Учебно-исследовательская работа

Адсорбционная очистка воды от нефтепродуктов

Плеханова Алина Владимировна, Гололенкова Татьяна Олеговна

Муниципальное бюджетное образовательное учреждение

«Гимназия № 8 » Энгельсского муниципального района

Саратовской области

г. Энгельс - 2013

Аннотация

В настоящее время в мире сложилась тяжёлая экологическая обстановка. Одним из наиболее эффективных и простых способов, позволяющих очищать сточные воды от нефтепродуктов до требуемого уровня, является сорбция.

В работе изучаются адсорбционные свойства природных и химических материалов. Выбран наиболее экономически выгодный адсорбент. Разработана технологическая схема для очистки промышленных вод.

Содержание

Введение                                                                                                           4

Очистка сточных вод от нефтепродуктов                                                    5

Адсорбция -  как способ очистки воды                                                          7

Исследовательская часть                                                                               8

Примерная технологическая установка для очистки воды от нефтепродуктов                                                                                              14

Заключение                                                                                                      15

Литература                                                                                                      16

Введение

Среди всех веществ, имеющихся на Земле, вода, благодаря своеобразию своих физических и химических свойств, занимает исключительное положение в природе и играет особую роль в жизни человека. Вода - это единственное вещество, встречающееся в огромных количествах в естественных условиях во всех трех агрегатных состояния: твердом, жидком и газообразном.

Действуя как мощный геологический фактор и покрывая около трех четвертей поверхности нашей планеты, вода определяет облик Земли и является колыбелью жизни на ней. Как подчеркивал академик В. И. Вернадский, нет такого компонента, который мог бы "...сравниться с ней по влиянию на ход основных, самых грандиозных геологических процессов. Нет земного вещества - минерала, горной породы, живого тела, которое её не включало".

Удивительная созерцательность и умиротворенность воды в тихом лесном озерце или журчащем ручейке, с одной стороны, и ее буство в жутких по высоте и силе волнах цунами, грозная воинственность наводнений - с другой, ставят воду в разряд особых явлений, обладающих как огромной созидающей, так и разрушающей силой и требующей к себе особого внимания.

Значительное количество воды человек использует в своей повседневной жизни. Использованные воды, как правило, загрязнены, и если они не проходят специальной очистки, то загрязняют и природные воды – реки, озера, подземные воды.

Загрязненные природные воды ухудшают экологическую ситуацию в биогеоценозе, ведут к гибели существующих природных форм, ставят под сомнение возможность выживания различных форм высших организмов, в том числе и человека.

Рост городов, интенсификация сельского хозяйства и промышленности остро ставят перед человечеством проблему обеспечения водой. Дефицит пресной питьевой воды уже стал проблемой мирового масштаба.

На современном этапе определяются такие направления рационального использования водных ресурсов как: более полное использование и расширенное воспроизводство ресурсов пресных вод; разработка новых  технологических процессов, позволяющих, предотвратить загрязнение водоемов и свести к минимуму потребление свежей воды.

Загрязнение водных ресурсов это любые изменения свойств воды: физических, химических и биологических. Это может быть связано со сбросом в водоем жидких, твердых и газообразных веществ, причиняющих ущерб хозяйству и здоровью и безопасности населения.

Загрязнение поверхностных и подземных вод можно распределить на такие типы:

механическое- повышение содержания механических примесей, свойственное в основном поверхностным видам загрязнений;

химическое - наличие в воде органических и неорганических веществ токсического и нетоксического действия;

бактериальное и биологическое - наличие в воде разнообразных патогенных микроорганизмов, грибов и мелких водорослей;

радиоактивное - присутствие радиоактивных веществ в поверхностных или подземных водах;

тепловое - выпуск в водоемы подогретых вод тепловых и атомных ЭС.

Главными источниками загрязнения водоемов являются недостаточно очищенные сточные воды промышленных и коммунальных предприятий, крупных животноводческих комплексов, отходы производства при разработке рудных ископаемых; воды шахт, рудников; сбросы водного и железнодорожного транспорта.

Попадая в воду, загрязняющие вещества изменяют физические свойства воды, эти изменения выражаются в частности, в появлении неприятных запахов, привкусов, в изменении химического состава воды, появление в ней вредных веществ, в наличии плавающих веществ на поверхности воды  и откладывании их на дне водоемов.

На современном этапе развития технологий, существует возможность до минимума снизить вредное воздействие деятельности человека на водные ресурсы планеты, ключ к этому - очистка сточных вод.

В настоящее время защита окружающей среды от нефтесодержащих сточных вод - одна из главных задач. Мероприятия, направленные на очистку воды от нефти, помогут сберечь определенные количества нефти и сохранить чистым воздушный и водный бассейны. На земном шаре много воды, но чистой пресной воды очень мало. Круговорот воды в природе создает необходимые условия для существования человечества на земле.

Цель и задачи работы.  Целью работы является изучение возможности применения различных материалов, в том числе материалов природного происхождения, а также продукции и отходов предприятий местной промышленности, в качестве загрузок фильтров для очистки поверхностных сточных вод от нефтепродуктов.

  В соответствии с поставленной целью сформулированы следующие задачи:

-              обосновать физико-химическую  сущность процесса очистки нефтесодержащих сточных вод фильтрованием;

-              провести экспериментальные исследования очистки воды, содержащей нефтепродукты, путем ее фильтрования через материалы, являющимися продукцией или отходами  предприятий местной промышленности. Аналитически обосновать результаты исследования;

-              определить наиболее эффективный способ утилизации использованных материалов;

-              разработать  промышленную технологическую установку для очистки технологической воды на НПЗ, нефтебазах.

Очистка сточных вод от нефтепродуктов.

Основными источниками загрязнений нефтью и нефтепродуктами являются добывающие предприятия, системы перекачки и транспортировки, нефтяные терминалы и нефтебазы, хранилища нефтепродуктов, железнодорожный транспорт, речные и морские нефтеналивные танкеры, автозаправочные комплексы и станции. Объемы отходов нефтепродуктов и нефтезагрязнений, скопившиеся на отдельных объектах, составляют десятки и сотни тысяч кубометров. Значительное число хранилищ нефтешламов и отходов, построенных с начала 50-х годов, превратилось из средства предотвращения нефтезагрязнений в постоянно действующий источник таких загрязнений.

Основные вопросы защиты окружающей среды необходимо решать на основе следующих принципов:

·        форма  и масштабы  человеческой деятельности должны быть соизмеримы с  запасами невозобновляемых природных ресурсов;

·        неизбежные отходы производства должны попасть в окружающую среду в форме и концентрации, безвредных для жизни. Особенно это относится к водным ресурсам.

Наиболее широко распространенными загрязнителями сточных вод являются нефтепродукты –  группа углеводородов нефти, мазута, керосина, масел и их примесей, которые вследствие их высокой токсичности, принадлежат, по данным ЮНЕСКО, к числу десяти наиболее опасных загрязнителей окружающей среды. Нефтепродукты могут находиться в растворах в эмульгированном, растворенном виде и образовывать на поверхности плавающий слой.

Ввиду сложности состава очищаемых нефтесодержащих вод и высоких требований к степени очистки в технологических схемах очистных станций используются комбинации различных методов.

Очистка воды в промышленности, использующая  отстаивание  является наиболее простым и дешевым  технологическим способом выделения диспергированных примесей из воды, в основе которого лежит разделение в поле гравитационных сил в условиях покоя или медленно движущегося потока  жидкости. При этом взвешенные вещества с плотностью, большей плотности.

Основная масса нефтепродуктов в капельном и некоторая часть в эмульгированном состоянии из сточных вод удаляются в отстойных сооружениях,  называемых нефтеловушками. Они применяются при содержании  нефтепродуктов в сточных водах более 100 мг/л. По  конструктивному исполнению нефтеловушки могут бытьгоризонтальными, вертикальными и радиальными отстойниками, дополнительно оборудованными узлами для сбора и удаления всплывающих  нефтепродуктов. Наибольшее распространение  получили горизонтальные нефтеловушки.

Промышленная очистка воды после выделения основной массы нефтепродуктов отстаиванием, использует физико-химический метод очистки – реагентную флотацию - это способ извлечения дисперсных частиц из жидкости с помощью пузырьков воздуха при использовании коагулянтов или флокулянтов. Воздушная  флотация, в настоящее время получает широкое распространение и в технологии очистки воды, преимущественно для очистки сточных вод.

Промышленная водоочистка, использующая метод флотации технологически и  экономически эффективна при извлечении примесей нефти, нефтепродуктов,  углеводородные жидкости, жиры, мыла, синтетические моющие средства и др.. При отсутствии природной гидрофобности у примесей сточных вод флотация возможна лишь с применением  специальных флотореагентов, регулирующих степень гидрофобности поверхностей извлекаемых частиц.

По способу введения в очищаемую жидкость пузырьков воздyxa различают механическую  флотацию  и напорную флотацию.

В последнее время используется также метод электрофлотации, при котором пузырьки газа образуются в  результате электролиза воды.

Эмульгированные и тонкодиспергированные нефтепродукты, оставшиеся в сточной жидкости, например, после отстаивания и флотации, можно выделить фильтрованием. 

Очистка воды фильтрованием - это  процесс выделения из воды дисперсных  примесей путем пропуска ее через пористую среду. В пористой среде частицы нефтепродуктов задерживаются  на поверхности фильтрующего материала. Наибольшее распространение для очистки нефтесодержащих вод получила фильтрующая среда  из кварцевого песка и антрацитовой крошки. Кроме этого может использоваться керамзит и синтетические материалы (полиуретан, полистирол и др.).

Адсорбция -  как способ очистки воды.

Широкораспространенные реагентные методы в очистке нефтесодержащих сточных вод наряду с коагуляцией и флокуляцией включают адсорбцию. Адсорбция - это практически единственный метод, позволяющий очищать сточные воды от нефтепродуктов до любого требуемого уровня без внесения в воду каких-либо вторичных загрязнений.

В качестве адсорбентов загрязняющих стоки агентов применяют природные и искусственные пористые материалы. Выпускаемые промышленностью адсорбенты должны удовлетворять определенным стандартным показателям, в числе которых прочность на истирание, сорбционная емкость и др. Так, для очистки и доочистки сточных вод от нефтепродуктов используют:

 асбестосодержащий материал - отход производства асбестовых бумаг и картона;

 пористый полимерный сорбент-сополимер стирола и дивинилбензола (нефтепродукты могут быть извлечены растворителем);

пенополиуретан, в который введены гранулы ферромагнитного материала размером 0,01-0,1 мм в количестве 0,02-0,08% для фильтрования в магнитном поле, который восстанавливают отжимом;

сорбент на основе базальтового волокна и гидрофобизатора - кремний или органические гидрофобизирующие соединения - 2-15%,регенерация, которых  осуществляется  отжимом или сжиганием углеводородов, что  позволяет многократное использование);

 древесные стружки, опилки, волокна, помещенные в пористые тканые оболочки, которые сжигают; и другие материалы.

Чаще других  сорбентов при очистке промышленных сточных вод от нефтепродуктов используется, однако, гранулированный активный уголь, имеющий частицы размером более 0,10 мм на 85-99%, состоящий из углеродов и способный самопроизвольно отделяться от воды.

Исходным сырьем для получения активного угля служат практически любые углеродсодержащие материалы: уголь, торф, древесина и др. Процесс изготовления высококачественных активных углей сложен и длителен, поэтому стоимость их в нашей стране и за рубежом достаточно высока. Это приводит к необходимости многократного использования активных углей в системах водоочистки.

Исследовательская часть.

Исследовательская работа проводилась при строжайшем соблюдении правил техники безопасности.

Целью  наших исследований является, изучить адсорбционные свойства материалов:

- образец №1 –фильтровальная бумага «Белая лента»

- образец № 2 –песчано – гравийная смесь;

- образец № 3 - активированный уголь;

- образец № 4 - вата хлопковая;

-образец № 5 - паренхима камыша;

- образец № 6 - пенопласт (пенополистирол);

-образец № 7 –силикагель (представляет собой высушенный гель, образующийся из перенасыщенных растворовкремниевых кислот (nSiO₂·mH₂O) при pH > 5—6. , твёрдый гидрофильныйсорбент);

- образец № 8 - оксид алюминия;

- образец № 9 - мел;

-образец № 10 - опилки древесные + кварцевый песок;

-образец №11 - синтепон (по одному из распространенных в последнее время определений, название «синтепон» произошло как сокращение от сочетания «синтетическое полотно нетканое», однако такой трактовке соответствуют только полотна, но не волоконные смеси, плиты, пласты и т. п.);

- образец № 12 – опока(кремнистая микропористая осадочная порода.);

Методика определения адсорбционных свойств.

·        Исследуемый образец поместили в воронку с фильтровальной бумагой «Белая лента» и наливали воду с нефтью, в соотношении 2мл нефти и 50 мл воды. Чистоту полученного фильтрата, определяли с помощью рефрактометра, определяя коэффициент преломления света.

·       

·        Опыт 1.Определение коэффициента преломления исследуемой воды (контроль). (см. таблицу 1)

·        Опыт2.Определение коэффициента преломления  фильтрата, пропущенного через образец № 1. (см. таблицу 1).

Опыт 3.Определение коэффициента преломления  фильтрата, пропущенного через образец № 2 . (см. таблицу 1).

Фильтрование загрязненной воды   активированным углем

Опыт 4 .Определение коэффициента преломления  фильтрата, пропущенного через образец № 3 . (см. таблицу 1).

Опыт 5 .Определение коэффициента преломления  фильтрата, пропущенного через образец № 4 . (см. таблицу 1).

Опыт 6.Определение коэффициента преломления  фильтрата, пропущенного через образец № 5 . (см. таблицу 1).

 Фильтрование загрязненной воды   пенополистиролом.

·        Опыт 7.Определение коэффициента преломления  фильтрата, пропущенного через образец № 6 . (см. таблицу 1).

·        Опыт 8.Определение коэффициента преломления  фильтрата, пропущенного через образец № 7 . (см. таблицу 1).

·        Опыт 9.Определение коэффициента преломления  фильтрата, пропущенного через образец № 8 . (см. таблицу 1).

·        Опыт 10.Определение коэффициента преломления  фильтрата, пропущенного через образец № 9 . (см. таблицу 1).

·        Опыт 11.Определение коэффициента преломления  фильтрата, пропущенного через образец № 10 . (см. таблицу 1).

·        Опыт 12.Определение коэффициента преломления  фильтрата, пропущенного через образец № 11 . (см. таблицу 1).

·        Опыт 13.Определение коэффициента преломления  фильтрата, пропущенного через образец № 12 . (см. таблицу 1).

·       

·         Фото. Фильтрование загрязненной воды  опокой.

Показатели преломления фильтрата,  в зависимости от адсорбента.

Таблица 1.

Следующим этапом работы было исследование адсорбционных свойств опоки, для этого мы провели следующий эксперимент.

Методика проведения эксперимента.

В пяти стаканах приготовили смеси нефти и воды,  в объемах указанных в таблице:

Следующим этапом , определяем коэффициент преломления водной фазы до адсорбции. Затем полученную смесь нефти с водой  пропускаем  через  10 грамм опоки, помещенной в воронке. Полученный фильтрат исследовали повторно на рефрактометре

Полученные результаты занесли в таблицу 2.

,где η_{1 –}коэффициент преломления до адсорбции, η₂ – коэффициент преломления после адсорбции; m- масса адсорбента (опоки).

Следующим этапом нашей работы было определение нефтеемкости опоки при плотности нефти 810 кг/м³

Вывод: по результатам, полученным в результате экспериментов, видно, что наибольшая степень очистки наблюдается при применении: кварцевого песка, активированного угля, ваты хлопковой, оксида алюминия,  мела, смеси  опилок древесных с  кварцевым песком  и

опоки.

Современный уровень техники и технологии очистки сточных вод обеспечивает получение воды практически любой степени чистоты. Причины загрязнения водоемов - в экономических, а не технических проблемах.Разработка мало затратных систем оборотного водоснабжения для промышленных и сельскохозяйственных предприятий – одна из актуальных задач исследователей.

Необходимо  подобрать наиболее экономически выгодный адсорбент.

Таблица 2.

Из анализа таблицы 2, можно сделать, что наиболее дешевыми и экономически выгодными для очистки воды от нефтепродуктов являются, мел, опока и песок строительный.

По  данным Правительства Саратовской области  «Состояние и перспективыиспользования минерально-сырьевой базыСаратовской области» (http://nizhstat.gks.ru),можно сделать вывод, что для очистки воды от нефтепродуктов наиболее приемлемы опока и песчано – гравийная смесь

         Вывод

ü для создания фильтров для очистки промышленных сточных вод, необходимо применять опоку и  песчано-  гравийную смесь, т.к.

ü 1. обладают высокой пористостью;

ü 2. дешевы;

ü 3. доступны;

ü 4. легко восстановить с помощью обжига.

Примерная технологическая установка для очистки воды от нефтепродуктов.

В отстойник 1 поступает вода с нефтепродуктами. Уровень системы «вода - нефтепродукт» поддерживается  автоматически уровнемерами. Уровень нефтепродукта,  автоматически с помощью плотномеров. Нефтепродукт, который имеет плотность меньшую , чем вода, находясь сверху, легко собрать методом флотации и отправить в резервуар 2.Сюда помещают бактерии , которые питаются нефтью. В результате вырастают колонии имеющие вид пористой губки.Колонии бактерий можно использовать на корм домашним животным и птице, т.к. представляют полноценный практически 100 % белок.

Уже в 1963 г. начали работать первые опытные установки. На предварительно очищенных пробах нефти росли штаммы дрожжей рода Candida, которые питались алканами и при этом очень быстро размножались и образовывали белок. из 1 тонны нефти получалось около 1 тонны дрожжей, содержащих 600 килограммов белка. Мало того! Из уже не содержащей алканов остаточной нефти получалось гораздо более высококачественное дизельное топливо!

         Предварительно очищенная от нефтепродуктов вода поступает в четырехслойный адсорбер с неподвижным адсорбентом. Адсорбер  представляет собой цилиндрический  вертикальный аппарат (1), в котором имеется четыре колосника (2), которые  представляют собой мелкоячеистую сетку, на которой расположены адсорбенты. Адсорбенты располагаются следующим образом: верхний и нижний представляют собой опоку, а средний песчано – гравийную смесь.Исходная смесь «вода - нефтепродукт» вводится через трубу (3), проходит через слои адсорбентов и уходит из аппарата через трубу (4). Вытесняющее вещество вводится в аппарат через перфорированную трубу  и отводится также через патрубок.

Процесс поглощения нефтепродукта  адсорбентом будет происходить до определенного момента, после чего осуществляют процесс десорбции. Данный процесс заключается в прекращении подачи загрязненной воды в адсорбер, затем начинается подача перегретого водяного пара в патрубок (5). Его перемещение происходит в направлении обратном движению водной среды.

 Процессы десорбции и адсорбции длятся одинаковое время, а после процесса десорбции через слой адсорбента пропускают горячий воздух, в результате чего адсорбент просушивается. Сушку адсорбента производят горячим  воздухом,подаваемым в адсорбер через калорифер (6).

Горячий воздух перемещается по адсорберу, поступая через паровой патрубок и выходя через патрубок (7) для смеси пара и извлеченного вещества. Затем в адсорбер поступает прохладный воздух, который охлаждает адсорбент до определенной температуры. Перемещается прохладный воздух также как водяной пар. После того, как адсорбент остынет, процесс адсорбции повторяется. Для того, чтобы установка работала беспрерывно и постоянно очищала воду, она должна состоять  из нескольких адсорберов, которые должны попеременно включаются.

Очищенная вода поступает в водоем.

Заключение

В результате проведенной работы:

·        исследовали различные вещества на поглотительную способность;

·        подобрали дешевые и обладающие отличными адсорбирующими свойствами вещества;

·        разработали технологическую установку очистки воды от нефтепродуктов

Литература

1.  http://www.procosmos.com/news/139-bakterii-pozhirateli-nefti.html

2.  http://www.findpatent.ru/patent/232/2323892.html

3.Малинина, И. В. Усовершенствованная технология очистки поверхностных сточных вод / И. В. Малинина, Г. П. Варюшина // Водоснабжение и санитарная техника. – 2009. - № 8. – С. 72 – 73.

4. Новые эффективные сорбенты (поглотители) на основе шелухи для сбора проливов и очистки вод / А. А. Хохряков, А. А. Ежелев, С. В. Половцев [и др.] // Вода и экология: проблемы и решения. – 2007. - № 3. – С. 46 – 52.

5. Сироткииа Е.Е., Новоселова Л.Ю. Материалы для адсорбционной очистки воды от нефти и нефтепродуктов // Химия в интересах устойчиво­го развития. 2005. № 13.

6. Тарнопольская, М. Г. Фильтрующие материалы для очистки воды от нефтепродуктов и критерии их выбора / М. Г. Тарнопольская // Вода и экология: проблемы и решения. – 2005. - № 3. – С. 74 – 79.