Исследование возможности использования жома сахарной свеклы в качестве сорбционного материала легких нефтепродуктов

УДК 628.316.12

И. Г. Шайхиев, С. В. Степанова, К. И. Шайхиева, А. И. Мавлетбаева

ИССЛЕДОВАНИЕ ВОЗМОЖНОСТИ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ЖОМА САХАРНОЙ СВЕКЛЫ В КАЧЕСТВЕ СОРБЦИОННОГО МАТЕРИАЛА ЛЕГКИХ НЕФТЕПРОДУКТОВ

Ключевые слова: жом сахарной свеклы, легкие нефтепродукты, сорбция.

Исследована возможность использования высушенного жома сахарной свеклы различного фракционного состава в качестве сорбционного материала легких нефтепродуктов (керосин, бензин) при различных температурах в статических и динамических условиях. Определено, что максимальная нефтеемкость жома сахарной свеклы повышается при понижении температуры. Наибольшими сорбционными характеристиками обладает средняя фракция реагента с размерами 1,2-5 мм.

Key words: sugar beet's bagasse, light oil products, sorption.

Was researched possibility of using of dried sugar beet's bagasse of different fraction structure as a sorption material for light oil products (kerosene, benzene) in different temperatures in static and dynamic conditions. Was defined, that maximum oil capacity of sugar beet's bagasse is increasing in conditions of temperature decrease. The most capacity characteristics has the medium reagent fraction with 1,2-5 mm sizes.

Разливы нефти и продуктов ее переработки имеют место на всех стадиях обращения с ними: при добыче, транспортировке, хранении, наливе, переработке и использовании. Особенно актуальна данная проблема в Российской Федерации в связи с изношенностью трубопроводного и промышленного оборудования, а также несоблюдением технологической дисциплины на территориях промышленных предприятий. С увеличением протяженности про-дуктопроводов и объемов переработки нефти, техногенное воздействие предприятий нефтехимии и нефтепереработки на окружающую природную среду не ослабевает. В этой связи ликвидация разливов нефтепродуктов (НП) на твердой и водной поверхности является актуальной задачей не только в настоящее время, но и в отдаленном будущем.

Существующие методы и средства не всегда способствуют достижению главной цели при ликвидации разлива НП - эффективного и быстрого извлечения последнего с поверхности загрязнения. Поэтому сохраняется необходимость исследования, разработки и создания новых средств и технологий извлечения нефтепродуктов [1].

В основе многих действующих технологий ликвидации разлива НП и нефтяных загрязнений лежит сорбционный метод. Для его реализации применяются сорбенты природного и искусственного происхождения. Многие сорбенты, как правило, искусственного происхождения имеют высокую нефтеем-кость, но, тем не менее, не удовлетворяют таким требованиям, как технологичность применения, доступная сырьевая база, возможность утилизации и низкая себестоимость.

В последнее время уделяется большое внимание использованию в качестве сорбционных материалов для удаления НП отходов переработки сельскохозяйственного сырья и отходов промышленного производства [2-10]. Использование последних, являющихся местными потенциальными вторичными ресурсами, позволяет совместить утилизацию отходов производства с природоохранной деятельностью. Сельскохозяйственные отходы растительного и жи-

вотного происхождения, по литературным данным, имеют практически неограниченную возобновляемую сырьевую базу, дешевы и доступны.

Технология применения сорбентов обычно включает в себя следующие операции:

- равномерное нанесение на нефтяное пятно сорбируемого средства;

-выдержку сорбента до насыщения (время собственно сорбции лежит в интервале от 10 - 20 минут до 5 - 6 часов и зависит от вида собираемого НП);

-извлечение насыщенного сорбента с поверхности механическими средствами;

- регенерацию (если это возможно) и утилизацию обработанного сорбента

Нефтепоглощающая способность растительных отходов является главным критерием, который следует учитывать при производстве того или иного вида сорбента и напрямую зависит от изначальной нефтеемкости чистого сырья.

В связи в вышеизложенным, в данной работе исследовался жом сахарной свеклы (ЖСС) в качестве сорбционного материала для НП. Последний образуется в количестве 83 % от массы перерабатываемой свеклы.

В данное время, свекловичный жом нашел применение в сельском хозяйстве, являясь ценным углеводистым кормом. Жом поступает в хозяйства в большом количестве в период уборки и переработки сахарной свеклы. Для сохранения его сушат или силосуют. По общей питательности он незначительно уступает некоторым видам концентратов. Несмотря на то, что он является одним из лучших кормов для скота, его рекомендуют использовать только в маленьких дозах для подкормки животных.

При переработке 1 тонны сахарной свеклы образуется около 800 кг отходов (жома). На сегодня основными проблемами многих заводов по производству сахара является утилизация отходов по переработки свеклы. Одним из крупных источников образования отходов в Республике Татарстан является ОАО «Буинский сахарный завод», г. Буинск, который перерабатывает более 350 тыс. т. в сезон саха-

роварения. Предприятием заключены договора с условиями, что с одной поставленной тонны свеклы поставщики обязаны забрать 465 кг жома с использованием его на корм скоту. Оставшиеся 335 кг жома на 1 т переработанной свеклы размещаются на собственном жомохранилище завода с дальнейшей его реализацией населению в качестве корма. Но по причине плюсовых температур наружного воздуха и повышенной влажности, в весенний и осенний периоды ЖСС закисает, приобретает неприятный запах гниения и не может быть использован в качестве корма, и, в большинстве своем, перегнивая в буртах, создает напряженную экологическую обстановку вокруг мест хранения.

В работе применялся высушенный ЖСС с ОАО «Буинский сахарный завод». Исследуемый образец реагента первоначально подвергался дроблению с целью выяснения влияния фракционного состава на нефтеемкость сорбента. В результате ситового обработки были выделены три фракции: крупная - от 5,0 мм и более (до 12,0 мм); средняя - от 1,2 мм до 5,0 мм и мелкая - менее 1,2 мм.

По литературным данным? жом содержит до 0,4 % сахара, пектиновые вещества 42 - 45 %, клетчатку 23 - 25 %, гемицеллюлозу (содержание сухих веществ около 7 %), лигнина 7 - 9 %, в том числе сырой протеин 1,3 %, сырой жир 0,1 %, безазотистые экстрактивные вещества - 9,9 %, минеральные вещества (в т.ч. калий, натрий, кальций, магний) -3,5-5,0 %.

В первую очередь было необходимо определить основные характеристики используемого сорбцион-ного материала (СМ). В виду этого для всех фракций было определенно значение основных свойств ЖСС. Это суммарный объем пор, насыпная плотность, влажность, коэффициент сухости и зольность. Полученные данные представлены в табл. 1.

Таблица 1 - Значение основных свойств жома сахарной свеклы

Основные свойства СМ Наименование фракции

крупная

Суммарный объем пор, см3/г 5,331 4,582 3,133

Насыпная плотность, г/см3 0,181 0,286 0,498

Влажность Ш, % 8,835 8,098 7,564

Коэффициент сухости жома, Ксух 0,911 0,919 0,924

Зольность З, % 0,397 0,384 0,382

Как видно из результатов проведенных экспериментов, ЖСС обладает большим суммарным объемом пор, что является главным требованием, предъявляемых к сорбционным материалам.

В качестве НП исследовались легкие фракции переработки нефти - бензин марки АИ-92 и керосин марки ТС-1. Учитывая тот факт, что на большей территории Российской Федерации преобладают низкие температуры, в работе исследовались сорб-ционные характеристики ЖСС по отношению к ука-

занным НП при температурах +4 0С и +20 0С. Для этого на поверхность названных НП объемом 50 см3 в чашке Петри насыпалось по 1 г ЖСС и через определенные промежутки времени с помощью латунной сеточки, заранее помещенной в чашку Петри, насыщенный НП сорбционный материал удалялся, излишний сорбат стекал и весовым методом определялось количество удаленного НП. Величину статической обменной емкости определяли как отношение массы поглощенного НП к массе сорбцион-ного материала.

Графики сорбции топлива марки ТС-1 в зависимости от температуры окружающей среды и фракции сорбционного материала приведены на рис 1. По построенным зависимостям очевидно, что при нормальных условиях и при пониженной температуре большей насыщаемостью исследуемого НП обладает средняя фракция СМ (1,77 г/г и 0,86 г/г, соответственно). При пониженной температуре в первые 5 минут контактирования сорбционные показатели средней и мелкой фракций практически одинаковы (0,72 г/г и 0,70 г/г, соответственно). Наибольшее поглощение НП наблюдается за первые 20 минут взаимодействия СМ с сорбатом (1,32 и 0,65 г/г для крупной фракции, 1,67 и 0,77 г/г - для средней фракции и 1,47 и 0,73 г/г - для мелкой фракции при 20 0С и 4 0С, соответственно).

0,2 -(1,1

О II—

О 21) 40 60 8(1

Время, мин

♦—Крупная Фржцги Ч - Средня фржцпя —*—Мелкая фракция

а

'Крутшфряьощ средняя | ракцгса -^Мелкая фраодиа

б

Рис. 1 - Графики поглощения топлива марки ТС-1 различными фракциями жома сахарной свеклы: а) при температуре 4 0С; б) при температуре 200С

Анализируя приведенные графики на рис.1, очевидно, что значение температуры значительно влия-

ет на сорбционные показатели и при понижении температуры. Так, вопреки устоявшемуся мнению, что с понижением температуры значение максимальной сорбционной емкости по НП увеличивается, в данном случае имеет место обратная зависимость. Данное обстоятельство, по всей видимости, связано с тем, что при сорбции на мелкопористых СМ химических веществ, размеры молекул которых близки к эффективным размерам пор, не имея достаточной энергии, для того что бы проникнуть в глубину пор, лишь незначительно сорбируются на поверхности макро- и мезопор.

Графики сорбции бензина марки АИ-92 при вышеуказанных температурах в зависимости от размера фракций ЖСС приведены на рисунке 2.

0,2 0,1 о I

0 20 40 60 SO

Время, ьпш

'Крупная фрикция Ш Средняя фрзвди А Мелкая фракция

а

1»

8 0,4 -Э"

02 0,1 0 I

() 20 « 61) КО

—К рупная фракция Средняя фраыцы —*—Мгн..и' рякцш

б

Рис. 2 - Графики поглощения бензина марки АИ-92 различными фракциями жома сахарной свеклы: а) при температуре 4 0С; б) при температуре 20 0С

Анализируя построенные по результатам исследований графики зависимости сорбционной емкости от времени контактирования сорбата с СМ и фракционного размера последнего, сделан вывод о том, что поглощение бензина с течением времени протекает неравномерно. С увеличением времени взаимо-

действия нефтеемкость СМ увеличивается, что вполне закономерно. При нормальных условиях и пониженной температуре большей насыщаемостью бензином марки АИ-92 обладает средняя фракция ЖСС (1,67 г/г и 0,84 г/г, соответственно). При пониженной температуре крупная и мелкая фракция СМ имеют сопоставимые значения полной сорбци-онной емкости (0,83 и 0,74 г/г, соответственно).

В последующем проводились эксперименты по определению нефтеемкости ЖСС в отношении исследуемых марок топлив в динамических условиях при температуре 20 0С. Для этого через слой СМ в колонке массой 5 г пропускалось 100 г того или иного НП. По истечении всей массы сорбата, после определенной выдержки, когда прекратится капле-падение, измеряют массу в приемнике и определяют сорбционную емкость в динамических условиях, отнесенную к единице массы СМ. Следует отметить, что в экспериментах использовались средняя и крупная фракции ЖСС, при использовании мелкой фракции наблюдались определенные трудности с истечением НП через слой реагента. Проведенными экспериментами определено, что нефтеемкость ЖСС, определенная в динамических условиях, составила по топливу ТС-1 1,81 и 2,07 г/г для крупной и мелкой фракции СМ, для бензина марки АИ-92 -1,75 и 1,98 г/г, соответственно.

Таким образом, проведенными исследованиями определено, что ЖСС возможно использовать в качестве СМ для извлечения легких моторных топлив при разливах на твердой поверхности.

Литература

1. В.В. Минаков, С.М. Кривенко, Т.О. Никитина, Экология и промышленность России, 5, 7-9 (2002).

2. Н.А. Собгайда, Л.Н. Ольшанская, Ю.А. Макарова, Экология и промышленность России, 1, 36-38 (2009).

3. Н.А. Собгайда, Ю.А. Макарова, Л.Н. Ольшанская, Химическое и нефтегазовое машиностроение, 3, 37-41 (2010).

4. Н.А. Собгайда, Л.Н. Ольшанская, Сорбенты для очистки вод от нефтепродуктов, СГТУ, Саратов, 2010. 108 с.

5. С.В. Степанова, И.Г. Шайхиев, Р.Х. Низамов, С.В. Фридланд, Безопасность жизнедеятельности, 4, 28-31 (2010).

6. И.Г. Шайхиев, Р.Х. Низамов, С.В. Степанова, Экспозиция. Нефть. Газ, 4, 11-14 (2010).

7. И.Г. Шайхиев, С.В. Степанова, С.М. Трушков, Экспозиция. Нефть. Газ, 5, 46-50 (2010).

8. И.Г. Шайхиев, С.В. Степанова, С.М.Трушков, И.Ш. Абдуллин, Вестник Казан. технол. ун-та, 13, 129-135 (2011).

9. И.Г. Шайхиев, З.Т. Фазуллина, И.Ш. Абдуллин, И.Г. Гафаров, Вестник Казан. технол. ун-та, 19, 42-49 (2011).

10. И.Г. Шайхиев, З.Т. Фасхутдинова, И.Ш. Абдуллин, С.В. Свергузова, Вестник БГТУ им. В.Г.Шухова, 1, 133-137 (2013).

© И. Г. Шайхиев - д.т.н., зав. каф. инженерной экологии КНИТУ, ildars@inbox.ru; С. В. Степанова - к.т.н., доц. той же кафедры; К. И. Шайхиева - студ. той же кафедры; А. И. Мавлетбаева - асп. той же кафедры.

© 1 G. Shaikhiev - PhD, Head. the Department of Environmental Engineering KNRTU, ildars@inbox.ru; S. V. Stepanova - Ph.D., Associate Professor of Environmental Engineering of the same university; K. 1 Shaikhieva - student Department of Environmental Engineering of the same university; A. 1 Mavletbaeva - graduate student of Environmental Engineering of the same university.