Очистка нефтесодержащих сточных вод магнитосорбентами на основе ферритизированного гальваношлама

УДК 628.544

И. В. Долбня, Е. А. Татаринцева, И. Г. Шайхиев, К. В. Козьмич, М. В. Комиссаренко

ОЧИСТКА НЕФТЕСОДЕРЖАЩИХ СТОЧНЫХ ВОД МАГНИТОСОРБЕНТАМИ

НА ОСНОВЕ ФЕРРИТИЗИРОВАННОГО ГАЛЬВАНОШЛАМА

Ключевые слова: сорбция, гальваношлам, очистка сточных вод, нефтепродукты, плавучесть сорбентов, магнитные

свойства сорбентов.

Рассмотрен композиционный сорбент на основе ферритизированного гальваношлама с полимерным связующим. Предложен способ получения магнитсорбентов, изучены их физико-механические, магнитные и сорбционные свойства по отношению к нефтепродуктам.

Keywords: sorption, electroplating sludge, purification of wastewater, petroleum products, flotation of sorbents, magnetic properties

of the sorbents.

A composition sorbent on a basis of ferrite electroplating sludge with a polymeric binder was considered. A method of obtaining the magnetic sorbents was suggested. Their physical and mechanical, magnetic as well as sorption properties related to petroleum products were studied.

Введение

Часто в процессе производства, транспортирования и хранении нефти и нефтепродуктов (ННП) происходят аварийные ситуации. Аварийные разливы ННП являются одним из опасных источников загрязнения окружающей природной среды. Известные способы ликвидации последствий аварийных разливов не обеспечивают необходимую степень очистки водной поверхности от нефтяных загрязнений. Использование гидрофобных магнитных сорбентов позволяет решить эту задачу.

Экспериментальная часть

В качестве объектов исследования были выбраны:

- гальванический шлам (ГШ) - промышленный отход Ш-го класса опасности гальванического цеха предприятия ОАО «РОБЕРТ БОШ САРАТОВ»;

- железо (II) сернокислое FeSO4•7H2O, 1012%-й раствор;

- гидроокись натрия NaOH, 20-25 %-й раствор;

- ферритизированный гальваношлам (ФГШ);

- парафин.

Исследования проводились с применением современных методов. Измерение концентрации нефтепродуктов проведено методом ИК-спектрофотометрии с применением

концентратомера серии «КН-3», показатели водопоглощения, плавучести определяли по методикам согласно ТУ 214-10942238-03-95.

Ферритизация - сложный химический процесс, протекающий в две стадии, которые можно представить в виде следующих химических реакций:

(з-п^е2+ + пМе2+ + 60Н- ^ Ме^ез-п(ОН)б Ме^е3-п(ОН)6 + 02 ^ Ме^е3-п04 + 2Н20 + 20Н-

На первом этапе при взаимодействии суспензии ГШ с ионами Fe в щелочной среде образуются смешанные гидроксиды тяжелых металлов. При дальнейшем окислении реакционной среды кислородом воздуха, данное соединение переходит

в качественно иное, что представляет собой ферриты [1].

В составе исходного шлама определялось количество тяжелых металлов посредством элементного анализа. Результаты исследования показали, что в наибольшем процентном соотношении содержатся ионы N ~ 65 % и Fe ~ 30 %, так же в шламе присутствуют в незначительном количестве: Сг, Мп, Си, Zn, Si, Р, S, С1. Ферритизированный гальваношлам представляет собой мелкодисперсный осадок темного цвета с хорошо выраженными магнитными свойствами (рис. 1) [2].

*

ЩШт'-

Рис. 1 - Ферритизированный гальванический шлам

Основными требованиями, предъявляемыми к нефтесорбентам, являются гидрофобность, плавучесть, нефтеемкость, технологичность ввода в водную систему и удаления из нее [3].

Композиционный сорбционный материал (КСМ), получали механическим перемешиванием ФГШ со связующим - парафином, с последующим фракционированием, охлаждением и сушкой. Полученные сорбенты представляют собой гранулы с размером 1-3 мм, которые обладают магнитными свойствами, остаточная индукция (Вг) - 0,15 Тл.

Проведенные исследования показали, что использование связующего, а также

технологических факторов (высокая температура, химический состав) не оказывают влияние на миграцию тяжелых металлов из ФГШ, количественные значения которых находятся в

пределах ПДК вод хозяйственно-питьевого назначения. В связи с тем, что N и Fe содержатся в большем количестве, чем остальные компоненты шлама, они были выбраны в качестве индикаторов. Результаты анализа промывной воды, полученной при следующих условиях тс = 1 г, V(H2O) = 100 мл, т = 1 ч, представлены в табл. 1.

Таблица 1 - Концентрация ИТМ в промывной воде

Ион металл С, мг/дм3 ПДК , мг/дм3

№ 0,04 0,1

Feобщ. 0,1 0,3

* - значения ПДК для вод хозяйственно-питьевого назначения

Парафины представляют собой смесь предельных углеводородов, как правило, с неразветвленной углеродной цепочкой (от С18Н38 до С35Н72). В парафинах также могут содержаться в небольшом количестве разветвленные алканы, арены или нафтены. Это твердое, жирное на ощупь вещество, полупрозрачное, кристаллического строения с молекулярной массой 300-450. Плавится при температуре 45-65°С, в расплавленном состоянии обладает малой вязкостью. Парафины инертны к большинству химических реагентов, не растворимы в воде.

Благодаря свойствам парафина, полученный материал приобретает гидрофобность и олеофильность. Гидрофобность является одним из определяющих факторов, влияющих на эффективность сорбционного процесса, оценивается такими показателями, как смачиваемость и водопоглощение. Чем больше гидрофобность сорбента, тем меньше содержание воды в сорбируемой нефти и нефтепродукте (НП). Смачивание изучали методом измерения краевых углов сидящей капли на поверхности уплотненного слоя материала, до и после гидрофобизации (рис. 2). Для ФГШ до гидрофобизации наблюдается полная смачиваемость водой.

Рис. 2 — Капля воды на поверхности слоя сорбента КСМ, х10

При смачивании водой КСМ образуется сидящая капля воды на поверхности, краевой угол смачивания равен 1400, водопоглощение составляет 0,2 г/г, а нефть и масло мгновенно растекаются и впитываются поверхностью материала (рис. 3).

КСМ обладает высокой плавучестью (100 %) в интервале времени 24-96 ч после сорбции ННП, что позволяет создать резерв времени для сбора сорбента с поверхности воды.

Рис. 3 - Смачиваемость сорбента КСМ индустриальным маслом И-20А и нефтью

Известно [4], что эффективность очистки воды зависит от начальной концентрации и вида НП, массы сорбента, температуры среды.

Сорбционные свойства КСМ оценивались в статических условиях из водной среды по отношению к индустриальному маслу марки И-20А, нефти Илишевского месторождения, керосину при следующих условиях: V = 200 об/мин, тс = 1 г, тсорбции = 1 ч, t = 20 0С. Эффективность очистки КСМ по НП представлена в таблице 2.

Таблица 2 - Эффективность очистки

Вещество с мг/дм3 с мг/дм3 Э, %

Индустриальное масло И-20 А 112,5 1,12 99,0

Нефть 73,8 8,1 89,0

Керосин 107,4 10,7 90,0

Наибольший интерес для магнитных сорбентов представляют исследования сорбции НП с поверхности воды. Известно, что поглощение НП сорбентом является сложным физико-химическим процессом и включает в себя такие явления, как собственно адсорбция, адгезия, капиллярные явления, заполнение межзерновых пространств [5].

Исследования показали, что поглощение НП с пленки наиболее интенсивно протекает в первые 10 мин. процесса, лучшее значение сорбционной емкости КСМ имеет для масла И-20А (рис. 4), что связано с его высокой вязкостью по сравнению с другими, сорбционное равновесие достигается за 15 минут.

Установлено, что поглотительная способность КСМ растет с увеличением толщины пленки НП и достигает максимальной величины при 3 мм. Из графиков на рис. 5 видно, что наибольшее значение сорбционной емкости исследуемый сорбционный материал имеет по маслу И-20А. При большей толщине нефтяной пленки происходит эффективное внедрение нефтяного поллютанта в зону порозности гранулированных сорбентов.

Заключение

Разработан новый композиционный сорбционный материал на основе ФГШ с магнитными свойствами, изучены его физико-химические свойства. Установлено, что КСМ можно применять для сбора НП с поверхности воды.

Работа выполнена при финансовой поддержке Министерства образования и науки РФ в рамках проектной части госзадания в сфере научной деятельности по проекту № 11411250078.

Рис. 4 - Зависимость сорбционной емкости от времени контакта

Рис. 5 - Зависимость сорбционной емкости от толщины пленки НП

Преимущества применения магнитных нефтесорбентов заключаются не только в их сорбционной емкости, плавучести и гидрофобности, но и в простоте нанесения на поверхность воды и удаления с нее с помощью магнитной сепарации [6-10].

Литература

1. В.В. Семенов, Дисс. канд. техн. наук, Ульяновский гос. техн. ун-т, Ульяновск, 2004. 130 с.

2. Л.А. Петрухно, Автореф. дисс. канд. техн. наук, Ивановский гос. хим.-технол. ун-т, Иваново. 2000. 17 с.

3. Флорес Ариас Мария Мелисса, Дисс. канд. техн. наук, Белгородский гос. техн. ун-т, Белгород. 2012. 141 с.

4. Н.А. Собгайда, Л.Н. Ольшанская, Сорбенты для очистки вод от нефтепродуктов, Сарат. гос. техн. ун-т, Саратов, 2010. 108 с.

5. А.А.-да Консесайо, Н.А. Самойлов, Р.Н. Хлесткин, Башкирский химический журнал, 13, 4, 76-79 (2006).

6. Ю.К. Рубанов, Ю.Е. Токач, А.С. Иванов, И.И. Аркатова, Фундаментальные исследования, 11-8, 16921697 (2014).

7. Ю.К. Рубанов, Ю.Е. Токач, Вестник технологического университета, 18, 6, 246-249 (2015).

8. Ю.К. Рубанов, Ю.Е. Токач, Вестник технологического университета, 18, 7, 268-270 (2015).

9. Ю.К. Рубанов, И.В. Старостина, Е.В. Блайдо, М.М. Флорес Ариас, Вестник Волгоградского государственного архитектурно-строительного университета. Серия: Строительство и архитектура, 17, 132-134 (2010).

10. Ю.К. Рубанов, И.В. Старостина, М.М. Флорес Ариас, Е.В. Блайдо, Вестник Белгородского государственного технологического университета им. В.Г. Шухова, 4, 126-127 (2009).

© И. В. Долбня - аспирант кафедры «Экология и дизайн» Энгельского технологического института (филиал) Саратовского государственного технического университета имени Гагарина Ю.А., e-mail: inna0308@yandex.ru; Е. А. Татаринцева - к.т.н., доцент кафедры «Экология и дизайн» того же ВУЗа, e-mail: tatarinceva-elen@mail.ru; К. В. Козьмич - студентка 4 курса кафедры. Экология и дизайн, того же ВУЗа, e-mail: kozmichk@mail.ru; М. В. Комиссаренко - студентка 3 курса кафедры «Экология и дизайн» того же ВУЗа, e-mail: komissarenko97@mail.ru; И. Г. Шайхиев - д.т.н., зав. кафедрой Инженерной экологии КНИТУ, тел. (843) 231-40-97; E-mail: ildars@inbox.ru.

© 1 V. Dolbnya - graduate student "Ecology and Design" Engels Technological Institute (branch) of Saratov State Technical University named after Yuri Gagarin, e-mail: inna0308@yandex.ru; E. A. Tatarintseva - Ph.D., Associate Professor of "Ecology and Design" of the same University, e-mail: tatarinceva-elen@mail.ru; K. V. Kozmich - 4th year student of the department. Ecology and design, of the same university, e-mail: kozmichk@mail.ru; M. V. Komissarenko - 3rd year student of the department "Ecology and Design" of the same University, e-mail: komissarenko97@mail.ru; 1 G. Shaikhiev - Dr.sc.techn, head of engineering еcology cathedra of Kazan National Research Technological University, Tel. (843) 231-40-97; E-mail: ildars@inbox.ru.