Результат интеллектуальной деятельности: СПОСОБ ОЧИСТКИ ВОДЫ ОТ НЕФТЕПРОДУКТОВ С ПОМОЩЬЮ МАГНИТНОЙ ЖИДКОСТИ И УСТРОЙСТВО ЕГО РЕАЛИЗАЦИИ

Предлагаемое изобретение относится к способам очистки водной среды от нефтепродуктов путем придания этим нефтепродуктам магнитных свойств и может применяться для очистки сточных вод во всех отраслях промышленности и при техногенных катастрофах.

Известен способ для очистки воды от нефтепродуктов с использованием магнитной жидкости (см. Дворник С.Е., Реутский С.Ю., Свижер А.Я. Использование магнитных жидкостей для очистки воды от нефтепродуктов // Химия и технология воды. - 1992, т. 14, №9. - С. 706-712). Он заключается в разбрызгивании на пятна нефтепродуктов, образовавшиеся на поверхности воды в отстойниках промышленных стоков или в естественных водоемах при аварийном разливе нефтепродуктов, магнитной жидкости, приготовленной на основе жидкости-носителя, полученной из нефтепродуктов, омагничивании таким образом нефтепродуктов и в последующем сборе этих омагниченных нефтепродуктов специальным магнитосборником, из которого собранный нефтепродукт откачивается насосом или удаляется иным способом.

Общим признаком с заявляемым способом является использование магнитной жидкости (МЖ) для омагничивания нефтепродуктов.

Недостатками способа являются:

- возможность сбора нефтепродуктов только с поверхности воды;

- наличие остатков нефтепродуктов в виде мелких капель в уходящей после очистки воде.

Высокая степень очистки воды от нефтепродуктов возможна при использовании объемной очистки в фильтрах, активной частью которых являются волокнистые наполнители или специальные сорбенты разной степени дисперсности: песок, уголь и т.п.

Известен способ очистки сточных вод, содержащих эмульгированнные нефтепродукты (патент РФ 2156225, МПК⁷ C02F 1/40, B01D 17/05, 2000 г.). Способ заключается в пропускании сточной воды через фильтр, заполненный адсорбционным комплексом, состоящим из сфер магнитотвердого материала диаметром 8-10 мм, являющихся постоянными магнитами, гранул и порошка с диаметром частиц не более 100 мкм, прокаленного гальваношлама, являющихся в основном Y-оксидами железа. Компоненты смешиваются в соотношении 8:2:1 (масс.ч.). Гранулы и порошок удерживаются на поверхности шариков магнитотвердого материала за счет магнитного поля шариков и являются адсорбентами нефтепродуктов. После неоднократного пропускания через фильтр отработанной смазочно-охлаждающей жидкости, являющейся отбираемым из очищаемых стоков компонентом, адсорбционный комплекс регенерируется путем прокаливания при температуре 400°C, то есть не превышающей точку Кюри, составляющей для данного магнитотвердого материала, феррита бария, значение 450°C.

Общим признаком с заявляемым способом является удержание гранул и порошка, адсорбирующих капли нефтепродукта, на поверхности сфер магнитным полем.

Недостатками данного способа фильтрации нефтесодержащих стоков воды являются:

- необходимость неоднократного пропускания этих стоков через фильтр;

- дискретность процесса очистки стоков, что связано с демонтажом устройства, его разборкой, извлечением адсорбирующего комплекса, его регенерацией, повторным заполнением фильтра и монтажом устройства на рабочем месте;

- адсорбенты совместно с нефтепродуктами аккумулируют в себе и значительное количество воды, что уменьшает время цикла использования сорбентов и затрудняет их регенерацию;

- адсорбенты регенерируются нагревом, что требует большого расхода энергии и сложной системы утилизации испарившихся нефтепродуктов.

Известен способ разделения водо-масляных эмульсий и установка для его осуществления (заявка на изобретение 97103709, МПК ⁶B01D 17/022 опубл. 10.03.1999), принятый за прототип, который заключается в коалесценции дисперсной фазы на олеофильном коалесцирующем материале с последующим ее отделением, коалесценцию дисперсной фазы осуществляют путем последовательного пропускания потока водо-масляной эмульсии через слой олеофильного гранулированного материала с отрицательной плавучестью, а затем через слой олеофильного гранулированного материала с положительной плавучестью, а скоалесцированную дисперсную фазу отделяют от дисперсионной среды на уровне границы их раздела. Дополнительную очистку дисперсионной среды от остатков дисперсной фазы осуществляют путем последовательного пропускания ее через слой гидрофильного волокнистого материала, пропитанного чистой дисперсионной средой, а затем через слой активированного угля.

Общим признаком с заявляемым способом является наличие олеофильных свойств поверхности материала, через слой которого проходит водо-масляная эмульсия.

Недостатками способа являются:

- трудности в подборе олеофильного гранулированного материала с отрицательной и положительной плавучестью;

- сложность отделения дисперсной фазы от олеофильного гранулированного материала и от дисперсионной среды на уровне границы раздела олеофильных гранулированных материалов с положительной и отрицательной плавучестью;

- сложность очистки и утилизации гидрофильного волокнистого материала и слоя активированного угля, адсорбирующих на своей поверхности отделяемую дисперсную фазу.

Технический результат заявляемого изобретения заключается в увеличении производительности при очистке воды, за счет создания условий очистки водных стоков без демонтажа устройства и частой замены фильтровального комплекса, уменьшения вероятности повторного перехода капель нефтепродукта в очищенную воду и повышение качества собираемых нефтепродуктов за счет уменьшения и/или исключения из них водных включений.

Технический результат достигается тем, что в способе очистки воды от нефтепродуктов, заключающемся в коалесценции дисперсной фазы путем пропускания потока воды с нефтепродуктами через слой олеофильного коалесцирующего материала с последующим отделением нефтепродуктов, коалесценцию дисперсной фазы осуществляют одновременно с ее омагничиванием, в качестве коалесцирующего материала используют магнитную жидкость на основе, родственной отделяемому нефтепродукту, слоем покрывающую ферромагнитный материал с развитой поверхностью, намагниченный внешним магнитным полем, а отделение омагниченного нефтепродукта от ферромагнитного материала с развитой поверхностью осуществляют в градиентном магнитном поле. Используют магнитную жидкость с намагниченностью насыщения не менее 5 кА/м.

Технический результат достигается тем, что в устройстве для очистки воды от нефтепродуктов, содержащем корпус с проницаемой для воды и нефтепродуктов горизонтальной перегородкой, разделяющей его внутреннюю полость на сообщающиеся между собой нижнюю рабочую камеру, заполненную фильтрующим коалесцентным материалом, снабженную входным патрубком и патрубком для отвода очищенной воды, и верхнюю камеру сбора нефтепродукта, снабженную патрубком для отвода нефтепродуктов, в поперечном сечении корпус имеет вид симметричной трапеции с меньшим верхним основанием, торцевые стенки, дно, крышка корпуса и горизонтальная перегородка выполнены из немагнитного материала, а боковые стенки выполнены из магнитного материала и выступают ниже дна корпуса, под которым размещены постоянные магниты, выполненные в виде параллелепипедов, прилегающие одноименными полюсами к выступам боковых стенок, фильтрующим коалесцентным материалом является магнитная жидкость, слоем покрывающая ферромагнитный материал с развитой поверхностью, в верхней камере сбора нефтепродукта над горизонтальной перегородкой у боковых стенок симметрично размещены клинообразные вкладыши из магнитопроводящего материала, образующие канал, сужающийся к патрубку для отвода нефтепродуктов, размещенному в торцевой стенке корпуса.

Заявляемый способ заключается в пропускании сточных вод через слой фильтрующего материала, который состоит из магнитопроводящего наполнителя с развитой поверхностью (например, в виде элементов мелкодробленой стальной стружки и/или элементов отходов фрезерного производства в виде чешуек) и МЖ, удерживаемой на поверхности элементов магнитопроводящего наполнителя и в зазорах между ними внешним магнитным полем. Мелкокапельный нефтепродукт, проходя вместе с водой через щелевые зазоры между элементами магнитопроводящего наполнителя, контактирует со слоями МЖ, удерживаемой на поверхности элементов наполнителя, и коалесцирует с МЖ, приобретая магнитные свойства. По мере роста толщины слоев омагниченного нефтепродукта на поверхности элементов наполнителя магнитные силы, удерживающие омагниченный нефтепродукт на поверхности элементов наполнителя, уменьшаются и под действием гравитационных сил наиболее удаленные от поверхности наполнителя объемы нефтепродукта перемещаются в верхние области фильтра. Перемещению нефтепродуктов способствуют также слияние слоев нефтепродукта на поверхности элементов наполнителя друг с другом и направление вверх результирующего градиента магнитного поля. Градиентное магнитное поле удерживает омагниченный нефтепродукт в верхней камере сбора, предотвращает повторный унос нефтепродукта уходящей водой и вытесняет из омагниченного нефтепродукта капли воды как немагнитные включения, на которые действуют силы, выталкивающие их из области магнитного поля, заполненной жидкой магнитопроводящей средой. После удаления необходимого количества нефтепродуктов следует остановить проток очищаемых нефтесодержащих сточных вод и через специально предусмотренное отверстие провести заполнение рабочей камеры новой порцией МЖ с необходимыми магнитными свойствами. Заправочное отверстие герметизируется и процесс очистки воды от нефтепродуктов продолжается. Возможно также после отбора определенного количества нефтепродукта добавление новой порции МЖ с хорошими магнитными свойствами через входной патрубок рабочей камеры вместе с очищаемой водой.

На фиг. 1 приведено устройство для очистки воды от нефтепродуктов с помощью магнитной жидкости в продольном и поперечном сечении, на фиг. 2 приведено горизонтальное сечение верхней камеры сбора нефтепродукта устройства для очистки воды от нефтепродуктов с помощью магнитной жидкости.

Устройство для очистки воды от нефтепродуктов с помощью магнитной жидкости содержит корпус 1 с проницаемой для воды и нефтепродуктов горизонтальной перегородкой 2, разделяющей его внутреннюю полость на сообщающиеся между собой нижнюю рабочую камеру 3, заполненную фильтрующим коалесцентным материалом, снабженную входным патрубком 4 и патрубком для отвода очищенной воды 5, и верхнюю камеру сбора 6 нефтепродукта, снабженную патрубком для отвода нефтепродуктов 7, корпус 1 в поперечном сечении имеет вид симметричной трапеции с меньшим верхним основанием, торцевые стенки 8, дно 9, крышка корпуса 10 и горизонтальная перегородка 2 выполнены из немагнитного материала, а боковые стенки 11 выполнены из магнитного материала и выступают ниже дна 9 корпуса 1, под которым размещены постоянные магниты 12, выполненные в виде параллелепипедов, прилегающие одноименными полюсами к выступам боковых стенок 11, фильтрующим коалесцентным материалом является магнитная жидкость, слоем покрывающая стружку ферромагнитного материала 13, при этом входной патрубок 4 и патрубок для отвода нефтепродуктов 7 размещены в противоположных торцевых стенках корпуса 1. В верхней камере сбора 6 нефтепродукта над горизонтальной перегородкой 2 у боковых стенок 11 симметрично размещены клинообразные вкладыши 14 из магнитопроводящего материала, образующие канал, сужающийся к патрубку для отвода нефтепродуктов 7.

Устройство очистки воды от нефтепродуктов работает следующим образом.

При сборке устройства очистки воды от нефтепродуктов в нижнюю рабочую камеру 3, в которой создается магнитное поле, помещают фильтрующий коалесцентный материал (стружку ферромагнитного материала), весом G=(0,2-0,3)Vp/ρ, где Vp - объем нижней рабочей камеры 3; ρ - плотность стружки ферромагнитного материала. Используют дробленую стружку в виде чешуек толщиной от 0,1 до 1,0 мм и длиной от 2 до 10 мм в плоскости чешуек, полученную при обработке деталей из конструкционной стали типа Ст3, Ст10 или другой конструкционной нелегированной стали с ферромагнитными свойствами. При необходимости стружку после токарной обработки дополнительно дробят до требуемых размеров. При фрезерной обработке размер чешуек снимаемого материала соответствует требуемым размерам. Стружку ферромагнитного материала уплотняют равномерно по всему объему нижней рабочей камеры 3. До начала процесса очистки сточной воды от нефтепродуктов в нижнюю рабочую камеру 3 через входной патрубок 4 подается МЖ в объеме 20-30% от объема фильтрующего коалесцентного материала (стружки ферромагнитного материала). МЖ представляет собой коллоидную систему из нанодисперсной твердой фазы ферромагнитного материала размерами 10-40 нанометров, покрытых поверхностно-активным веществом и помещенных в жидкость-носитель. Можно использовать в качестве ферромагнитного материала магнетит, поверхностно-активного вещества - олеиновую кислоту, жидкости-носителя - керосин или другое жидкое производное нефтеперегонного производства. МЖ с намагниченностью насыщения не менее 5 кА/м, первоначально может быть заложена в устройство во время его сборки. Наилучший технический результат обеспечивается при использовании МЖ с намагниченностью MS=10-15 кА/м.

В нижней рабочей камере 3 существует неоднородное магнитное поле, созданное постоянными магнитами 12. Магнитные силовые линии проходят от одной боковой магнитопроводящей стенки 11 к другой. Стружка ферромагнитного материала 13, находясь в намагниченном состоянии, притягивает к себе МЖ, которая покрывает ее тонким слоем. Градиент напряженности магнитного поля VH направлен в сторону уменьшения расстояния между боковыми магнитопроводящими стенками 11, то есть вверх, а его абсолютное значение определяется углом наклона боковых стенок 11.

Сточные воды (СВ) по входному патрубку 4 поступают в нижнюю рабочую камеру 3, заполняя свободное пространство между стружкой ферромагнитного материала 13. При протекании СВ под действием перепада давлений через фильтрующий коалесцентный материал происходит соприкосновение содержащихся в воде капель нефтепродукта с пленкой МЖ на поверхности стружки ферромагнитного материала 13. Ввиду родственности химикофизических свойств нефтепродукта и МЖ происходит их активной взаимодействие, и капли нефтепродукта коалесцируют с МЖ, растворяясь в ней. В результате на поверхности стружки ферромагнитного материала 13 образуется слой омагниченного нефтепродукта. По сравнению с исходной МЖ его намагниченность уменьшается вследствие уменьшения объемной концентрации присутствующих в нем магнитных наночастиц. По мере продвижения сточных вод через фильтрующий коалесцентный материал в направлении патрубка для отвода очищенной воды 5 содержание нефтепродуктов в водах снижается, и на выходе получаем очищенную воду (ОВ).

На слой омагниченного нефтепродукта, обволакивающего стружки ферромагнитного материала 13, действуют силы гравитации F_Г, стремящиеся вытолкнуть нефтепродукт в верхние слои воды, и магнитные силы F_M1, удерживающие омагниченный нефтепродукт на поверхности мелкочешуйчатого ферромагнитного материал. В процессе работы устройства очистки воды от нефтепродуктов толщина слоя омагниченного нефтепродукта увеличивается, а его намагниченность уменьшается, что способствует уменьшению магнитных сил F_M1. При выполнении условия F_Г>F_M1 происходит отрыв омагниченного нефтепродукта от поверхности стружки ферромагнитного материала 13. Образовавшаяся капля 15 омагниченного нефтепродукта будет передвигаться в верхние слои не только под действием силы гравитации F_Г, но и магнитной силы , направление которой совпадает с направлением градиента напряженности магнитного поля ∇H (здесь µ₀ - магнитная проницаемость вакуума, М - намагниченность капли нефтепродукта). Гравитационная F_Г и магнитная F_M2 силы совпадают по направлению, что способствует повышению скорости подъема капель омагниченного нефтепродукта и производительности процесса очистки воды от нефтепродуктов. Отделенный омагниченный нефтепродукт собирается в верхней камере сбора 6 над горизонтальной перегородкой 2 в канале, образованном клиновидными вкладышами 14 и сужающемся по направлению к патрубку для отвода нефтепродуктов 7. Собранный таким образом омагниченный нефтепродукт подтягивается магнитными силами к патрубку для отвода нефтепродуктов 7 и удаляется. Таким образом, повышается эффективность отбора собранного нефтепродукта из верхней камеры сбора 6 нефтепродукта.

По мере работы устройства происходит унос магнитных наночастиц из нижней рабочей камеры 3, первоначально заполненной некоторым объемом МЖ с хорошими магнитными силами, вследствие чего происходит уменьшение намагниченности омагниченного нефтепродукта и снижение качества процесса очистки. В технологическом цикле необходим этап восстановления фильтрующих свойств коалесцентного фильтрующего материала. Для этого входной патрубок 4 закрывают, а фильтр очищают путем подачи сжатого воздуха в патрубок для отвода нефтепродуктов 7 и отвода жидкой фазы через патрубок для отвода очищенной воды 5. Затем через входной патрубок 4 в нижнюю рабочую камеру 3, как и в начале технологического процесса, подается новая партия МЖ с намагниченностью насыщения не менее 5 кА/м в объеме 20-30% от объема стружки ферромагнитного материала 13, который заменять не следует.

Таким образом, применение заявляемого способа и устройства обеспечивает увеличение производительности при очистке воды, за счет создания условий очистки водных стоков без демонтажа устройства и частой замены фильтровального комплекса, уменьшение вероятности повторного перехода капель нефтепродукта в очищенную воду и повышение качества собираемых нефтепродуктов за счет уменьшения и/или исключения из них водных включений.