Введение к работе
Актуальность работы. Предприятия химической и нефтехимической отраслей промышленности являются основными источниками загрязнения поверхностных и сточных вод нефтепродуктами (НП). По данным доклада Председателя Правительства Российской Федерации Д. А. Медведева от 25 января 2018 года на заседании в доме Правительства в г. Москве, последствия разливов нефти и НП наносят огромный ущерб окружающей среде и у всех организаций нефтяной отрасли должны быть планы предупреждения и ликвидации разливов нефти и НП. Существующая структура промышленности, устаревшие технологии формируют широкий круг природоохранных проблем, которые резко обостряют экологическую ситуацию. В настоящее время все чаще отмечается нефтяное загрязнение водной среды при сбросах сточных вод предприятиями, при промывке промышленного оборудования и др. Кроме того, загрязнение окружающей среды нефтью и НП происходят при авариях судов в море; во время добычи, переработки и транспортировки нефти.
Для очистки водных сред от нефтяных загрязнений применяются различные методы: механические, термические, физико-химические, биологические. Одним из эффективных методов является сорбционный метод.
К сорбционным материалам (СМ) предъявляются следующие требования: гидрофобность, нефтеёмкость, плавучесть, низкое водопоглощение, простота утилизации, устойчивость к разрушению в водной среде, эффективность использования при разных температурах, нетоксичность, оптимальная стоимость. Для достижения вышеуказанных целей могут использоваться СМ, которые изготавливаются из отходов производства. Одним из таких промышленных многотоннажных отходов является карбонатный шлам химводоподготовки, который образуется в процессе известкования и коагуляции на стадии предварительной очистки природной воды.
Поэтому исследование возможности применения отхода химводоподготовки в качестве СМ нефти и НП является актуальной задачей, имеет большое научное и практическое значение.
Цель диссертационной работы состояла в разработке технических решений для очистки водных объектов от нефти и НП с использованием гидрофобного карбонатного шлама для снижения антропогенного воздействия промышленных предприятий на окружающую среду.
Для достижения поставленной цели необходимо решение следующих задач:
1. Определить технологические и физико-химические характеристики карбонатного шлама химводоподготовки теплоэлектроцентрали (ТЭЦ) АО «Марийский целлюлозно-3
бумажный комбинат» (АО «МЦБК») и оценить возможность его использования как сорбционного материала при очистке сточных вод от НП.
-
Исследовать возможность повышения эффективности очистки водных сред от нефти и НП карбонатным шламом, обработанным отходом деструкции силоксановых каучуков (ДСК) – кремнийорганической жидкостью, который получил аббревиатуру «ГКШ», определить технические условия и разработать принципиальную схему изготовления «ГКШ».
-
Исследовать процесс адсорбции растворенных НП разработанным «ГКШ» на основе карбонатного шлама, установить механизм и изучить кинетику процесса адсорбции.
-
Провести лабораторные и натурные эксперименты по очистке водных сред от нефтяных загрязнений разработанным «ГКШ».
-
Определить пути утилизации отработанного насыщенного НП «ГКШ» в качестве вторичного энергетического ресурса (ВЭР).
-
Оценить экономический эффект и предотвращенный экологический ущерб пруду-отстойнику АО «МЦБК».
Методология и методы исследования. В работе использованы методы физико-
химического и биологического анализа: газовая хромато-масс-спектрометрия;
ИК-спектроскопия; рентгенографический фазовый; гравиметрический; титриметрический;
фотоколориметрический; рентгенофлуоресцентный элементный анализы; биотестирование.
Научная новизна.
-
Научно обосновано и экспериментально подтверждено технологическое решение очистки водных сред от нефтяных загрязнений разработанным «ГКШ» на основе карбонатного шлама.
-
Получены экспериментальные результаты обработки карбонатного шлама ТЭЦ АО «МЦБК» отходом ДСК, при которой достигается максимальное значение нефтеёмкости. Определены оптимальные условия изготовления «ГКШ» (карбонатный шлам с размером частиц 0,05-0,9 мм путем пропитки отходом ДСК объемное и массовое соотношение жидкой и твердой фаз 1:5, термообработка проводится при температуре 150 С в течение 60 минут).
-
Установлен механизм процесса адсорбции НП нефти Шийского месторождения на разработанном материале «ГКШ». На основании расчетов энергии Гиббса, изостерической теплоты адсорбции, констант скорости адсорбции и кажущейся энергии активации показано, что процесс адсорбции имеет физический характер.
Практическая значимость работы. На основании результатов проведенного натурного эксперимента по очистке пруда-отстойника АО «МЦБК» от нефтяного
загрязнения с применением разработанного материала «ГКШ» предложена технологическая схема очистки.
На основе экспериментальных исследований разработаны технология получения
«ГКШ» и схема утилизации отработанного материала в качестве ВЭР на линии сжигания
твердых отходов котельной АО «МЦБК». Эколого-экономический эффект от очистки пруда-
отстойника АО «МЦБК» разработанным «ГКШ» вследствие разлива НП, составил более
2600 тыс. руб., при этом укрупненная эколого-экономическая оценка ущерба,
предотвращаемого в результате разлива 1 тонны НП составила 723,4 тыс. руб.
Теплота сгорания НП, адсорбированных СМ «ГКШ», определенная
калориметрическим методом, составила 22,6 мДж/кг. Полученное значение сопоставимо с теплотой сгорания каменных углей: Кузнецкого (< 22,7 МДж/кг), Норильского (< 22,6 МДж/кг), Якутского (< 22,9 МДж/кг) бассейнов. Измерена зольность «ГКШ», которая составила – 26,5 %.
Проведен тепловой расчет котла при сжигании насыщенного НП «ГКШ»: коэффициент полезного действия (КПД) котла составил – 85,2 %; общий расход топлива – 0,336 кг/с.
Положения, выносимые на защиту.
1. Гидрофобизация карбонатного шлама химводоподготовки отходом ДСК увеличивает его нефтеёмкость.
2. Выбранные условия модификации шлама химводоподготовки позволяют получить СМ «ГКШ».
3. Удаление растворенных НП разработанным «ГКШ» из водной среды происходит
вследствие физической адсорбции, что подтверждается исследованием кинетики процесса.
4. Полученный «ГКШ» может быть использован для очистки пруда-отстойника от
нефти и НП.
5. Разработанная принципиальная схема очистки пруда-отстойника от НП
полученным «ГКШ», которая включает блок производства гидрофобного материала и
технологическую схему утилизации насыщенного НП «ГКШ» в качестве ВЭР на линии
сжигания твердых отходов АО «МЦБК» позволит уменьшить антропогенное воздействие
нефтедобывающих и нефтехимических производств на окружающую среду.
Личный вклад автора заключается в выборе объектов исследования, в обсуждении целей, задач и методов их решения, проведении экспериментальных исследований, обработке их результатов, формулирования выводов основных научных положений, опубликовании полученных результатов и апробации материалов диссертационной работы.
Достоверность результатов подтверждается применением аттестационных методик, государственных стандартов. Эксперименты выполнены с использованием современного оборудования, методик качественного и количественного химического анализа, результаты получены в ходе многократных измерений и с последующей статистической обработкой.
Апробация работы. Основные материалы и результаты диссертационной работы
докладывались на Международной научно-технической конференции «Энерго- и
ресурсосберегающие экологически чистые химико-технологические процессы защиты
окружающей среды» (Белгород, 2015), V Международном форуме «Энергоэффективность и
энергосбережение – ЕNЕS 2016» (Москва, 2016 г.); научно-практической конференции с
международным участием «Экологическая, промышленная и энергетическая безопасность –
2017» (Севастополь, 2017 г.), XVIII Международном симпозиуме
«Энергоресурсоэффективность и энергосбережение» (Казань, 2018 г.), Международной научно-технической конференции «Инновационные пути решения актуальных проблем природопользования и защиты окружающей среды» (Алушта, 2018 г.).
Публикации. Основные результаты диссертационной работы опубликованы в 10 научных трудах, включая 1 патент на изобретение, 1 статью в журнале из базы данных Sсоpus, 3 статьи в научных журналах, рекомендованных ВАК Минобрнауки России.
Структура и объем диссертационной работы. Диссертация изложена на 163 страницах машинописного текста, состоит из введения, 5 глав, заключения, списка литературы, который включает в себя 176 наименований, в том числе 11 зарубежных и приложения на 5 страницах. В работе 30 рисунков и 30 таблиц.
Работа выполнена в ФГБОУ ВО «Казанский государственный энергетический университет» в рамках базовой части государственного задания в сфере научной деятельности (№13.6384.2017/БЧ).