Сорбционные свойства шлама осветлителей при очистке сточных вод электростанций от нефтепродуктов

УДК 621.182.113:678

СОРБЦИОННЫЕ СВОЙСТВА ШЛАМА ОСВЕТЛИТЕЛЕЙ ПРИ ОЧИСТКЕ СТОЧНЫХ ВОД ЭЛЕКТРОСТАНЦИЙ ОТ НЕФТЕПРОДУКТОВ

Л.А. НИКОЛАЕВА, Е.Н. БОРОДАЙ, М.А. ГОЛУБЧИКОВ

Казанский государственный энергетический университет

Авторами предлагается использование шлама химводоочистки Казанской ТЭЦ-1 в качестве сорбента для очистки сточных вод тепловых электростанций от нефтепродуктов. Приведены результаты исследований основных сорбционных свойств шлама. Получена изотерма адсорбции.

Ключевые слова: шлам, сорбент, очистка, сточные воды, тепловые электростанции.

Стремительный рост производства и повышение требований к качеству воды требуют более эффективных и экологичных способов очистки природных и сточных вод предприятий энергетического комплекса. Особое место занимают воды, загрязненные нефтью и нефтепродуктами. Источником их появления в сточных водах тепловых электростанций (ТЭС) являются мазутные хозяйства, электротехническое оборудование, вспомогательные службы (гаражи). Нефтесодержащие воды представляют экологическую угрозу в силу значительного превышения предельно допустимых концентраций (ПДК) по сравнению с природной водой.

Известно много способов очистки сточных вод от нефтепродуктов, но наиболее эффективным, позволяющим удалить их до следовых количеств является метод сорбции. Существует много различных видов минеральных и органических сорбентов природного и искусственного происхождения, пригодных для очистки вод от нефтепродуктов, лучшим из которых признан гранулированный активированный уголь.

В настоящее время актуальной стала проблема поиска новых сорбентов. Вопрос применения дешевых минеральных сорбентов, а также различного рода отходов для очистки воды является актуальным из-за низкой рентабельности и одновременно высокой стоимости систем очистки сточных вод. При использовании новых сорбентов необходимо проанализировать такие показатели, как эффективность, стоимость, затраты на утилизацию и экологичность.

Авторами предлагается использовать шлам химводоочистки (ХВО) ТЭС в качестве нефтяного сорбента. В настоящее время шлам ХВО ТЭС (относящийся к 5 классу опасности, т.е. практически не опасный) утилизируется как отход. Складирование шламовых отходов производится на шламоотвалах, представляющих собой открытые площадки, не оборудованные средствами защиты окружающей среды от фильтрационных вод. Несмотря на то, что в данном шламе не содержатся высокотоксичные вещества, возникают серьезные проблемы, связанные с его складированием и последующим хранением. При этом происходит отчуждение больших площадей, создается угроза их засоления, минерализация подземных вод прилегающих территорий и ухудшение гидрохимического режима ближайших водоемов.

Шлам ХВО осветлителей ТЭС - это продукт известкования и коагуляции, природная сырая и устойчивая смесь определенного состава. Химический состав и

© Л.А. Николаева, Е.Н. Бородай, М.А. Голубчиков Проблемы энергетики, 2011, № 1-2

соотношение компонентов шлама зависят от химического состава сырой воды, подвергаемой обработке. В работе авторов в качестве нефтяного сорбента использовался высушенный шлам осветлителей Казанской ТЭЦ-1 с влажностью 3%. Химический состав шлама приведен в таблице. Зольность использованного шлама составляет 89%, органический углерод - 11 %, гуминовые кислоты - до 12 %.

Таблица

Химический состав шлама ХВО Казанской ТЭЦ-1

Концентрация веществ, мг/дм3 Концентрация веществ, мг-экв/ дм3

Са2+ М/+ Н/+ М2+ ^п2+ Мп2+ Сг3+ РЪ2+ Си2+

276 ± 36 1,39 ±0,5 36,5 ±7,3 <0,1 29 ± 11 15,4 ±5,5 480 ±163 27,3 ±8,7 27,3 ±8,7 3,2 ±1,0 16,3 ±4,6

При выборе сорбента одним из важнейших эксплуатационных показателей является его сорбционная способность, которая определяется максимальным количеством нефтепродукта, поглощенным единицей массы сорбента. Для оценки сорбционных свойств шлама проведены эксперименты по определению содержания нефтепродуктов в воде с использованием весового, объемного метода и метода ИК-спектрометрии.

При оценке эффективности шлама как сорбента нефтепродуктов экспериментально были определены его нефтеемкость, влагоемкость и плавучесть. Нефтеемкость шлама определялась по отношению к ряду нефтепродуктов, наиболее распространенных в сточных водах ТЭС: турбинному маслу, дизельному топливу, бензину, мазуту. Результаты исследований зависимости нефтеемкости шлама от времени показаны на рис. 1.

асорСи г/г 2 т-

Рис. 1. Сорбционная емкость шлама для нефтепродуктов

Шлам обладает средней гидрофобностью к различному уровню поглощения нефти при одинаковых условиях. При этом гидрофобные сорбенты являются, как правило, олеофильными, то есть легко смачиваются нефтью и нефтепродуктами. Шлам является среднесмачиваемым сорбентом.

Результаты исследования кинетики процесса адсорбции весовым методом в условиях погружения образца шлама в чистые образцы нефтепродуктов показывают, что сорбционная способность шлама реализуется в течение первых минут контакта со сточной водой. Через 25 минут она достигает 0,5-0,7 г/г по

турбинному маслу, дизельному топливу и бензину и 1,5 г/г по мазуту, что составляет 56-78% и 150% соответственно, и далее не увеличивается. Это свидетельствует о наступлении сорбционного равновесия.

Проведено определение сорбционной емкости не только по отношению к вышеуказанным нефтепродуктам, но и к сырой нефти Шейского месторождения.

Результаты исследования сорбционной емкости образца шлама (массой 2 г) по отношению к нефти весовым методом представлены на рис. 2.

Эсорб? г/г 7 -|-

1

0 Н-1-1-1-

О 50 100 150 200 t, мин

Рис. 2. Сорбционная емкость шлама для нефтесодержащей воды

Результаты исследования кинетики процесса адсорбции в условиях погружения образца шлама в нефтесодержащую сточную воду показывают, что сорбционная способность шлама реализуется в течение первого часа контакта со сточной водой, когда наибольшее влияние на скорость сорбции оказывает интенсивность внешнего массопереноса, и достигает максимальной величины 5,7 г/г.

Определение содержания нефти и нефтепродуктов в воде до и после контакта с сорбентом объемным методом производится визуально. Результаты представлены графически на рис. 3.

^шлама?мм "'шлама- г

Рис. 3. Зависимость эффективности очистки от высоты загрузки и от массы загрузки

Определение массовой концентрации нефтепродуктов ИК-спектрометрическим методом проведено в соответствии с ГОСТ Р 51797-2001 на приборе АН-1. Результаты определения содержания нефти в сточной воде, в зависимости от высоты загрузки и массы сорбента, показаны на рис. 4.

По результатам, представленным на рис. 4 и 5, можно сделать вывод, что эффективность очистки сточных вод ТЭС от нефтепродуктов прямо

пропорциональна высоте и массе загрузки. Дальнейшее увеличение количества шлама не приводит к повышению эффективности очистки, так как при большей высоте загрузки происходит слипание верхних слоев шлама и в очистке участвует не вся поверхность фильтрующего материала.

''шлама» мм ¿"шлама!1

Рис. 4. Зависимость эффективности очистки от высоты загрузки и от массы загрузки

# 8

О 3 6 9 12 15 18 21 24 27 30 33 36 39 42 45 48

Время, мин

Рис. 5. Хроматограмма образца шлама

Сорбционная способность шлама осветлителей ТЭС объясняется химическим составом шлама. Анализ шлама методом газовой хроматомасс-спектроскопии с электронной ионизацией на масс-спектрометре DFS производства «Thermo Fisher Scl.Co» выявил типовой набор функциональных групп гуминовых веществ -OH, -NH, -CH3, -CH2, ароматических C=C - связей, С-О - карбоксильных групп и ОН - спиртовых групп на поверхности шлама (рис. 5).

Полученные данные по сорбционной емкости были использованы для построения изотермы адсорбции (рис. 6).

аПОО 0,50 0,45 0,40 0,35 0,30 0,25 0,20

20 40 60 80 100 120 140 160

т, г

Рис. 6. Изотерма адсорбции

Полученная изотерма сорбции соответствует изотерме Ленгмюра (L-типа), для которой справедлив закон Генри [1]. Сорбционная емкость шлама пропорциональна конечной концентрации нефтепродуктов. Выпуклая форма изотермы подтверждает эффективную адсорбцию шламом нефтепродуктов из водных растворов.

В дальнейшем полученные данные изотермы адсорбции позволят определить оптимальные параметры и условия промышленных установок очистки сточных вод объектов теплоэнергетики.

Summary

Authors offered water treatment sludge of the Kazan thermal power station-1 as a sorbent for sewage treatment of termal power stations from oil products. Results of researches of the basic sorbent properties of sludge are presented. The adsorption isotherin is received.

Key words: sludge, sorbent, purification, waste water, thermal power station (TPS).

Литература

1. Каменщиков Ф.А., Богомольный Е.И. Нефтяные сорбенты. Москва-Ижевск: НИЦ «Регулярная и хаотическая динамика», 2005.

Поступила в редакцию 2 7 мая 2010 года

Николаева Лариса Андреевна - канд. хим. наук, доцент кафедры «Технология воды и топлива» (ТВТ) Казанского государственного энергетического университета (КГЭУ). Тел: 8 (843) 556-54-93.

Бородай Екатерина Николаевна - аспирант кафедры «Технология воды и топлива» (ТВТ) Казанского государственного энергетического университета (КГЭУ). Тел: 8-905-3121617. E-mail: boroday_katya@yahoo.com.

Голубчиков Максим Алексеевич - студент кафедры «Технология воды и топлива» (ТВТ) Казанского государственного энергетического университета (КГЭУ). Тел:8 (855) 259-56-78.