Очистка сточных вод, содержащих эмульгированные нефтепродукты, плазмообработанными полисульфонамидными мембранами Федотова Алина Викторовна

Введение к работе

Актуальность работы. Сточные воды (СВ), содержащие нефтепродукты (НП), образуются при переработке и применении углеводородов (УВ) в процессе технологического цикла вследствие неплотного и негерметичного соединения основных узлов аппаратов и трубопроводов, износа оборудования и несоблюдения регламента эксплуатации, а также при аварийных или несанкционированных сбросах. Независимо от источника образования, рассматриваемые стоки должны быть локализованы и очищены до нормативных значений.

В практике очистки воды от НП применяются большинство известных механических, физико-химических и биологических методов. С целью очистки от УВ фазы, используются деструктивные методы термического, химического и биологического окисления, а также сорбция. Для целенаправленной рекуперации НП применимы нефтеловушки и деэмульгаторы, центрифуги и мембраны. При наличии в составе рассматриваемых сточных жидкостей эмульгаторов, к которым относятся поверхностно-активные вещества (ПАВ) и мельчайшие примеси, как ил и глина, образуется эмульсия, что создает дополнительные трудности при работе очистных сооружений, связанные с необходимостью разрушения агрегативно-устойчивой многокомпонентной биологически не разлагаемой структуры, что обуславливает дополнительные затраты и меньшую эффективность очистки.

Применение мембранных методов, сочетающих высокую эффективность, полифункциональность, эргономичность, а также возможность организации частично замкнутых технологических процессов для очистки СВ от НП, в этой связи, является целесообразным. Однако при разделении дисперсных систем мембранами с частицами различного размера, как в случае НП, наблюдается явление концентрационной поляризации дисперсной фазы на поверхности и в порах фильтр-элемента, в связи с чем использование методов модификации мембранных фильтрующих поверхностей, таких как высокочастотная емкостная (ВЧЕ) низкотемпературная плазменная обработка при пониженном давлении для придания мембранам требуемых технологических характеристик является актуальным.

Цель диссертационной работы состояла в интенсификации процессов ультрафильтрационной очистки сточных вод, содержащих эмульгированные нефтепродукты на основе применения плазмообработанных полисульфонамид-ных (ПСА) мембран для снижения антропогенной нагрузки на окружающую природную среду.

На основании вышеизложенной цели сформулированы следующие задачи: 1. Провести обработку ПСА мембран в потоке ВЧЕ плазмы пониженного давления в различных газовых средах с варьированием параметров обработки.

1. Определить режимы плазмообработки ПСА мембран, при которых достигаются наибольшая эффективность и производительность разделения эмульсии типа «масло в воде».

2. Определить влияние ВЧЕ плазмообработки различных газовых сред на внутреннюю структуру и поверхность ПСА мембран.

3. Исследовать возможность регенерации отработанных ПСА мембран химическими реагентами и плазмой.

4. Провести сорбционную доочистку ультрафильтратов от НП, полученных при разделении модельной водомасляной эмульсии (ВМЭ).

5. Провести очистку реальных СВ, образующихся на нефтеперерабатывающем предприятии, с использованием немодифицированной и наиболее селективной плазмообработанной ПСА мембран. Оценить токсичность очищаемых вод.

6. Предложить принципиальную технологическую схему очистки эмульсии типа «масло в воде», с использованием мембранных и сорбционных технологий.

Методы исследования, используемые в настоящей работе:

потенциометрический - с использованием автоматического титратора марки «Т70» фирмы «Mettler Toledo» для определения значений показателя химического потребления кислорода (ХПК);

атомно-силовая микроскопия - использовался зондовый микроскоп марки «MultiMode V» фирмы «VEECO»;

дифрактометрия - рентгеноструктурный анализ осуществлялся на приборе марки «Rigaku Ultima IV»;

метод сидячей капли для измерения краевого угла смачивания с помощью аппарата марки «Kruss DSA 20Е»;

определение размера частиц с помощью анализатора наночастиц марки «Malvern Zetasizer Nano ZS»;

ИК-спектрометрия на базе ИК Фурье-спектрометра марки «ИнфраЛЮМ ФТ-08»;

определение НП с использованием концентратомера марки «КН-3». Научная новизна.

Получены новые экспериментальные результаты обработки ПСА мембран ВЧЕ низкотемпературной плазмой пониженного давления в газовых средах аргона и азота, аргона и воздуха в соотношении 70:30, а также в среде 100 % воздуха с варьированием параметров обработки.

Исследовано разделение модельной ВМЭ на базе масла марки «И-20А» ПСА мембранами, обработанными в потоке ВЧЕ низкотемпературной плазмы пониженного давления, с последующим определением параметров, при которых достигаются максимальные значения эффективности и производительности разделения эмульсии.

Показано, что обработка ВЧЕ плазмой пониженного давления способствует уменьшению шероховатости поверхности, увеличению гидрофильности

мембран за счет образования на их поверхности кислородсодержащих функциональных групп. Выявлено снижение кристалличности поверхности ПСА мембран при плазмообработке в среде аргона и азота, аргона и воздуха, увеличение кристалличности при воздействии плазмы, образуемой в среде воздуха.

Практическая значимость.

Проведена очистка отработанной эмульсии на базе смазочно-
охлаждающей жидкости (СОЖ) марки «Ленол-10МБ», образующейся в ходе
производственной деятельности в Управлении «Татнефтегазпереработка» ПАО
«Татнефть» методом ультрафильтрации с последующими адсорбцией и обрат
ным осмосом, в результате чего концентрация НП снижается с 17400 мг/дм³ до
0,05 мг/дм³.

Предложена принципиальная технологическая схема очистки отра
ботанной эмульсии НП с использованием мембранных и сорбционных техноло
гий с дальнейшей утилизацией масляной фазы и возможностью организации
частично замкнутого водооборота.

Положения, выносимые на защиту:

1. В результате обработки ПСА мембран в потоке ВЧЕ плазмы понижен
ного давления происходит увеличение эффективности разделения ВМЭ, в част
ности, в составе СВ, содержащих СОЖ.

7. Воздействие плазмы на поверхность мембран приводит к снижению шероховатости, увеличению смачиваемости и изменению их химической структуры.

8. Регенерация ПСА мембран после разделения ВМЭ достигается обратной промывкой раствором ПАВ, в то время как эффект от регенерации плазмой не выявлен.

9. Адсорбция модельной и отработанной промышленной эмульсии активированным углем и диатомитом с последующим обратным осмосом очищает ультрафильтрат ВМЭ до санитарно-гигиенических нормативов.

5. Предлагаемая принципиальная технологическая схема способствует
снижению антропогенной нагрузки рассматриваемых загрязняющих веществ на
окружающую природную среду, что подтверждается результатами биотестиро
вания.

Личный вклад автора заключается в обсуждении цели и задач диссертации, проведении аналитического обзора методов очистки ВМЭ, осуществлении экспериментов и обсуждении полученных результатов исследований, а также написании публикаций по теме диссертации и участии в работе конференций.

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы
опубликованы в следующих материалах конференций различного уровня:
сборник докладов III Международной молоджной научной конференции
«Экология и рациональное природопользование агропромышленных регионов»
(Белгород, 2015); материалы IX международной научно-практической

конференции «Современное состояние и перспективы инновационного развития

нефтехимии» (Нижнекамск, 2016); сборник научных трудов молодых ученых,
аспирантов, студентов и преподавателей VII Молодежного экологического
конгресса «Северная пальмира» (Санкт-Петербург, 2016); материалы

Всероссийской научно-практической конференции молодых ученых,

аспирантов, студентов и школьников (с международным участием) «Химия.
Экология. Урбанистика» (Пермь, 2017); материалы Всероссийской научно-
практической конференции «Экология, ресурсосбережение и охрана
окружающей среды на предприятиях нефтехимии и нефтепереработки»
(Нижнекамск, 2017); сборник статей научно-практической конференции с меж
дународным участием «Экологическая, промышленная и энергетическая безо
пасность – 2017» (Севастополь, 2017)

Публикации. Основные результаты диссертационной работы

представлены в 12 научных публикациях: 6 статей, из них 4 - в рецензируемых журналах из перечня ВАК Минобрнауки России, 2 – в журналах из перечня международных баз Scopus ; 6 – в материалах конференций различного уровня.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из 4 глав, выводов и приложений, изложена на 136 страницах, включает 22 таблицы, 37 рисунков, список литературы содержит 153 наименования источников.