Результат интеллектуальной деятельности: СОРБЕНТ ДЛЯ ОЧИСТКИ СТОЧНЫХ ВОД ОТ НЕФТЕПРОДУКТОВ

Изобретение относится к области сорбционной очистки сточных вод от нефтепродуктов и может быть использовано при охране окружающей природной среды, в частности при очистке производственных сточных вод, отводимых в водные объекты, в системы коммунальной канализации или используемых в системах оборотного водоснабжения на предприятиях нефтехимической, химической, машиностроительной и других отраслей промышленности.

Нефть и нефтепродукты в сточных водах обычно находятся в нерастворенном, эмульгированном и растворенном состояниях. После удаления основной части нерастворенных и эмульгированных в воде нефтепродуктов механическими или физико-химическими методами для доочистки от остаточных эмульгированных и растворенных в воде нефтепродуктов наиболее эффективным является сорбционный метод. В качестве сорбентов для очистки сточных вод от нефтепродуктов применяют различные органические, неорганические, органоминеральные вещества природного и искусственного происхождения [Артемов А.В., Пинкин А.В. Сорбционные технологии очистки воды от нефтяных загрязнений // Вода: химия и экология, 2008. - №1. - С. 19-25]. К ним относятся активированные угли, керамзит, антрацит, диатомит, синтетические смолы, химические волокна и др. Наибольшей сорбционной емкостью обладают активированные угли [Сивков А.Л., Панфилова И.Л., Гоголашвили Э.Л. Методы очистки сточных вод электростанций от нефтепродуктов // Водоочистка, 2006. - №11. - С. 17-21]. Недостатком использования активированных углей является их высокая стоимость и необходимость последующей регенерации.

Кроме традиционных материалов, таких как активированные угли, керамзит, антрацит и др., известно применение в качестве сорбентов нефтепродуктов апатита [Патент РФ 2010008, МПК C02F 1/28, 1994], горелой породы [Патент РФ 2102319, МПК B01J 20/20, 1998], гидрофобного вспученного перлита [Патент РФ 2102319, МПК B01J 20/20, 1998], сапропеля [Патент РФ 2414430, МПК C02F 1/28, B01J 20/16, B01J 20/20, 2011] и др.

К причинам, препятствующим достижению указанного ниже технического результата при использовании известных сорбентов, относятся ограниченный характер источника сырья и объекта использования, необходимость осуществлять транспортировку материала к месту очистки и его складирование, потребность в применении регенерации и утилизации отработанного материала, при этом значительно возрастает стоимость сорбента, что приводит к удорожанию способа очистки сточных вод от нефтепродуктов.

Известны сорбционные материалы на основе целлюлозосодержащего растительного сырья. Известно применение в качестве сорбента нефтепродуктов торфа как природного органического сорбента и материалов на его основе (гранулированный торф и т.п.) [Патент РФ 2102319, МПК B01J 20/20, 1998; Патент РФ 2270718, МПК B01J 20/30, 2006; Патент РФ 2465958, МПК B01J 20/20, 2012], модифицированных и немодифицированных древесных опилок [Авторское свидетельство СССР №1527176, кл. C02F 1/28, 1987; Патент РФ 2199383 МПК B01J 20/02, C02F 1/28, Е02В 15/00, 2001; Фогель А.А., Радченко Н.П., Сомин В.А., Комарова Л.Ф. Создание сорбентов на основе древесных отходов для очистки воды от нефтепродуктов // Водоснабжение и водоотведение: качество и эффективность: Труды XIII международной научно-практической конференции. - Кемерово: КемТИПП, СибГИУ, НГАСУ, ООО КВК «Экспо-Сибирь», 2011. - С. 89-90], что позволяет заменить относительно дорогостоящие за счет ограниченной доступности природные и синтетические материалы на доступные из местного природного и техногенного целлюлозосодержащего растительного сырья.

Недостатком способа очистки данными сорбентами является вторичное загрязнение воды органическими веществами лигноуглеводного комплекса торфяных и древесных гидролизатов, гуминовых кислот и др., вымываемыми из торфа и древесных опилок (измельченной древесины). Также недостатком является малая доступность для реализации в производственных условиях.

Известна также сорбционно-фильтровальная загрузка [Патент РФ 2251449, МПК B01J 20/24, 2003], состоящая из измельченной древесины, получаемой из пневой древесины, извлеченной из торфяной залежи. Пневую древесину измельчают, после чего ее разделяют на фракции и для полного удаления из нее природно-сорбированных ионов и легкогидролизуемых соединений обрабатывают раствором минеральной кислоты с последующей укладкой обработанной измельченной древесины в фильтровальную установку, при этом по направлению движения потока фильтрации размер древесных фракций увеличивается. В качестве минеральной кислоты используют соляную кислоту концентрацией 0,01-4 н. раствора. Обработку измельченной древесины осуществляют путем замачивания в растворе минеральной кислоты в течение 10-12 часов. После обработки и отделения от раствора кислоты материал подвергают сушке в вакууме при температуре 20°C. Полученный материал загрузки укладывают в определенной последовательности в зависимости от размеров фракций: вначале частицы размером от 1 до 5 мм; а затем - размером от 5 до 10 мм.

Использование описанной сорбционно-фильтровальной загрузки обеспечивает эффективность очистки сточных вод от нефтепродуктов 93,4% при их исходной концентрации 3,2 мг/дм³.

Обеспечению эффективной и малозатратной очистки сточных вод от нефтепродуктов при применении данной сорбционно-фильтровальной загрузки препятствует использование в качестве ее компонента материала относительно ограниченной доступности, а также сложность приготовления загрузки из-за необходимости ее обработки химическим реагентом и распределения древесных фракций по высоте в ограниченном диапазоне размера частиц. Кроме этого, недостатком указанной загрузки является необходимость применения ее сушки, что сопряжено с удорожанием и ограниченной доступностью для реализации в производственных условиях.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому сорбенту является сорбент из золы, полученной при сжигании шлам-лигнина (отхода целлюлозно-бумажного производства), содержащей, вес.%: С - 14-16, Al₂O₃ - 68-72, Fe₂O₃ - 4-6, CaO - 2,5-3,5, SiO₂ - 6,8-7,2 [Патент РФ 2136599, МПК C02F 1/28, B01J 20/20, 1998]. Данный сорбент применяется для повышения степени очистки сточных вод сложного химического состава, содержащих, кроме нефтепродуктов, также ионы Са²⁺, Hg²⁺, Fe²⁺, и позволяет удешевить процесс сорбции. По степени извлечения нефтепродуктов из сточных вод сорбент обеспечивает остаточные концентрации 0,02 мг/дм³, что ниже норм ПДК.

Однако недостатками применения указанного сорбента является потребность в дополнительных энергетических и временных затратах на обезвоживание шлам-лигнина перед его сжиганием и ограниченная доступность шлам-лигнина, имеющегося в основном только на целлюлозно-бумажных комбинатах.

Технической задачей, решаемой при использовании предлагаемого сорбента, является упрощение и удешевление процесса очистки сточных вод от нефтепродуктов со снижением остаточных концентраций до нормативных значений при сохранении остальных показателей эффективности очистки на исходном уровне.

Технический результат достигается тем, что в качестве сорбента предлагается использовать дешевый и доступный для реализации в производственных условиях материал на основе отхода переработки измельченной древесины, позволяющий использовать его для однократного применения, исключить необходимость промывки и регенерации, расширить ассортимент существующих сорбентов, расширить область целевого использования отхода, утилизировать отработанный сорбционный материал ресурсосберегающим и не загрязняющим природную среду способом.

Сущность изобретения заключается в том, что в качестве материала сорбента предлагается использовать золу древесную, образующуюся при сжигании отходов переработки измельченной древесины.

Зола древесная, используемая в качестве сорбента, содержит, мас.%: 9,5-10 SiO₂; 2,2-2,6 Al₂O₃; 38-40 СаО; 12-13 MgO; 3,5-4 Fe₂O₃; 0,4-0,45 TiO₂; 2,5-2,6 K₂O; 0,43-0,46 Na₂O; 7-8 SO₃; 0,35-0,45 ; 17-18 потери при прокаливании.

Зола древесная является распространенным многотоннажным отходом. В основной своей массе она представлена кремнеземсодержащими составляющими с повышенным содержанием соединений кальция и магния по сравнению с составом природных кремнеземов, что позволяет наиболее эффективно использовать сорбционные свойства предлагаемого сорбента, реализуемые для извлечения из сточных вод нефтепродуктов. Процесс сорбции кремнеземом обусловлен действием межмолекулярных Ван-дер-ваальсовых сил. Происходит физическая адсорбция молекул углеводородов поверхностью кремнезема. Увеличение значения нефтеемкости сорбента при содержании в составе золы оксидов кальция и магния происходит вследствие их взаимодействия с водой с образованием объемного вяжущего вещества высокой сорбционной емкости для больших молекул углеводородов.

Достигаемое качество очищенной воды при использовании предлагаемого сорбента характеризуется содержанием нефтепродуктов в пределах от следов до концентраций, не превышающих установленные нормативы к составу очищенных сточных вод, используемых в системах оборотного водоснабжения (не более 0,03 мг/дм³) или отводимых в водные объекты (ПДК_р.х нефтепродуктов 0,05 мг/дм³). Эффективность очистки производственных сточных вод с исходной концентрацией нефтепродуктов 2,310 мг/дм³ составляет от 97,8% до 99,1%.

Предлагаемый сорбент, состоящий из отхода производства, в большинстве случаев доступного для предприятий, имеет большую продолжительность фильтроцикла в условиях низких концентраций адсорбтива.

Утилизация отработанного сорбционного материала возможна путем его использования в качестве сырьевого компонента при производстве строительных материалов. Эксперименты показали, что отработанный сорбционный материал, обогащенный нефтепродуктами, может найти применение в качестве сырьевой добавки при производстве керамических материалов строительного назначения.

Преимуществом предлагаемого сорбента является доступность и низкая стоимость, что позволяет использовать его для однократного применения и исключить промывку и регенерацию, упростив тем самым эксплуатацию очистных сооружений. Отработанный материал при использовании предлагаемого сорбента может быть утилизирован ресурсосберегающим и не загрязняющим природную среду способом.

Эффективность предлагаемого сорбента для очистки сточных вод от нефтепродуктов иллюстрируется следующим примером.

Пример.

Очистке подвергали производственные сточные воды после их предварительной механической очистки, которые изначально содержали различные примеси, в частности нефтепродукты, в количестве 2,310 мг/дм³. Очистку сточных вод осуществляли фильтрованием через слой неподвижного сорбента - золы древесной, образующейся при сжигании отходов переработки измельченной древесины. В эксперименте использовали золу древесную химического состава, мас. %: 9,93±0,0025 SiO₂; 2,31±0,005 Al₂O₃; 38,68±0,005 CaO; 12,85±0,005 MgO; 3,75±0,005 Fe₂O₃; 0,44±0,0005 TiO₂; 2,58±0,005 K₂O;. 0,45±0,005 Na₂O; 7,44±0,005 SO₃; 0,4±0,0005 ; 17,11±0,005 потери при прокаливании.

Очистку осуществляли при комнатной температуре и атмосферном давлении в стеклянной фильтровальной колонке диаметром 16 мм. Общий объем колонки составлял 250 см³. Сточную воду пропускали через предлагаемый сорбент со скоростью фильтрования 1 м/ч. Концентрацию нефтепродуктов в поступающем на фильтр стоке С_o и в фильтрате С_ф определяли флуориметрическим методом анализа на анализаторе жидкости «Флюорат-02», согласно известной методике [Методика выполнения измерений массовой концентрации нефтепродуктов в пробах природной, питьевой и сточной воды флуориметрическим методом на анализаторе жидкости “Флюорат-02” (взамен ПНД Ф 14.1:2:4.35-95). ПНД Ф 14.1:2:4.128-98 (2007) / М.: Государственный комитет РФ по охране окружающей среды, 1998. - 11 с.], средняя погрешность измерений не превышала ±0,05%.

В результате была получена остаточная концентрация нефтепродуктов в фильтрате в пределах от 0,05 мг/дм³ до 0,02 мг/дм³. Следовательно, эффективность очистки сточных вод от нефтепродуктов составила от 97,8% до 99,1%.

Результаты очистки сточных вод, осуществляемых согласно примеру, в сравнении с сорбентами-аналогами приведены в таблице.

Согласно представленным в таблице результатам, при использовании в качестве сорбента золы древесной, получаемой при сжигании отходов переработки измельченной древесины, остаточное содержание нефтепродуктов в фильтрате снижается до концентраций, не превышающих установленные нормативы к составу очищенных сточных вод, используемых в системах оборотного водоснабжения (не более 0,03 мг/дм³) или отводимых в водные объекты (ПДК_р.х нефтепродуктов 0,05 мг/дм³). Предлагаемый сорбент обеспечивает аналогичную эффективность очистки сточных вод от нефтепродуктов по сравнению с прототипом.

Применение золы древесной, являющейся отходом производства, в качестве сорбента позволяет проводить эффективную очистку сточных вод от нефтепродуктов, обеспечить снижение себестоимости процесса очистки за счет доступности и низкой стоимости изготовления сорбента, использовать ресурсный потенциал отхода, сократить объемы его складирования. Практически неограниченные запасы этого материала, его дешевизна, повсеместное распространение, высокие сорбционные свойства делают экономически целесообразным использование такого техногенного сорбента для очистки сточных вод по сравнению с промышленными образцами сорбентов.