книги / Техника и технологии локализации и ликвидации аварийных разливов нефти и нефтепродуктов

В настоящее время в мире известно около двух сотен различных сорбентов, которые используются для ликвидации разливов нефти. Основной явля­ ется классификация сорбентов по типу их основы:

•неорганические (табл. 3.51),

•природные органические и искусственные органические (табл. 3.52),

•синтетические (табл. 3.53),

•биологические (разд. 4.2).

Классификация нефтяных сорбентов может быть осуществлена и по другим признакам, в частности по дисперсности, типу пористой структуры, харак­ теру смачивания водой, назначению, специальным свойствам, плавучести, преимущественному спо­ собу утилизации, структуре и другим свойствам, определяющим практическое применение.

По характеру смачивания водой в зависимости от статического угла смачивания сорбенты делятся:

•на гидрофильные (<90°),

•безразличного смачивания (90°),

•гидрофобные (>90°).

Данная классификация тесно связана с плавуче­ стью и влагоемкостью сорбентов, которые, в свою очередь, определяют время смены сорбента и его работу при отрицательных температурах.

По плавучести в зависимости от времени выде­ ляются сорбенты:

•высокой плавучести (более 72 ч),

•ограниченной плавучести (3-72 ч),

•неплавучие (до 3 ч).

По предпочтительным сферам применения нефтяные сорбенты распределяются следующим образом:

• наносимые на поверхность воды и почвы для удаления поверхностных загрязнений:

-объемно-пористые,

-торфяные,

-природные волокнистые;

•загружаемые в фильтры для удаления объем­ ных загрязнений воды:

-полиакриламидное волокно,

-дисперсные кремнеземы,

-цеолиты,

-слоистые силикаты.

По предпочтительным способам регенерации и последующей утилизации нефтяные сорбенты распределяются таким образом:

•отжим-сжигание — хлопковые волокнистые, синтетические волокнистые;

•отжим-захоронение — объемно-пористые, синтетические, графитовые;

•обжиг-захоронение — кремнеземистые, слоисто­ силикатные;

•сжигание — угольные, лигниновые;

•биоразложение — природные волокнистые, торфяные.

Данная классификация напрямую связана с вопро­ сом выбора сорбента, т. к. способ утилизации важно определить на стадии планирования. В нашей стране стандартная классификация сорбентов не принята. Ниже в качестве примера представлены классификации, принятые во французской Ассо­ циации норм и стандартов и в США по стандарту F 726-99 (табл. 3.54).

Изготовляемые сорбенты распределены по типам исходя из их формы:

•сыпучие нефтяные сорбенты (в виде порошков, волокон, стружек, тонких частиц);

•формованные нефтяные сорбенты (в виде ков­ ров, листов, рулонов, заграждений).

Сорбенты высокой плотности (плотность сор­ бента больше плотности воды) используются для потопления нефти в море (разд. 3.1.5).

Таблица 3.51

Примечание. Многоточие (...) в графах означает отсутствие сведений.

Биосорбент Миксойл С-ВЕРАД

8

2 6-8

100

Сжигание, В цемент­ захороне­ ной про­ ние мышлен­

ности

«Терми­ НПК нал» «Окпур»

Таблица 3.52

Фирма сорбента

Плавающие сыпучие сорбенты

Салфетки, листы

Фирма сорбента

Рулоны

Подушки

Сорбирующие БЗ

Веревки и тросы

Специальные продукты

Окончание таол. 3.54

Методы определения основных свойств сорбентов

В реальных условиях сорбционная способность сорбентов, как правило, в 10-15 раз ниже экспе­ риментально установленной. Причина — измене­ ние физико-химических свойств разлитой нефти в результате ее испарения, окисления, эмульгиро­ вания и других процессов.

При оценке эффективности сорбентов обычно руководствуются тремя критериями: нефте- и влагоемкостью, плавучестью.

Методика оценки нефтеемкости сорбента

Из медной сетки вырезают круги диаметром 3080 мм и по краю припаивают отбортовку из медной проволоки. Готовые сетки взвешивают и помещают в чашки. Вырезают из кальки прокладки под сетки.

Подготовленные к испытанию сетки с отбор­ товкой (масса /7/сЛ а затем прокладку из кальки (масса ть) взвешивают, после чего последняя остается на весах.

Сетку погружают в нефть или нефтепродукт, выдерживают 10-15 мин, дают стечь избытку

нефти и производят взвешивание на прокладке (масса MQ).

Величина т\ = w0 - тс - л*б характеризует массу удерживаемой сеткой нефти. Измерение проводят 3 раза, каждый раз промывая сетку бензином, высушивая и заменяя прокладку.

Вычисляют среднее арифметическое значение:

т = тЛш

где N — число измерений, п — номер текущего измерения.

На чистую сетку в один слой помещают 5 г сор­ бента. Взвешивают прокладку (масса ms) и оставляют ее на весах.

Взвешивают сетку с сорбентом (масса тк), при этом масса Мсорб = тк - тъ - тс равна массе испы­ тываемого сорбента.

Сетку с сорбентом погружают в нефть или нефте­ продукт, выдерживают в ней 10-15 мин, после чего избытку нефти дают стечь, а сетку с насыщенным сорбентом взвешивают на прокладке (масса т2). Тогда масса тн = т2-т \ характеризует массу нефти, поглощенной сорбентом.

Сорбционную способность по массе рассчиты­ вают по формуле

Методика определения влагоемкости сорбента

В чашки разного диаметра, заполненные водой, помещают по 5 г сорбента таким образом, чтобы в чашке самого большого диаметра слой сорбента составлял 1-2 мм. В других чашках с последова­ тельно уменьшающимся диаметром слой сорбента должен составлять 3-5, 5-7, 10, 20 и 30 мм соот­ ветственно.

Через 3 ч сорбент извлекают из чашек и поме­ щают в стаканы, вес которых известен. Стаканы

ссорбентом взвешивают на аналитических весах

иопределяют массу сырого сорбента. Влагоемкость W определяют по формуле

W = тс - т • 100% ,

т

где то т — соответственно массы сырого и сухого сорбента, г.

Аппаратура и материалы:

•весы лабораторные с пределом взвешивания не менее 200 г и точностью не менее 0,01 г с соот­ ветствующим набором гирь;

•медная проволока с сечением 0,8-1,2 мм;

•медная сетка с размером ячеек 100-150 меш;

•термометр со шкалой измерений 0-50 °С;

•чашки Петри или стаканы химические стек­ лянные или фарфоровые 50 и 100 мл.

Образец сорбента помещают в контейнер, напо­ ловину заполненный пресной водой с добавкой 3 мл нефти (средняя нефть, 300 сП или эквивалентная). Контейнер запечатывают и устанавливают на осно­ вание шейкера или подобного устройства с часто­ той работы 150 циклов в минуту и амплитудой 3 см. Содержимому контейнера дают отстояться в тече­ ние 2 мин. При наблюдениях учитывается не только количество утонувшего сорбента, но и внешний вид сорбента и воды, постоянство цвета воды на поверхности.

Подушки, сорбирующие БЗ, веревки и тросы. Внешняя ткань или сетка и материал наполнителя проверяются независимо для подушек и сорби­ рующих БЗ. Материал внешней ткани или сетки подушек и сорбирующих БЗ подготавливают так же, как салфетки, рулоны и листы, материал наполни­ теля — так же, как плавающие сыпучие сорбенты. Если адсорбирующий материал не остался на по­ верхности после теста, то считается, что изделие не прошло испытание.

Определение нефтяной адсорбции. В ходе этого теста получают идеализированные лабораторные данные, которые могут использоваться для срав­ нения нефтеемкостей сорбентов и получения от­ носительной эффективности, исходя из стоимости. Надо помнить, что в реальных условиях сорбент не будет нанесен на нефтяной слой достаточной толщины, чтобы полностью и быстро насыщаться. Этот тест дает данные о максимально возможной нефтеемкости и идеализированном времени на­ сыщения. Цель теста — определить оптимальный сорбент без конкурирующего присутствия воды. Эти данные получают при условии, что толщина слоя нефти близка или превышает толщину частиц сорбента.

К о р о т к и й т е с т

Салфетки, листы, рулоны. Испытательный жидкий слой должен иметь минимальную тол­ щину 2,5 см, если толщина слоя сорбента менее 2,5 см. Если толщина слоя сорбента более 2,5 см, то слой нефти, по крайней мере, должен быть такой же толщины, как адсорбирующий образец.

Образец сорбента должен весить минимум 4 г, иметь острые края (чтобы минимизировать уплот­ нение) и размер 13 * 13 см. Образец взвешивают, данные регистрируют. Испытательный контейнер заполняют слоем нефти. Сорбент опускают в кон­

тейнер, и он свободно плавает в нефти в пределах контейнера. Спустя 15 мин ± 20 с сорбент удаляют

идают ему стечь в течение (30 ± 3) с (для тяжелой

ивыветренной нефти время стекания составляет 2 мин ± 3 с). Взвешивают сорбент с нефтью. Все тесты проводят трижды, для проведения дальней­ ших вычислений используют среднее значение. Если масса какого-либо образца отличается от средних значений больше чем на 15 %, то данный

образец не учитывают и испытание повторяют с тремя новыми образцами.

Плавающие сыпучие сорбенты. Испытательный жидкий слой должен иметь минимальную тол­ щину 2,5 см, если толщина слоя сорбента менее 2,5 см. Если толщина слоя сорбента более 2,5 см, то слой нефти, по крайней мере, должен быть такой же толщины, как адсорбирующий образец.

Образец сорбента должен весить минимум 4 г, острые края (чтобы минимизировать уплотнение)

иразмер 13 * 13 см. Образец взвешивают, данные регистрируют. Испытательный контейнер запол­ няют слоем нефти. Сорбент опускают в контейнер,

ион свободно плавает в нефти в пределах контей­ нера. Спустя 15 мин ± 20 с сорбент удаляют и дают

ему стечь в продолжение (30 ± 3) с (для тяжелой и выветренной нефти время стекания составляет 2 мин ± 3 с). Взвешивают сорбент с нефтью. Все тесты проводят трижды. Для проведения даль­ нейших вычислений используют среднее значе­ ние. Если масса какого-либо образца отличается от средних значений более чем на 15 %, то дан­ ный образец не учитывают и испытание повторяют с тремя новыми образцами.

Подушки, сорбирующие БЗ, веревки и тросы.

Изделие взвешивают и измеряют. Испытательный контейнер заполняют слоем нефти до высоты, рав­ ной толщине изделия. Изделие погружают в контей­ нер, оно должно свободно плавать в его пределах. Спустя 15 мин ± 20 с изделие вынимают и дают стечь нефти в продолжение (30 ± 3) с (для тяжелой и выветренной нефти в течение 2 мин ± 3 с). Далее определяют и записывают массу образца. Все тесты повторяют 3 раза. В расчетах используют среднее значение. Соотношение поглощенной нефти и массы образца определяется количеством нефти в образце. Если значение из одного цикла отклоняется от среднего более чем на 15 %, то тест повторяется заново с тремя новыми образцами.

Д л и н н ы й т е с т Все испытания проводят при использовании

указанной нефти и температуре (23 ± 4) °С.

Салфетки, листы, рулоны. Испытательный жидкий слой должен иметь минимальную тол­ щину 2,5 см, если толщина слоя сорбента менее 2.5 см. Если толщина слоя сорбента более 2,5 см, то жидкий слой должен иметь хотя бы такую же толщину.

Тестируемый образец сорбента должен весить минимум 4 г. Образец обрезается квадратом с ост­ рыми краями (чтобы минимизировать уплотнение) размером 13 * 13 см. Затем образец взвешивают, показания записывают. Опытную ячейку запол­ няют начальным слоем испытательной жидкости. Сорбент помещают в ячейку, он должен свободно плавать в ее пределах. Спустя 24 ч ± 30 мин выни­ мают насыщенный сорбент и выдерживают в про­ должение (30 ± 3) с, чтобы стекла нефть (для тяже­ лой и выветренной нефти в течение 2 мин ± 3 с). Под образец ставят посуду, куда будут падать капли, затем туда помещают сорбент. Определяют и записывают массу образца. Все тесты повторяют 3 раза. В расчетах используют среднее значение. Соотношение поглощенной нефти и массы образца определяется количеством нефти в образце. Если значение из одного цикла отклоняется от среднего более чем на 15 %, то тест повторяют заново с тремя новыми образцами.

Плавающие сыпучие сорбенты. Испытательный жидкий слой должен иметь толщину минимум 2.5 см, если толщина слоя сорбента менее 2,5 см. Если толщина слоя сорбента более 2,5 см, то жидкий слой должен быть хотя бы таким же по толщине.

Тестируемый образец сорбента должен весить минимум 4 г. Определяют и записывают массу образца. Ячейку заполняют начальным слоем ис­ пытательной жидкости. Сорбент помещают в кор­ зинку, которую погружают в ячейку. Он должен свободно плавать в ее пределах. После 24 ч ± 30 мин вынимают сорбент и выдерживают в течение (30 ± 3) с, чтобы стекла нефть (для тяже­ лой и выветренной нефти в течение 2 мин ± 3 с).

Под образец ставят посуду, чтобы отловить падающие капли, затем помещают туда сорбент. Определяют и записывают массу образца. Все тесты повторяют 3 раза. В расчетах используют среднее значение. Соотношение поглощенной нефти и массы

образца определяется количеством нефти в образце. Если значение из одного цикла отклоняется от среднего более чем на 15%, то тест повторяют заново с тремя новыми образцами.

Подушки, сорбирующие БЗ, веревки и тросы.

Тестируемый образец изделия взвешивают, дан­ ные записывают. Ячейку заполняют начальным слоем испытательной жидкости до высоты не менее толщины слоя изделия. Изделие помещают в ячейку, оно должно свободно плавать в ее пределах. Спустя 24 ч ± 30 мин изделие вынимают и выдерживают в течение (30 ± 3) с, чтобы стекла нефть (для тяже­ лой и выветренной нефти в течение 2 мин ± 3 с). Под образец ставят посуду, чтобы отловить падающие капли, затем помещают туда изделие. Определяют и записывают массу образца. Все тесты повторяют 3 раза. В расчетах используют среднее значение. Соотношение поглощенной нефти и массы образца определяется количеством нефти в образце. Если значение из одного цикла отклоняется от среднего значения более чем на 15%, то тест повторяют заново с тремя новыми образцами.

Вычисления

Коэффициент влагоемкости вычисляется как отношение массы адсорбированной воды к массе сухого сорбента:

где тс — начальная масса сухого сорбента; тв = /нсорб —тс — масса чистой адсорбируемой

воды (Мсорб — масса образцов сорбента в конце водного испытания).

Коэффициент нефтепоглощения вычисляется как отношение массы адсорбированной нефти к массе сухого сорбента:

тв

где тв = /исорб —тс — масса чистой адсорбируемой

нефти (мсорб — масса адсорбирующих образцов в конце нефтяного испытания).

Коэффициент объемного нефтепоглощения

вычисляется как отношение объема адсорбиро­ ванной нефти к объему сухого сорбента:

где VB= —- (рн — плотность нефти);

Рв

Vc = — (рс — насыпная плотность сорбента).

Рс

Вычисление объемного адсорбирующего коэф­ фициента:

Повторное использование сорбентов (рулоны, салфетки, листы, плавающие сыпучие сорбенты). Этот тест определяет максимальную нефтеемкость, степень нефтеотдачи и возможное количество циклов использования сорбентов. Один из основ­

сколько циклов он может выдержать, пока станет непригодным. Другие факторы — уменьшение нефтеемкости и процент нефти, которая может быть удалена с разумным усилием. В тесте можно применять два способа извлечения нефти из сор­ бента: обжатие и центрифугирование. Моющие технологии не применялись.

Используются средняя и тяжелая нефти. Уда­ ление нефти производится аппаратом, состоящим из открытого контейнера с пористым плоским покрытием.

Взвешивают сухой образец сорбента (М0) (точ­ ность ±2 %), затем насыщают, извлекают жид­ кость и повторно взвешивают, так же как при коротком тесте адсорбционной емкости. Вычитают массу сухого сорбента, чтобы получить массу собранной нефти. Кладут образец на пористое покрытие и сверху помещают жесткую пластину (деревянную, металлическую) известной массы. Добавляют и равномерно распределяют по пла­ стине достаточное количество довесков, чтобы

полная масса была такой, что насыпная плотность сорбента составляла бы 0,7 кг/см3 Извлекают сор­

посуду и взвешивают еще раз с точностью ±2 %. Снова вычитают массу сухого сорбента, чтобы получить массу оставшейся нефти.

Повторяют эту процедуру еще как минимум 4 раза. Делают запись полученных данных (напри­ мер, т$1, т$2, /%з) для адсорбированной каждый раз нефти.

Вычисления

Общая масса нефти, которую сорбент в состоя­ нии поглотить после каждой ступени цикла, есть мера степени ухудшения поглотительной способ­ ности, она должна учитываться как степень сорб­ ционной емкости по массе, по объему или в про­ центах по отношению к массе нефти, собранной во время первого цикла.

Вычисление сорбционной емкости по массе для каждого цикла через суммарное количество адсор­ бированной нефти:

где т0х — масса сорбента в начале цикла х ; т& — масса образцов сорбента в конце цикла х. msx = тох ~ msTx (нефть, адсорбированная за цикл). Запишите сорбционную емкость для каждого цикла.

Вычисление сорбционной емкости как отно­ шения объема адсорбированной нефти к объему сорбента:

где VSvx — адсорбированная нефть(К&) / нефтяная плотность; MQVX — начальная масса сорбента в на­ чале цикла х (MQx) / плотность сорбента при хране­ нии. Запишите объемную сорбционную емкость для каждого цикла.