СОРБИРУЮЩИЙ МАТЕРИАЛ, СПОСОБ ЕГО ИЗГОТОВЛЕНИЯ И ИСПОЛЬЗОВАНИЯ
SORBENT MATERIAL, METHOD FOR ITS PRODUCTION AND USE

Изобретение относится к области очистки воды от эмульгированных частиц нефти и нефтепродуктов, а также к области разделения устойчивых водомасляных эмульсий с помощью коалесцирующих фильтрующих материалов и к способам изготовления таких материалов.
Известен сорбирующий материал для удаления из воды нефтяных загрязнений, включающий наружные слои из полипропиленовых волокон и промежуточный слой из полипропиленовых или полиэфирных волокон, скрепленных иглопрокалыванием, причем плотность наружных слоев выше плотности промежуточного слоя (RU 2139959, 20.10.1999).
Известен фильтрующе-сорбирующий материал для очистки от нефтепродуктов и для очистки самих нефтепродуктов, т.е. для разделения эмульсий, изготовленный из неорганических и/или органических волокон в виде однослойных или многослойных элементов (В.П.Коваленко, В.Е.Турчанинов. Очистка нефтепродуктов от загрязнений. М.: Недра, 1990, с.105. с.125).
3
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является сорбирующий материал для удаления нефти и нефтепродуктов, а также для разделения эмульсий, выполненный в виде нетканого полотна из гидрофобных и/или гидрофобизированных полимерных волокон, скрепленных между собой, имеющий объемную плотность 0,01-0,06 г/см и имеющий гофрированную структуру, а также способ его изготовления, заключающийся в формировании холста из полимерного волокнистого субстрата, его уплотнение и гофрирование (RU 2166362, 10.05.2001).
Недостатком известного материала является невысокая степень очистки воды от мелкодисперсных частиц нефтепродуктов при его использовании для разделения суперустойчивых водомасляных эмульсий.
Известен способ разделения устойчивых водомасляных эмульсий, заключающийся в фильтровании через различные пакеты материалов, содержащие материалы как с гидрофобными, так и с гидрофильными свойствами (Коваленко В.П. Очистка нефтепродуктов загрязнений. М.: Недра, 1990).
Наиболее близким является способ разделения водомасляных эмульсий путем фильтрования через сорбирующий материал, причем вначале избирательную фильтрацию реализуют на пористо-ячеистом металле или сплаве с гидрофобными свойствами, а затем продолжают фильтрацию с достижением коалесценции мелкодисперсных капель - на гидрофильном материале, в качестве которого используют пористо-ячеистый металл с модифицированными свойствами, или объемные сетки из целлулоида, или кассеты со стеклянными шариками (RU 2120323, 20.10.1998 г.).
Недостатком известного способа является его невысокая эффективность при разделении суперустойчивых эмульсий.
Задачей настоящего изобретения является разработка композиционного фильтрующего материала, обладающего сорбирующими и коалесцирующими свойствами, а также высокой емкостью по углеводородам, позволяющего эффективно доочищать воду от эмульгированных нефтепродуктов до уровня ПДК, не требующего трудоемкой и энергоемкой регенерации.
Кроме того, задачей изобретения является разработка способа получения высокоэффективного композиционного фильтрующего материала и разделения устойчивых водомасляных эмульсий с помощью патентуемого материала.
Поставленная задача решается описываемым сорбирующим материалом для удаления нефти и нефтепродуктов из водных растворов и разделения устойчивых водомасляных эмульсий, содержащим слой в виде объемно-гофрированного нетканого полотна из полимерных волокон с гидрофобной поверхностью и гидрофильного супертонкого волокна, имеющего диэлектрическую проницаемость, не менее чем на 1,45 единиц превышающую диэлектрическую проницаемость слоя из полимерных волокон с гидрофобной поверхностью. В качестве гидрофильного супертонкого волокна предпочтительно использовать стеклянные, базальтовые или металлические волокна диаметром 1-15 мкм или их сочетание.
Массовое соотношение слоя из полимерных волокон с гидрофобной поверхностью и слоя из гидрофильного супертонкого волокна составляет (2-10):1.
Поставленная задача также решается описываемым способом изготовления сорбирующего материала для удаления нефти и нефтепродуктов из водных растворов и разделения устойчивых водомасляных эмульсий, который охарактеризован выше.
Способ включает формирование слоя из субстрата гидрофобных полимерных волокон, его термомеханическое уплотнение, формирование из него объемно гофрированного полотна с термофиксацией при температуре 90-120°С, формирование слоя из гидрофильного супертонкого волокна, наложение упомянутых слоев друг на друга, их скрепление и выдерживание в растворе электролита в течение 1-2 часов.
Поставленная задача решается также описываемым способом разделения устойчивых водомасляных эмульсий, включающим фильтрование эмульсии через сорбирующий материал, охарактеризованный выше и содержащий слои материалов с гидрофобной и гидрофильной поверхностями, при этом фильтрование осуществляют вначале через гидрофобный слой с меньшей диэлектрической проницаемостью, а затем через гидрофильный слой с большей диэлектрической проницаемостью, с формированием на поверхности раздела упомянутых слоев двойного электрического слоя, нейтрализующего двойной электрический слой на поверхности эмульгированных частиц.
Наибольшую эффективность с точки зрения коалесцирующих свойств показали такие комбинации материалов, как супертонкое базальтовое волокно толщиной 1-4 мкм в сочетании с полипропиленовыми и полиэфирными волокнами, а также послойная композиция из супертонкого базальтового волокна и стеклянного волокна толщиной 10-15 мкм также в сочетании с полипропиленовыми и полиэфирными волокнами.
2
Базальт на 50% состоит из SiO, обладает высокими электроизоляционными свойствами. Значение диэлектрической проницаемости:
базальт
3,75
стекло
5-16 (в зависимости от типа)
полипропилен
2,3
2
При контакте с водой поверхность раскола окислов гидратируется, разорванные химические связи насыщаются за счет ОН-групп. При соприкосновении дегидратированной поверхности SiO с водой помимо обратимой адсорбции протекает медленная гидратация поверхности, приводящая к восстановлению гидратного покрова, участвующего в формировании двойного электрического слоя.
На чертеже представлена схема двойного электрического слоя в процессе разделения эмульсии, где
1 - двойной электрический слой, сформированный на поверхности раздела двух материалов с различной диэлектрической проницаемостью, 2 - скоалесцированные частицы эмульгированной нефти, 3 - эмульгированная частица нефти, покрытая двойным электрическим слоем.
Технический результат, заключающийся в высокой эффективности заявленного материала, по мнению заявителя, можно объяснить следующим образом.
При тесном соприкосновении двух тел с различными электрохимическими характеристиками, погруженных в водную среду, в результате адсорбции дипольных молекул воды, которые определенным образом ориентируются на поверхности раздела двух материалов, возникает соответствующий скачок потенциала. При этом часть электронов переходит с одного тела на другое и на поверхности одного оказывается положительный заряд (недостаток электронов), а на поверхности другого тела - отрицательный заряд (избыток электронов), т.е. образуется двойной электрический слой (ДЭС) (см. чертеж).
Устойчивость нефтяных эмульсий также зависит от наличия на поверхности эмульгированных частиц двойного электрического слоя, при этом частицы, имеющие на своей поверхности одинаковые заряды, будут взаимно отталкиваться, обуславливая стойкость эмульсии. Для проведения высокоэффективного процесса очистки слабо концентрированных нефтесодержащих вод от нефти необходимо освободить нефтяную частицу от ДЭС.
В процессе прохождения заряженных частиц последовательно через волокнистый гидрофобный полимерный слой с меньшей диэлектрической проницаемостью, а затем через волокнистый гидрофильный слой с большей диэлектрической проницаемостью происходит перетекание ДЭС нефтяных частиц в ДЭС, образованный на поверхности контакта двух волокнистых материалов. Освобожденные от “бронирующей оболочки” нефтяные частицы коалесцируются, увеличивая массу, и под действием сил гравитации поднимаются по гофрам и собираются в верхней части фильтра, где предусмотрен карман для сбора нефтепродукта.
В заявленном изобретении происходит формирование двойного электрического слоя на границе раздела двух волокнистых материалов с различной диэлектрической проницаемостью. Такое расположение ионов, так же как и в ионной атмосфере, получается под влиянием двух противоположных факторов: электростатических сил, которые стремятся притянуть ионы плотно к поверхности электрода, и теплового движения, которое стремится расположить ионы хаотически в растворе - в объемной структуре гофрированного материала.
Сформировавшийся двойной электрический слой повышает скорость коалесценции дисперсной фазы эмульсии. Водная фаза фильтруется через слой гидрофильного волокна и выводится из фильтра.
Далее приведен пример изготовления одного из возможных вариантов заявленного материала.
Пример 1
2
2
Готовят субстрат из полимерных волокон на основе полипропилена (ПП - 2,2 текс 50%, ПЭ - 1,7 текс 30%, ТПВ - 0,48 текс 20%), раскладывают и термомеханически уплотняют путем прокатывания или иглопрокалывания. Полученный волокнистый слой гофрируют с термофиксацией при 90°С в течение 20 минут, устанавливая толщину слоя полотна, равную 1,0 - 3,0 см, при этом поверхностная плотность полотна составляет 450-550 г/м. Формируют слой с поверхностной плотностью 450-550 г/м из гидрофильного базальтового волокна с диаметром волокон 1-4 мкм. Оба слоя накладывают друг на друга и скрепляют между собой иглопрокалыванием или прокатыванием. Полученный материал погружают в раствор электролита и выдерживают в нем 2 часа.
Сорбирующий материал был использован в качестве фильтрующей коалесцирующей загрузки для выделения из воды эмульгированных нефтепродуктов.
Для этого сорбирующий материал был помещен в фильтр патронного типа со сменным фильтрующим элементом, представляющим собой перфорированную трубу, установленную по оси корпуса фильтра. Вокруг перфорированной трубы размещен сорбирующий материал таким образом, что наружная стенка трубы контактирует с гидрофобным слоем волокнистого материала с гофрированной объемной структурой, причем ребра гофр расположены вертикально вдоль центральной трубы.
В центральную трубу подается искусственно приготовленная водомасляная эмульсия, которая через перфорации проходит в слой гидрофобного полимерного волокна. Внешняя поверхность полимерного слоя сорбента контактирует с супертонким гидрофильным, волокнистым базальтовым материалом, т.е. с волокном с полярной положительно заряженной поверхностью.
Результаты испытаний приведены в таблице 1.
Таблица 1
Кол-во
Расход,
Содержание нефтепродуктов мг/л
литров
л/ч
пропущенной
воды, л
Вход
Выход
10
3,6
5,8
0,026
60
8,0
5,1
0,025
100
8,0
10,4
0,02
150
17,0
22,0
0,02
200
17,0
41,6
0,13
Пример 2
2
2
Готовят субстрат из полимерных волокон на основе полипропилена (ПП - 2,2 текс 50%, ПЭ - 1,7 текс 30%, ТПВ - 0,48 текс 20%), раскладывают и термомеханически уплотняют путем прокатывания или иглопрокалывания. Полученный волокнистый слой гофрируют при термофиксации 120°С в течение 2-3 минут, устанавливая толщину слоя полотна, равную 1,0-3,0 см, при этом поверхностная плотность полотна составляет 450-550 г/м. Формируют слой с поверхностной плотностью 450-550 г/м из гидрофильного базальтового волокна с диаметром волокон 1-4 мкм и стекловолокно с диаметром волокон 12-15 мкм. Слои накладывают друг на друга в следующей последовательности: гидрофобный полимерный волокнистый материал, базальтовое волокно, стекловолокно. Все слои скрепляют между собой иглопрокалыванием или прокатыванием. Полученный материал погружают в раствор электролита и выдерживают в нем 2 часа.
Материал был испытан в лабораторных условиях также в процессе разделения суперустойчивой водомасляной эмульсии при очистке от нефтепродуктов талой воды с автодорожного полотна в области Садового кольца г.Москвы. При изготовлении материала использовалась послойная композиция из супертонкого базальтового волокна и стеклянного волокна толщиной 10-15 мкм также в сочетании с полипропиленовыми и полиэфирными волокнами, результаты оказались аналогичными примеру 1.
Результаты испытаний приведены в таблице 2.
Таблица 2
Количество
Расход,
Содержание нефтепродуктов,
пропущенной
л\ч
мг\л
воды, л
Вход
Выход
5
60
4,14
0,03
20
60
3,62
0,025
40
60
1,62
0,02
Таким образом, достигнута высокая эффективность разделения эмульсии, так как в процессе ее фильтрации сформирован ДЭС, что обеспечило:
- переход ДЭС с частиц нефтепродукта в ДЭС на границе раздела слоев материала;
- коалесценцию частиц;
- выведение скоалесцированного нефтепродукта с фильтрующей поверхности под действием сил гравитации по полым каналам гофр полимерного нетканого материала;
- отделение накопившейся пленки нефтепродукта и вывод очищенной водной фазы;
- дополнительную очистку водной фазы в слое гидрофильного материала.