принципиально схема получения углеродных сорбентов может выглядеть следующим образом (рис. 1).
Характеристики активированного углеродного сорбента представлены в таблице 1.
Для сбора нефти с водной поверхности возможно использование кассетных фильтров с сорбентом, перемещаемых вдоль поверхности нефтяного пятна, ограниченного по периметру бонами (рис. 2).
Кассетные фильтры перемещают по площади пятна, адсорбируя нефтепродукты.
Для снижения действительной плотности сорбента возможен его сплав с полимерными носителями (не более 25% массы).
Утилизация сорбента предполагает регенерацию коксованием насыщенного сорбента (рис. 3).
В процессе регенерации образуется кокс для исходного процесса получения сорбента (рис. 1) в количестве около 28% массы на исходный насыщенный сорбент, побочные продукты блока ректификации (бензин, газойли, дизтопливо) и газы, которые направляются в печь дожига. Примерный материальный баланс процесса регенерации насыщенного сорбента представлен в таблице 2.
Таким образом, использование сорбентов на основе нефтяного кокса для сбора нефти и нефтепродуктов предполагает достаточно высокую эффективность и возможность регенерации сорбента для его повторного использования. Кроме того, установка регенерации позволяет получать дополнительное количество нефтепродуктов.
Литература:
1. Воробьев Ю.Л., Акимов В.А., Соколов Ю.И. Предупреждение и ликвидация аварийных разливов нефти и нефтепродуктов. - М.: Ин-октаво, 2005. - 368 с.
2. Смирнов А.Д. Сорбционная очистка воды. - Л.: Химия, 1982. - 168 с.
Журнал «Вода Magazine», №9 (73), 2013 г.
