CC BY
11
УДК «.»7 В. В. МЕРКУЛОВ
РО!: 10.25206/1813-8225-2021-177-54-58
ю. В. КАЛИНИН Л. О. ШТРИПЛИНГ
Омский государственный технический университет, г. Омск
ИЗМЕНЕНИЕ ТЕХНОЛОГИИ И ОБОРУДОВАНИЯ ДЛЯ УПРОЩЕНИЯ РЕАЛИЗАЦИИ ОБЕЗВРЕЖИВАНИЯ НЕФТЕЗАГРЯЗНЕННОГО ГРУНТА МЕТОДОМ РЕАГЕНТНОГО КАПСУЛИРОВАНИЯ
В ЗИМНИХ УСЛОВИЯХ_
В статье рассмотрены некоторые особенности реализации метода реагент-ного капсулирования в зимних условиях. Метод реагентного капсулирования применяется для оперативного устранения последствий аварийных ситуаций, сопровождающихся разливами нефтепродуктов. При подготовке очередной порции нефтезагрязненного грунта в смеси со снегом образуется достаточное количество воды, которая может быть использована в технологическом процессе, в связи с этим предлагается внести изменение в конструкцию установки. Поскольку наличие воды в загрязненном грунте препятствует процессу смешивания с известью, то предлагается изменить традиционную технологию реагентного капсулирования. В ходе эксперимента определена возможность реализации процесса капсулирования по измененной технологии. Предложено использовать энергию химической реакции для получения воды. Ключевые слова: установка для обезвреживания, реагентное капсулирование, гашение извести, нефтезагрязненный грунт, нефтешлам, обезвреживание, метод преодоления загрязнений, аварийные разливы.
Введение. В настоящее время разработаны вреживания нефтезагрязненных грунтов методом
и применяются различные технологии по преодоле- реагентного капсулирования с применением раз-
нию последствий загрязнения территорий при ава- личных реагентов [13—15]. Для обеспечения тех-
рийном разливе нефтепродуктов. нологического процесса, на всех ее этапах, разра-
Большинство разработанных методов основано ботан ряд установок [7, 16]. Установки позволяют
на применении экстрагентов (специальных раство- проводить обезвреживание нефтезагрязненного
рителей) или на промывке почвы водными раство- грунта как при положительных, так и при отрица-
рами с добавлением поверхностно-активных ве- тельных температурах воздуха.
ществ [1—6]. По традиционной технологи подразумевается,
Параллельно ведутся исследования, в области что нефтезагрязненный грунт содержит минималь-
обезвреживания нефтешламов, с применением ное количество воды и при смешивании с оксидом
биосорбентов [7 — 9]. кальция преждевременная реакция капсулирования
Все эти методы эффективны при положитель- не возникает. ных температурах окружающей среды и, в боль- Однако при отрицательных температурах мы
шинстве своем, растянуты во времени. Существуют сталкиваемся с рядом проблем, а именно: методы обезвреживания при отрицательных тем- — вода, необходимая для процесса капсулиро-
пературах, такие как сжигание [10] и применение вания, замерзает и требует предварительной под-
биоминеральной композиции [11]. готовки;
Одним из методов оперативного преодоления — в результате оттаивания нефтезагрязненного
загрязнений является технология реагентного кап- грунта образуется большое количество воды. сулирования, которая позволяет быстро и эффек- В результате для обслуживания установки тре-
тивно перевести образовавшиеся нефтешламы, от- буется дополнительное оборудование для поддер-
носящихся к 3-му классу опасности, в отход 4-го жания положительной температуры воды, а также
класса с возможностью его дальнейшей утилиза- необходимо проводить оценку объема образовав-
ции [12]. Параллельно ведутся исследования обез- шейся воды.
Постановка задачи. Исходя из вышесказанного, можно выделить следующие задачи:
1) определение возможности использования энергии химической реакции для растапливания снега с целью дальнейшего использования в качестве воды для процесса реагентного капсулирова-ния;
2) изменение традиционной технологии реа-гентного капсулирования, когда вода в установку поступает вместе с нефтезагрязненным грунтом, до процесса смешивания с оксидом кальция;
3) повышение эффективности использования энергии химической реакции путем изменения конструкции установки.
Теория. В работе [12] представлена технология реагентного капсулирования, которая в упрощенном виде может быть описана при помощи двух химических уравнений:
Н20 + СаО ^ Са(ОН)2 + О
Са(0Н)2 + СО2
СаСО^
+ Н20 + о
(1) (2)
Технология реализуется в три этапа.
На первом этапе происходит механическое перемешивание нефтезагрязненной почвы с оксидом кальция до образования однородной массы. На втором этапе реализуется уравнение (1), при котором в смесь добавляется вода и при дальнейшем перемешивании происходит реакция гашения оксида кальция с образованием капсулированного материала. Третий этап состоит в насыщении оболочки капсул углекислым газом. Обеспечивается это путем принудительной подачи СО2 в перемешиваемую смесь [16]. Внешний вид компонентов можно видеть на рис. 1.
Для реализации данного процесса необходима вода, но при отрицательных температурах она замерзает. Предлагается использовать в качестве источника воды снег. Снег загружается вместе с загрязненным грунтом в бункер. Оттаивание снега и нефтезагрязненного грунта будет происходить благодаря образующейся в процессе реакций (уравнения (1—2)) тепловой энергии О1 и О2.
Закон Гесса (3) позволяет провести оценку количества энергии, выделяемой в результате реакции (1-2).
АИ=АИ - АН ,
(3)
где АН — энтальпия реакции; АИкон — сумма энтальпий образования продуктов реакции; АИисх — сумма энтальпий образования исходных веществ.
Для определения количества энергии, выделяемой в результате экзотермической реакции, потребуются стандартные теплоты (энтальпии) образования (АНд) веществ, участвующих в химической реакции (табл. 1).
В результате получаем следующее выражения (4):
АНН0 = АН
(Са(ОО)., 1
-(АнЯ
(СаО) К АН(Н,0)
(4)
Рис. 1. Традиционная технология реагентного капсулирования
Энтальпии образования веществ, участвующих в химической реакции
Таблица 1
Вещество
СаО
Са(ОН),
СО,
СаСО„
Энтальпии образования АН0, кДж/моль
-635,1
-285,8
-985,0
-393,5
-1206,1
тивногА оксида кальция, определим количество теплоты, выделяемой при гашении 1 кг строительной известА:
о(СаО) = у Ш(Са0> = 0,7
М(СаО)
1000
56
= 12,5 моль,
АН0 = -985,0 - (-635,1 - 285,8) =
где п(СаО) — количество м=ль оксида к=лъция; ш(СаО) — масса оксида кальция, равная 1 кг; М(СаО) — моОфнао м=сс4 окзида ка4ьция, равная 56 г/моль.
О(СаО) = п(СаО) х АН0 =
= 12,5 х 64,1 = 801,25 кДж.
В результате гашения 1 кг извести 3-го сорта происходит выделение 801,25 кДж.
Аналогично проводим расчет выделяемой тепловой энергии для реакции (2). Получаем, что в результате взаимодействия гидроксида кальция с углекислым газом происходит выделение 1531 кДж.
Таким образом, в результате процесса реагент-ного капсулирования ( кг нсфтез=гряздддного грут-на выделяется энергия, равкат
С 0)п =з 0(СаО) к 0(Са(ОН)о) =
= сдзок -к 1534 = 2330,0( кДж.
= -64,1 кДж/моль.
Данная теплота о°разокания реакции (1) рассчитана для 1 моля оксида кальция. В связи с тем, что строителсн—я изоестк 3-го сорта 34>держ4т 70 % ак-
Далее надк определить количество энергии, не-об ходг мое для оттаивания 1 кг снега (льда). Снег (лед) переходит в жидкое состояние при температуре 0°, для этого потребуется следующее количество энергии:
—*
НО
Рис. 2. Схема установки для работы при условии низких температур
О = с х т х — ),
тп V 1 2''
где с — удельная теплоемкость (для льда с = = 2110 кДж/кг°С); т — масса материала (кг); t1 — температура плавления (для снега (льда) ^ = 0°С);
^ — температура окружающей среды (принимаем ^=-25°С).
Отп = 2110 х 1 х (0 + 25) = = 52 750 Дж = 52,75 кДж.
После достижения 0°С необходимо расплавить снег (лед), для этого потребуется следующее количество энергии:
О = А х т,
^ пл '
где А — удельная теплота плавления (для снега (льда) А = 340 кДж/ к г).
= 340 х 1 = 340 кДж.
В итоге, для оттаивания 1 кг снега (льда) необходимо следующее количество энерзии:
X Дн н Д=п + Д. н 84.4 + 344 н 424.4 кДж.
Сопоставляя результаты расчетов, можно сказать, что энергии, выделяющейся в результате процесса капсулирования, достаточно для оттаивания снега и нефтезагрязненного грунта, находящегося в подготовительном бункере.
Однако при размораживании нефтезагрязненного грунта, смешанного со льдом и снегом, возникает следующая проблема: в результате размораживания образуется количество воды, которое невозможно определить. Образовавшаяся вода на следующем этапе будет препятствовать гомогенизации смеси, так как она начнет реагировать с добавляемой известью. В результате эффективность процесса капсу-лирования снизится, что, в свою очередь, скажется на таких моментах, как количество образовавшейся теплоты и качество полученного капсулированно-го материала. Для решения данной проблемы была рассмотрена возможность изменения технологии и конструкции установки.
Рис. 3. Макет установки
Для сбора образовавшейся при оттаивании воды предлагается добавить в имеющуюся конструкцию емкости для сбора этой воды (рис. 2).
Емкости располагаются по бокам установки ниже уровня загрузочного люка, что позволяет талой воде самотеком стекать в емкости. Между бункером и емкостью располагаются решетки, удерживающие нефтезагрязненный грунт, но пропускающие воду. Скопившуюся воду при необходимости можно добавить в смеситель (для соблюдения пропорций) путем открывания клапанов. В емкости вмонтированы поплавочные уровнемеры, что позволяет регулировать объем воды, добавленной в смеситель.
В связи с наличием в нефтезагрязненном грунте воды, образовавшейся в процессе оттаивания, предлагается изменить последовательности смешивания компонентов, а именно:
— на первом этапе растаявший нефтезагряз-ненный грунт, содержащий в своем составе воду, перемешивается до однородного состояния в виде пасты, при необходимости добавляется вода (для сохранения пропорций компонентов);
— на втором этапе в рабочую зону при постоянном перемешивании подается оксид кальция.
После завершения процесса реакция гашения оксида кальция, так же как и в предыдущем случае,
Рис. 4. Технология реагентного капсулирования (измененная)
в рабочую зону подается разово или отдельными порциями углекислый газ.
Результаты экспериментов. С целью проверки устойчивости процесса по измененной технологии был проведен эксперимент. Для проведения эксперимента использовалась установка-смеситель (рис. 3) [16].
Установка позволяет не только непрерывно перемешивать компоненты, но и проводить замеры температуры смеси. Измерение температуры дает возможность сравнить измененную технологию с традиционной с точки зрения образования тепловой энергии, необходимой для оттаивания следующей порции.
Процесс образования капсулированного материала по измененной технологии, а также результаты эксперимента на каждом этапе приведены на рис. 4.
Обсуждение экспериментов. Тепловой энергии, выделяющейся в результате химической реакции (1) и (2), достаточно для оттаивания как нефтеза-грязненного грунта, так и для оттаивания снега. Образовавшейся в результате оттаивания снега воды достаточно для проведения процесса реагентного капсулирования. В результате подвоз и дальнейшая подготовка воды не потребуется.
Проведенный эксперимент показал, что процесс капсулирования по измененной технологии реализуется устойчиво с поддержанием необходимой средней температуры в смесителе.
Изменение технологии также решает проблему обволакивания извести нефтепродуктами. Такое явление наблюдалось при смешивании нефтезагряз-ненного грунта с известью, что при дальнейшем добавлении воды препятствовало их взаимодействию.
Выводы.
1. С целью расширения возможностей применения метода реагентного капсулирования для оперативного преодоления последствий загрязнения территории нефтепродуктами в зимних условиях предложено использовать энергию химических реакций для получения воды, требуемой для процесса, из снега (льда).
2. Обеспечение процесса таяния снега требует внесения изменений в традиционную технологию реагентного капсулирования и новых конструкторских решений установок.
3. В работе теоретически показана и экспериментально подтверждена возможность подогрева воды и нефтезагрязненного грунта для поддержания процесса капсулирования за счет использования энергии химических реакций процесса в зимних условиях.
Заключение. Изменение технологии реагентно-го капсулирования и, в результате, конструкции установки решает ряд проблем при проведении
обезвреживания нефтезагрязненного грунта в зимних условиях. Пригодность данного метода для оперативной ликвидации аварийного разлива нефтепродуктов обусловливается простотой проведения и мобильностью установки. Благодаря внесенным изменениям исчезает необходимость в доставке и подготовке воды.
В качестве основного источника воды выступает снег, который вместе с нефтезагрязненным грунтом оттаивает в подготовительном бункере благодаря выделяющейся тепловой энергии химической реакции.
Полученные в результате эксперимента результаты показали, что изменение технологии позволяет контролировать процесс капсулирования и делает его стабильным и эффективным.
Библиографический список
1. Manzetti S. Remediation Technologies for Oil-Drilling Activities in the Arctic: Oil-Spill Containment and Remediation in Open Water // Environmental Technology Reviews. 2014. Vol. 3, Issue 1. Р. 49-60. DOI: 10.1080/21622515.2014.966156.
2. Штриплинг Л. О., Токарев В. В., Гержберг Ю. М. [и др.]. Переработка и утилизация нефтешламов и нефтезагрязнен-ных материалов, образующихся в местах добычи, транспортировки и переработки углеводородного сырья: моногр. Новосибирск: Изд-во СО РАН, 2013. 176 с. ISBN 978-5-7692-1301-4.
3. Пат. 2330734 Российская Федерация, МПК B 09 C 1/00, C 02 F 11/00. Установка для переработки нефтезагрязненных почв, грунтов и нефтешламов / Амирова Л. М., Култашев А. Б., Новширванов Л. Г. [и др.]. № 2007102110/15; заявл. 19.01.2007; опубл. 10.08.2008, Бюл. № 22.
4. Пат. 2414312 Российская Федерация, МПК B 09 C 1/00. Устройство для очистки нефтезагрязненного грунта от нефти и нефтепродуктов / Протопопов И. М. № 2008123060/07; заявл. 09.06.2008; опубл. 20.03.2011, Бюл. № 8.
5. Пат. 2381995 Российская Федерация, МПК C 02 F 1/40, B 09 C 1/02. Способ очистки грунтов и почв от нефти и нефтепродуктов и установка для его осуществления / Ефимчен-ко С. И., Агеев А. В., Пыльнов А. С. № 2008133690/15; заявл. 18.08.2008; опубл. 20.02.2010, Бюл. № 5.
6. Пат. 2440200 Российская Федерация, МПК B 09 C 1/02. Способ очистки загрязненного нефтью и нефтепродуктами грунта / Кузнецов О. Ю., Кручинина Н. Е., Тихонова И. О. [и др.]. № 2010123685/13; заявл. 10.06.2010; опубл. 20.01.2012, Бюл. № 2.
7. Гасанов Р. К., Абдуллаев Ф. З., Гасанов К. С. [и др.]. К разработке технологии очистки нефтезагрязненной почвы // Фундаментальные и прикладные исследования в области химии и экологии-2018: материалы Междунар. науч.-практ. конф., 24-26 сент. 2018 г. Курск: Изд-во ЮЗГУ, 2018. С. 144146. ISBN 978-5-907049-62-8.
8. Белик Е. С., Рудакова Л. В., Глушанкова И. С. [и др.]. Исследование процессов биоремедиации и детоксикации буровых шламов, нефтезагрязненных почвогрунтов с использованием бактериального препарата «Рекойл» // Нефтяное хозяйство. 2017. № 2. С. 108-111.
9. Башкин В. Н., Лужков В. А., Трубицина О. П. Разработка биосорбента для ликвидации последствий углеводородных загрязнений на объектах нефтегазового комплекса // Проблемы анализа риска. 2021. Т. 18, № 1. С. 40-51. DOI: 10.32686/1812-5220-2021-18-1-40-51.
10. Нифонтов Ю. А., Тимофеев П. А. Установка для сжигания нефтесодержащих отходов арктических регионов // Технико-технологические проблемы сервиса. 2019. № 1 (47). С. 28-32.
11. Александров А. Р., Ерофеевская Л. А. Применение биоминеральной композиции для очистки загрязненных нефтью мерзлотных почв // Геология и минерально-сырьевые
ресурсы Северо-Востока России: материалы VII Всерос. науч.-практ. конф., 5-7 апр., 2017 г. Якутск, 2017. С. 281-285. ISBN 978-5-7513-2356-1.
12. Shtripling L. O., Kholkin E. G., Larionov K. S. The technology refinement of soil decontamination con-taminated with petroleum products by the reagent capsulation method // Procedia Engineering. 2016. Vol. 152. Р. 13-17. DOI: 10.1016/j. proeng.2016.07.609.
13. Пашаян А. А., Аминов Д. О., Плотников А. С. [и др.]. Новая технология рекультивации нефтезагрязненных почв методом реагентного капсулирования // Строительство нефтяных и газовых скважин на суше и на море. 2019. № 7. С. 59-63. DOI: 10.30713/0130-3872-2019-7-59-63.
14. Аминов Д. О., Клавсуть А. Г. Способ реагентного кап-сулирования нефти в почвах с последующей их рекультивацией // Современные тенденции молодежной науки: сб. науч. тр. Брянск: Изд-во БГИТА, 2020. С. 100-102. ISBN 978-5-98573272-6.
15. Пашаян А. А., Аминов Д. О. Снижение токсичности нефтешламов методом реагентного капсулирования // Защита окружающей среды в нефтегазовом комплексе. 2020. № 3 (294). С. 46-50. DOI: 10.33285/2411-7013-2020-3(294)-46-50.
16. Штриплинг Л. О., Холкин Е. Г., Меркулов В. В. Повышение эффективности установки по обезвреживанию нефте-загрязненной почвы в условиях низких температур // Омский научный вестник. 2020. № 4 (172). С. 5-8. DOI: 10.25206/18138225-2020-172-5-8.
МЕРКУЛОВ Василий Васильевич, старший преподаватель кафедры «Промышленная экология и безопасность». БРТЫ-код: 5478-3524
AuthorID (РИНЦ): 834906 ORCID: 0000-0001-9062-1297 ResearcherID: O-7758-2016 Адрес для переписки: mvv055@mail.ru КАЛИНИН Юрий Владимирович, кандидат технических наук, доцент кафедры «Промышленная экология и безопасность». SPIN-код: 7828-3231 ORCID: 0000-0002-7773-0058 AuthorID (РИНЦ): 206450
Адрес для переписки: ukalinin.conference@gmail. com
ШТРИПЛИНГ Лев Оттович, доктор технических
наук, профессор (Россия), заведующий кафедрой
«Промышленная экология и безопасность».
SPIN-код: 9285-8565
AuthorID (РИНЦ): 157285
ORCID: 0000-0002-2622-9108
AuthorID (SCOPUS): 56504001800
ResearcherID: T-8953-2018
Адрес для переписки: losht59@mail.ru
Для цитирования
Меркулов В. В., Калинин Ю. В., Штриплинг Л. О. Изменение технологии и оборудования для упрощения реализации обезвреживания нефтезагрязненного грунта методом реагент-ного капсулирования в зимних условиях // Омский научный вестник. 2021. № 3 (177). С. 54-58. DOI: 10.25206/1813-82252021-177-54-58.
Статья поступила в редакцию 08.04.2021 г. © В. В. Меркулов, Ю. В. Калинин, Л. О. Штриплинг
