Активированный комплексный сорбент
ACTIVATED COMPLEX SORBENT

Изобретение относится к переработке отходов бурения с применением комплексного сорбента с активированным компонентом, обеспечивающим изоляцию нефтепродуктов и ионов солей тяжелых металлов в буровых шламах.
Известен сорбент природного растительного происхождения для очистки почвы от нефтепродуктов, в состав которого входят нестерильный верховой сфагновый мох или верховой слаборазложившийся сфагновый торф и экстракт лечебной грязи, полученный экстрагированием мелкодисперсной торфяной грязи со степенью разложения растительных остатков 50% и более гидрокарбонатно-натриевой минеральной водой при содержании компонентов, вес. %: нестерильные верховой мох или верховой слаборазложившийся сфагновый торф 85-89, водный экстракт лечебной грязи 11-15 (RU 2318592, «Сорбент для очистки почвы от нефтепродуктов», патентообладатель - Чаков В.В., (RU), опубл. - 10.03.2008). Известный сорбент обеспечивает улучшение структуры почвогрунтов с улучшенными водно-физическими свойствами, обеспечивающими поселение и рост различных видов растений.
Недостатком известного сорбента является ограниченность его производства ввиду недостаточного количества лечебной грязи и сложности ее добычи.
Известен гранулированный модифицированный наноструктурированный сорбент для очистки водных сред от техногенных загрязнителей, содержащий (масс. %) глауконит - 20-50, интеркалированный графит, представляющий собой бисульфат графита, - 1-5, бентонитовую глину - 40-70, модификатор, выбранный из NaHCO3, - 10, или KMnO4 - 5, или NaCl - 8, и воду (RU 2503496 С2, «Гранулированный модифицированный наноструктурированный сорбент, способ его получения и состав для его получения», патентообладатель - Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Саратовский государственный университет имени Н.Г. Чернышевского" (RU), опубл. - 10.01.2014). Известный сорбент обладает высокими показателями сорбции и фильтрующей способностью.
Недостатком известного сорбента является ограниченность области его применения. Сорбент применяется только для очистки загрязненной воды, но не для твердых или пастообразных отходов.
3
Также, известна грунтошламовая смесь для рекультивации нарушенных земель, в состав которой входит торфопесчаная смесь, буровой шлам, активные обезвреживающие и мелиорирующие добавки, используют буровой шлам плотностью 1,5-1,85 г/см и влажностью в пределах 30-60%, при этом содержание компонентов смеси составляет, масс. %: буровой шлам 35-50, песок или супесчаный грунт 25-30, торф марки А, Б 25-30, активные обезвреживающие и мелиорирующие добавки - остальное, (патент RU 2631391 С2, «Смеси грунтошламовые для рекультивации нарушенных земель и способ рекультивации земель с использованием смесей грунтошламовых», патентообладатель - Общество с ограниченной ответственностью "Сибпромсервис" (RU), опубл. - 21.09.2017).
Недостатком известной смеси является большой расход компонентов, а также отсутствие компонента, связывающего ионы тяжелых металлов (ТМ), что оставляет возможность проникновения экотоксикантов в почву и грунтовые воды.
Известные составы сорбентов, применяемые в сорбционных технологиях переработки буровых шламов, не обладают достаточной сорбционной емкостью к загрязнителям различного вида, в первую очередь, нефтепродуктам (НП) и ТМ из-за недостаточно развитой поверхности, что приводит к необходимости увеличения количества вносимого в шлам сорбента ввиду его недостаточной эффективности. Указанный недостаток приводит к достаточно высокой стоимости утилизации и большим объемам утилизированных отходов, подлежащих дальнейшей переработке или захоронению.
Технической задачей, на решение которой направлено заявленное техническое решение, является устранение недостатков известных сорбентов и создание активированного комплексного сорбента (КС), посредством которого обеспечивается изоляция нефтепродуктов и солей тяжелых металлов в буровых шламах.
Технический результат, на достижение которого направлено заявленное техническое решение, состоит в повышении экологической безопасности и экономической эффективности утилизации отходов бурения, содержащихся в накопителях на скважинных площадках за счет снижения стоимости и объема используемого сорбента.
Заявленный технический результат достигается за счет разработки активированного комплексного сорбента, в состав которого входят торф, глинопорошок ПБМБ, Цеостимул и зола березовая при следующем соотношении компонентов (масс., %):
Торф
18-20
Глинопорошок ПБМБ
10
Цеостимул
60-62
Зола березовая
остальное,
при этом используют торф, предварительно просеянный через сито диаметром 1,25 мм, обработанный 2%-м раствором щелочи в 3%-м растворе перекиси водорода и высушенный при температуре не выше 130°С.
Используемые для приготовления заявленного активированного комплексного сорбента компоненты обладают следующими характеристиками.
1. Торф (может быть использован торф различной степени разложения, в частности верховой торф из района Вяткино, Владимирская обл.) При этом проводится его термическая активация и каталитическая модификация поверхности для повышения его сорбционной емкости за счет окисления функциональных групп и увеличения размеров пор. Для этого торф просеивается через сито диаметром 1,25 мм, обрабатывается 2% раствором щелочи в 3% растворе перекиси водорода, далее обработанный торф сушится при температуре не выше 130°С.
Установлено, что сорбционная емкость исходного торфа по НП (нефтепродукт - керосин) составила - 2,5 мл/г, торфа после окислительной модификации - 4,7 мл/г.
Определено, что окислительная модификация торфа позволила увеличить содержание в нем карбоксильных групп, а также повысить степень дисперсности, что положительно влияет на сорбционную емкость, при этом, обработка щелочью и перекисью водорода катализировала процесс окисления.
2. Глинопорошок ПБМБ представляет собой порошок бентонитовый модифицированный группы "Б".
3. Зола березовая в составе КС необходима для замещения протонов карбоксильных групп торфа на соответствующие катионы металлов K или Са, что ускоряет последующий обмен указанных катионов на катионы ТМ, т.е. для нейтрализации гуминовых и фульвокислот в составе органического вещества торфа и перевода их в активное состояние.
Наличие в составе заявленного комплексного сорбента глинопорошка в сочетании с золой обеспечивает диспергирование бентонитовой составляющей сорбента и создание максимальной удельной поверхности концентрированной суспензии породообразующего слоистого силиката (монтмориллонита) для высокой сорбции ТМ. Процесс сорбции катионов ТМ (в т.ч. поливалентных металлов) на частицах бентонита носит ионообменный характер с частичным образованием малорастворимых карбонатов.
4. "Цеостимул" (ТУ 2163-005-55353725-201) представляет собой продукт переработки природных алюмосиликатов. Материал обладает уникальными сорбционными, ионообменными, молекулярно-ситовыми и каталитическими свойствами, в нем содержится около 40 минеральных элементов. Поставляется в виде тонкодисперсного порошка или мелкозернистой крошки светло-желтого или серого цвета.
Таким образом, использование в качестве компонентов комплексного сорбента (КС) торфа, подвергнутого окислительной каталитической модификации поверхности и термической активации, золы березовой, глинопорошка ПБМБ и Цеостимула, приводит к получению как экологического (использование природных материалов в качестве компонентов комплексного сорбента), так и синергетического эффекта за счет взаимного действия при совместном использования указанных компонентов, при этом, полученная композиция обладает высокой сорбционной емкостью по отношению к загрязнителям различного вида (НП и ТМ) и является эффективной при утилизации буровых шламов (таблицы 1, 2). Синергетический эффект заключается как в увеличении степени окисленности торфа, так и в замещении протонов его карбоксильных групп на катионы щелочных и щелочноземельных металлов, что приводит к эффективной хемосорбции катионов ТМ.
Приготовление сорбента заключается в последовательном и тщательном перемешивании всех компонентов.
Заявленный активированный комплексный сорбент состоит из недорогих природных материалов минерального и органического происхождения с высокой степенью дисперсности и сорбционной емкости.
Под термином «сорбционная емкость» подразумевается количество адсорбированного вещества (в моль/г, г/г или мл/г), которое определяется по предельной адсорбции загрязнителя (нефти, дизельного топлива, керосина, ионов тяжелых металлов и пр.) к 1 г сорбента.
Для выбора оптимальной рецептуры КС была изучена сорбционная емкость по отношению к ионам ТМ и НП различных рецептур, отличающихся по содержанию компонентов (см. таблицу 1). По результатам исследования сорбционной емкости сорбентов оптимальными выбраны рецептуры №2, №4 и №5. В качестве ТМ были выбраны медь и цинк, как встречающиеся в буровых шламах в значительном количестве.
Примеры использования сорбента для утилизации бурового шлама Брали 1000 г бурового шлама (шлам получен после применения полимер-глинистого бурового раствора на Уренгойском НГКМ), к нему добавляли 300 г КС по рецептуре №2, перемешивали до однородного состояния и оставляли полученную массу на 30 суток. В итоге получали продукт утилизации -техногенный грунт.После чего сравнивали физико-химические характеристики исходного шлама и полученного продукта утилизации. Аналогично изучали смеси 1000 г шлама с 300 г КС по рецептурам №4 и №5. Результаты представлены в таблице 2.
Из таблицы 2 видно, что указанные рецептуры КС, добавляемые к буровому шламу, значительно сокращают содержание подвижных форм ТМ (ниже ПДК) и НП в водной вытяжке, так содержание ТМ в среднем сократилось на 60%, а содержание нефтепродуктов, в водной вытяжке на 68%. Полученные результаты позволяют использовать полученный продукт утилизации в качестве техногенного грунта для отсыпки различных объектов и при строительстве.
Создание заявленного активированного комплексного сорбента делает возможной эффективную изоляцию нефтепродуктов и солей тяжелых металлов в буровых шламах за счет его состава, а также позволяет разработать экологически безопасную и экономически эффективную технологию утилизации отходов бурения, содержащихся в накопителях на скважинных площадках, снижения количества и себестоимости КС, а также эффективной сорбции экотоксикантов, содержащихся в буровых шламах. Экономический эффект заключается в уменьшении площадей, отводимых под шламонакопители, уменьшении количества вносимого сорбента для утилизации шлама и, как следствие, затрат на перевозку сорбента, а также в получении полезного продукта - техногенного грунта, который может быть использован для различных хозяйственных нужд.