Введение к работе
з
Актуальность темы. Практически на любом промышленном предприятии: в нефтедобывающей и нефтеперерабатывающей промышленности, в металлургии, в энергетике, в строительстве, на транспорте и нефтехранилищах, в других случаях, где нефтепродукты (н-п) являются энергетическим ресурсом производства, а вода - важнейшим компонентом технологического процесса, образуются большие количества стоков воды, загрязненной примесями н-п. Такая вода требует тщательной очистки независимо от того, возвращается она в технологический цикл или сбрасывается в природные водоемы. Существующие методы очистки практически не позволяют полностью освободиться от примесей н-п до величины ПДК, они малопроизводительны, дорогостоящи, а используемое оборудование часто работает нестабильно. В связи с этим, поиск более эффективных способов очистки промышленных сточных вод от нефтепродуктов и разработка физико-химических основ создания таких способов весьма актуальны и являются важными для многих отраслей промышленности и бытового водоснабжения.
Научная новизна работы. При разработке нового, более эффективного, метода очистки воды от примесей нефтепродуктов необходимо учитывать, что промышленные стоки, содержащие примеси н-п представляют собой многокомпонентные коллоидные системы эмульсионного типа с высокой агрегатив-ной устойчивостью. Они содержат тонко диспергированные органические и неорганические примеси в различном соотношении, в твердом и жидком виде, частично растворимые и нерастворимые в воде. В зависимости от месторождения нефти и процессов ее переработки нефтепримеси могут отличаться и по своему химическому составу, и по свойствам: температуре замерзания и кипения, вязкости, механической и оптической плотности, смачиваемости водой, поляризуемости поверхностных молекул н-п в постоянном электрическом поле диполей воды и содержащихся в ней ионов электролитов. Все эти свойства должны в той или иной степени влиять на процессы очистки промышленных
4 стоков и учитываться в технологическом процессе очистки. Однако такой подход к решению рассматриваемой проблемы с учетом многокомпонентности эмульсий н-п в практике использования существующих методов очистки в промышленности не применяется и в научно-технической литературе не обсуждается.
В соответствии с этим в настоящей работе нами впервые была разработана и экспериментально освоена методика количественного определения агре-гативной устойчивости эмульсий типа «масло/вода», получены ее зависимости от химического состава, величины рН, температуры, концентрации примесей и интенсивности перемешивания эмульсий. На основании этих экспериментальных исследований нами предлагается принципиально новый метод очистки стоков от примеси н-п в условиях интенсивного барботажа воздухом коллоидной структуры. В этих условиях гидратная оболочка нефтяных мицелл разрушается, дисперсные капли коалесцируют с образованием более крупных агрегатов и всплывают на поверхность воды за счет разности плотностей н-п дисперсной фазы и дисперсионной среды. Этот метод назван нами пневмосепара-цией.
В процессе исследований разработан и внедрен в лабораторную практику новый метод фотоколориметрического определения концентраций нефтепродуктов, исключающий стадию их экстракции неводными растворителями, а также уточнен порядок проведения анализов примесей электролитов после разрушения эмульсий и разделения фаз н-п и воды. Это позволило повысить точность анализов содержания компонентов в анализируемой воде по сравнению со стандартными методами технологического контроля производства.
Впервые были получены количественные зависимости влияния различных электролитов на устойчивость эмульсий в условиях пневмосепарации, предложены оптимальные условия снижения остаточной концентрации примеси н-п практически до нуля.
Целью настоящей работы является изучение специфических свойств многокомпонентных эмульсий типа «масло-вода» и разработка теоретических
5 основ очистки природных и промышленных сточных вод от примесей нефтепродуктов методом пневмосепарации.
Для достижения поставленной цели необходимо было решить ряд конкретных научных и технических экспериментальных задач, главные из них заключаются в следующем: 1) Усовершенствовать лабораторные методики получения водных эмульсий различных нефтепродуктов: чистых двухкомпонентных систем типа М/В («масло-вода»), а также многокомпонентных эмульсий, моделирующих промышленные стоки. 2) Определить устойчивость эмульсий в зависимости от рН водной среды и от присутствия электролитов в качестве коагулянтов. 3) Исследовать кинетику коагуляции эмульсий в различных условиях и рассмотреть механизм этого процесса. 4) Провести опыты по очистке воды методом пневмосепарации в промышленном масштабе и на их основе определить теоретические, технологические и экономические преимущества этого метода.
Впервые было установлено, что в процессе образования эмульсий существенно меняется величина водородного показателя рН вследствие адсорбции ионов ІҐ или ОН, на поверхности капель нефтепримеси, при этом в кислой среде рН увеличивается, в щелочной - уменьшается. Одновременно с адсорбцией указанных ионов протекает адсорбция диполей воды и ионов, растворенных в ней электролитов, при этом поверхность дисперсных частиц н-п становится гидрофильной, а устойчивость системы увеличивается. В соответствии с этим, сформулировано условие очистки воды от примесей н-п: технологический процесс должен предусматривать предварительное разрушение образующейся коллоидной структуры.
Практическая значимость диссертации.
Предложен способ очистки промышленных стоков от нефтепримесей посредством перемешивания жидкой фазы струей воздуха в условиях интенсивной турбулентности. В заводских условиях проведены опыты по очистке сточных вод от примесей н-п методом пневмосепарации с использованием про-
6 мышленного аэротенка. Полученные данные полностью подтверждают результаты лабораторных исследований.
Результаты исследований включены в рабочую программу дисциплины «Коллоидно-химическая очистка сточных вод» и используются в курсе лекций для подготовки инженеров-экологов по специальность 03.02.08 «Экология (по отраслям)» в МГОУ, а также при выполнении студентами МГОУ дипломных проектов.
Апробация работы и публикации. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на Второй Международной научно-технической конференции «Нестационарные, энерго- и ресурсосберегающие процессы и оборудование в химической, нано- и биотехнологии (НЭРПО-2011)» в г. Москве в 2011 году. По материалам диссертации опубликованы 10 работ (в том числе 6 статей в изданиях, рекомендованных ВАК).
Методы исследований и достоверность полученных результатов. При постановке экспериментов использованы стандартные методики, лабораторное оборудование и приборы. Для проведения химических анализов также использовались и разработанные нами методики. Достоверность полученных результатов оценивалась с использованием современных математических методов обработки получаемых данных. Экспериментальные данные, полученные на модельных образцах, соответствуют результатам, полученным на промышленной установке.
На защиту выносятся: 1) исследования кинетики и механизма разрушения эмульсий н-п в турбулентном потоке; 2) исследование влияния различных электролитов на коагуляцию эмульсий и выбор оптимального коагулянта для практического использования; 3) результаты исследований влияния величины рН, температуры, и скорости потока воздуха в турбулентном режиме на устойчивость эмульсий; 4) разработка способа очистки воды от примесей нефтепродуктов методом пневмосепарации.
Структура и объем работы. Диссертация изложена на 154 страницах машинописного текста, включает 26 таблиц, 24 рисунка и состоит из введения,
