Очистка нефтезагрязненных вод сорбционными материалами на основе отходов валяльно-войлочного производства (90

На правах рукописи

НИЗАМОВ РАМИЛЬ ХАНИФОВИЧ

ОЧИСТКА НЕФТЕЗАГРЯЗНЕННЫХ ВОД СОРБЦИОННЫМИ МАТЕРИАЛАМИ НА ОСНОВЕ ОТХОДОВ ВАЛЯЛЬНО-ВОЙЛОЧНОГО ПРОИЗВОДСТВА

03.02.08– Экология (в химии и нефтехимии)

АВ Т О Р Е Ф Е Р А Т диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

КАЗАНЬ – 2011

Работа выполнена в ГОУ ВПО «Казанский государственный технологический университет»

Научный руководитель – доктор химических наук, профессор Фридланд Сергей Владимирович

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор Зенитова Любовь Андреевна

доктор технических наук, профессор Исрафилов Ирек Хуснемарданович

Ведущая организация: Татарский научно-исследовательский и проектный институт нефтяной промышленности ОАО «Татнефть», г. Бугульма

Защита состоится 16 марта 2011 г. в час. на заседании диссертационного совета Д 212.080.02 при ГОУ ВПО «Казанский государственный технологический университет» по адресу: 420015, г. Казань, ул. К. Маркса, д. 68, зал заседаний Ученого Совета.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГОУ ВПО «Казанский государственный технологический университет»

Электронный вариант автореферата размещен на официальном сайте организации (www.kstu.ru)

Автореферат разослан «__»__________ 2011 г.

2

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Техногенное загрязнение поверхностных водных объектов и их бассейнов нефтепродуктами в зоне расположения промышленных объектов нефтяной отрасли имеет место при производственной деятельности в результате нарушений герметичности нефтепромысловых сооружений, разливах нефти и нефтепродуктов (НП), а также от организованных и неорганизованных стоков с территорий промобъектов с дождевыми, талыми и поливомоечными водами. Особенно актуальна эта проблема в России в связи с изношенностью оборудования и несоблюдением технологической дисциплины промышленных предприятий. При попадании НП на поверхность водных объектов наибольшую опасность представляет ее ускоренное распространение на большие территории, приводящее к нарушениям экологического баланса в окружающей среде и нормального функционирования биологических систем в течение длительного времени.

Ликвидация аварийных розливов нефти решается установкой боновых заграждений, стационарных нефтеловушек, применением скиммеров и т.д.

Мелкие по дебету водотоки (ручьи, малые реки) и их бассейны, протекающие в зоне влияния промышленных объектов нефтяной отрасли, остаются малозащищенными от техногенной нагрузки. Удаление нефти и НП с поверхности малых по дебету водотоков требует рациональных, малозатратных и эффективных технических решений.

Как показывает мировой опыт, в большинстве случаев наилучших результатов очистки от НП водотоков достигают, используя синтетические сорбенты, которым свойственны высокие сорбционные свойства, и их можно рекуперировать. Также к материалам, обладающим сорбционными свойствами по НП, относятся отходы переработки сельскохозяйственного сырья, объемы которых

скаждым годом возрастают.

Внастоящей диссертационной работе исследована возможность использования в качестве сорбционного материала (СМ) для нефти и НП отхода от переработки шерсти - так называемого «кнопа» - шерстяной пыли, образующейся при шероховке валяльно-войлочных изделий. Таким образом, в работе комплексно решается экологическая задача: отход валяльно-войлочного производства переводится в ранг вторичных материальных ресурсов, что также определяет актуальность работы в экологическом плане.

Цель работы состояла в разработке комплексного, экологически безопасного решения в целях предупреждения и ликвидации последствий загрязнения окружающей среды в зоне влияния промышленных объектов

Автор выражает признательность и благодарность к.т.н. Шайхиеву И.Г. за ценные советы и замечания при написании диссертации.

нефтяной отрасли, основанного на сорбционной очистке нефтезагрязненных вод с использованием промышленных отходов валяльно-войлочного производства.

Задачи исследования:

- провести анализ данных экологического мониторинга водных объектов для разработки необходимых технических мероприятий с целью сохранения от

3

техногенного загрязнения нефтью и НП природных экосистем в бассейнах малых по дебету водных объектов;

-исследовать эффективность СМ – кнопа для ликвидации последствий загрязнения окружающей среды при очистке водных объектов от НП по химическим и токсикометрическим показателям;

-определить параметры химической и физико-химической модификации кнопа с целью увеличения сорбционных характеристик и гидрофобности при сохранении экологической безопасности технологий и материалов;

-обосновать выбор рационального технического решения, позволяющего очистить малые по дебету водные объекты и сточные воды от НП СМ с обеспечением минимальной и допустимой степени антропогенной нагрузки на живую природу при незначительных капитальных и эксплуатационных затратах.

Научная новизна. Показано, что обработка кнопа растворами кислот низкой концентрации способствует увеличению сорбционной емкости по отношению к нефти девонского и карбонового отложений и гидрофобных характеристик СМ.

Определены параметры плазменной обработки кнопа, способствующие приданию модификатам гидрофобных свойств с увеличением нефтепоглощения и уменьшению водопоглощения до 2 раз.

Экспериментально показано, что обработка растворами кислот низкой концентрации и потоком плазмы в гидрофильном режиме приводит к увеличению сорбционной поверхности исследуемых отходов производства, в гидрофобном режиме – к уменьшению площади поверхности.

Определен состав золы от термического обезвреживания отработанных СМ с сорбированными НП и предложены пути дальнейшей ее утилизации.

Практическая значимость работы. Предложено использование отходов валяльно-войлочного производства для очистки природных водных объектов от нефти и НП, в том числе малой дебетности.

Разработана экологически безопасная технология очистки сточных вод (СВ), содержащих НП, позволяющая существенно снизить себестоимость процесса очистки, при сохранении его эффективности.

На основе проведенных опытно-промышленных испытаний отходов валяльно-войлочного производства внедрена технология для доочистки СВ на ОАО «Кукморский валяльно-войлочный комбинат» (КВВК). Рассчитанный экономический эффект от предотвращенного экологического ущерба для данного производства составил более 190 тыс. рублей в год.

Проведены промышленные испытания кнопа в качестве СМ для очистки стоков, содержащих НП, образующихся на автозаправочной станции (АЗС) № 3 и на локальных очистных сооружениях многотопливной автозаправочной станции (МАЗС) № 204 ООО «Татнефть-АЗС Центр».

Рассчитанный экономический эффект от замены штатной сорбционной загрузки на кноп в фильтрах на объектах Альметьевского филиала ООО

«Татнефть-АЗС Центр» составит более 2500 тыс. рублей в год (с учетом НДС). Проведена очистка природного водоисточника от загрязнения нефтью в зоне

деятельности НГДУ «Альметьевнефть» ОАО «Татнефть» кнопом в качестве

4

сорбционной загрузки. Величина предотвращенного экологического ущерба составила более 20 тыс. рублей в год.

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались на: XI Международной научно-практической конференции «Промышленные и бытовые отходы: проблемы хранения, захоронения, утилизации, контроля» (г. Пенза, 2007 г.); Международной научно-практической конференции «Повышение нефтеотдачи пластов на поздней стадии разработки нефтяных месторождений и комплексное освоение высоковязких нефтей и природных битумов» (Казань, 2007 г.); Международной конференции по химической технологии ХТ 07 (г. Москва, 2007 г.); II, III, IV Межрегиональных конференциях «Промышленная экология и безопасность» (Казань, 2007-2009 гг.); конференции «Охрана окружающей среды на объектах нефтегазового комплекса» (г. Альметьевск – Москва, 2008 г.); V Всероссийской конференции «Актуальные вопросы защиты окружающей среды и безопасность территорий регионов России» (г. Улан-Удэ, 2008 г.).

Публикации. Основные положения диссертационной работы опубликованы в печати в 8 статьях, 4 из которых в ведущих рецензируемых научных журналах, рекомендованных ВАК Минобрнауки России и 6 тезисах докладов.

Структура диссертационной работы. Диссертация состоит из 5 глав,

изложенных на 168 страницах, содержит 36 рисунка и 42 таблиц, библиографического списка, включающего 139 литературных источников и приложений.

5

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Глава 1 посвящена аналитическому обзору и включает в себя описание

методов, используемых для ликвидации аварийных розливов нефти на твердой и водной поверхности. Особое внимание уделено обзору использования сельскохозяйственных отходов в качестве сорбентов НП. Рассмотрен материал по практике использования шерсти и ее модификатов в качестве реагентов для очистки водных объектов от поллютантов различной природы. Анализ литературных источников позволил сформулировать основные цели диссертационной работы.

Глава 2 посвящена описанию методик проведения экспериментов и применяемого оборудования.

В главе 3 произведено обсуждение полученных экспериментальных данных.

Мониторинг загрязнения водных объектов нефтью и нефтепродуктами в нефтедобывающих районах Республики Татарстан

Добыча нефти в Республике Татарстан ведется, в основном, на юго-востоке региона силами ОАО «Татнефть» им. Шашина и более чем тридцати малыми нефтяными компаниями. Естественно, добыча нефти сопровождается попаданием последней в водные объекты в результате проливов, технологических аварий на нефтепроводах и т.д. Основная масса нефти и продуктов ее переработки попадает в малые реки, расположенные в юго-восточном регионе Республики Татарстан.

Комплекс природоохранных мер, проводимых нефтедобывающими компаниями Республики Татарстан, приводит к сокращению такого показателя, как удельная порывность нефтепроводов на единицу длины последнего, что демонстрируется, в частности, данными, приведенными на рис. 1. Однако, анализ приведенных материалов показывает, что нефтедобыча, интенсивное развитие в республике химической и топливной промышленности оказывают существенное влияние на загрязнение водных объектов и земель. Содержание НП в водных объектах превышает допустимые нормативы, количество порывов нефтепроводов все еще остаются значительными.

Для того, чтобы довести концентрацию взвешенных веществ в водных объектах до нормативных значений необходимо инженерное решение, направленное на организацию дополнительной очистки сбросов в водные объекты.

Одним из возможных путей решения проблемы улучшения качества поверхностных вод на территории нефтедобычи является локальная очистка стоков, содержащих НП, с применением альтернативных СМ, в частности, отходов от переработки шерсти, что в настоящее кризисное время, видится весьма перспективным решением данной проблемы.

6

Рисунок 1 – Динамика удельной порывности нефтепроводов НГДУ «Джалильнефть» ОАО «Татнефть» за 2000-2009 гг.

В связи с вышеизложенным, в настоящей диссертационной работе была исследована возможность использования в качестве СМ НП отходов производства валяльно-войлочных изделий – кнопа и его модификатов.

Кноп представляет собой, как правило, омертвевшие волокна шерсти короткой длины, образующиеся в процессе трепания шерсти и шероховки шерстяных изделий. В работе исследовались в качестве СМ нефти 2 образца кнопа, образовавшиеся в процессе производства валяльно-войлочных изделий на ОАО «КВВК» (кноп-К) и ООО «Ярославская фабрика валяной обуви» (кноп-Я). Размеры волокон кнопа-К и кнопа-Я были практически одинаковы и по внешним признакам данные отходы отличались друг от друга только жесткостью.

Исследование нефтеемкости сорбентов

Работа заключалась в определении возможности использования исследуемых образцов для сорбции нефти с поверхности воды.

Изучены сорбционные свойства кнопов в статических условиях с нефтями девонских и карбоновых отложений. Зависимости нефтеемкости от времени контакта и вида СМ представлены на рис. 2.

Найдено, что зависимости сорбции нефти имеют гиперболический вид и сорбция последней происходит в течение первых 5-ти минут контактирования СМ с исследуемыми сорбатами.

Отмечено, что наибольшая нефтеемкость достигается при использовании кнопа-К с карбоновой нефтью и составляет 12,46 г/г.

7

исследования проводились с вышеназванным СМ.

Модифицирование сорбента кислотами

C целью модификации кноп-К обрабатывался серной, азотной, соляной и уксусной кислотами разных концентраций. Кноп-К, модифицированный растворами серной, азотной, соляной и уксусной кислотами, имеет условные обозначения кноп + H2SO4, кноп + HNO3, кноп + HCl, кноп + CH3COOH соответственно. Найдено, что наибольшая нефтеемкость сорбционных материалов по отношению к исследуемым нефтям наблюдается при обработке кислотами концентрацией 3 % в течение 15 минут. Полученные после химической обработки модификаты кнопа использовались для исследования сорбции нефти с водной поверхности. Для имитации нефтяного загрязнения на водной поверхности к последней приливалось 3 мл соответствующей нефти и наносился СМ. Через определенные промежутки времени определялась масса суммарного количества поглощенной нефти и воды. Экстракцией CCl4 определялось остаточное содержание нефти в водном объекте, что позволяло определить массу поглощенной нефти и, соответственно, воды. Проведенными экспериментами найдено, что модификаты кнопа имеют одинаковые значения нефтепоглощения, обусловленное высокой нефтеемкостью СМ и малым количеством нефти на водной поверхности. Определено, что обработка уксусной кислотой приводит к

8