CC BY
0УДК 54 Бескузов Н.Б., Орынбасар Р.О.
Бескузов Н.Б.
магистрант 2 курса, специальность «Химическая технология органических веществ» Актюбинский региональный университет им. К. Жубанова
(г. Актобе, Казахстан)
Орынбасар Р.О.
кандидат химических наук, доцент кафедра «Нефтегазовое дело» Актюбинский региональный университет им. К. Жубанова
(г. Актобе, Казахстан)
ОЧИСТКА ПРОМЫШЛЕННЫХ СТОЧНЫХ ВОД ОТ НЕФТИ И НЕФТЕПРОДУКТОВ КАРБОНАТНЫМ ШЛАМОМ
Аннотация: возникает необходимость разработки эффективных и экологически безопасных методов очистки сточных вод. Целью исследования является разработка и оценка эффективности использования карбонатного шлама как адсорбента для удаления нефти и нефтепродуктов из сточных вод. Научная и практическая значимость работы заключается в предложении экологически безопасного метода очистки, который может не только улучшить качество сточных вод, но и обеспечить утилизацию промышленных отходов. Использование карбонатного шлама, побочного продукта промышленности, делает метод экономически выгодным и снижает экологическую нагрузку.
Основные результаты исследования показали, что карбонатный шлам обладает высокой сорбционной способностью к нефтепродуктам. Изотерма адсорбции относится к I типу по классификации Брунауэра, Деминга, Деминга и Теллера, что свидетельствует о наличии монослойной адсорбции на поверхности шлама. Было установлено, что шлам способен удалять до 95% загрязнений из сточных вод. Ценность исследования заключается в демонстрации того, что карбонатный шлам является эффективным и доступным материалом для решения экологических проблем, связанных с загрязнением вод нефтепродуктами. Это исследование вносит вклад в развитие технологий вторичного
1760
использования промышленных отходов, предлагая новое применение для карбонатного шлама. Практическое значение работы улучшению экологической обстановки. Результаты исследования могут быть полезны для предприятий нефтехимической отрасли и очистных сооружений.
Ключевые слова: адсорбция, сточные воды, адсорбенты, карбонатный шлам, очистка вод, нефтепродукты.
Введение.
Несмотря на то, что на поверхности Земли имеются значительные запасы воды, большая часть из них недоступна для использования, и только 0,03% относится к водным ресурсам, пригодным для человеческой деятельности. Рост численности населения и промышленности приводит к увеличению спроса на воду, в то время как доступные источники остаются неизменными. Таким образом, необходимо минимизировать её потребление, а также возвращать часть воды в окружающую среду с минимальной нагрузкой загрязнений, учитывая ограниченные возможности самоочищения. Это подчеркивает важность процесса очистки сточных вод (СВ) [1].
Очистка промышленных сточных вод от нефти и нефтепродуктов является одной из ключевых экологических задач, стоящих перед промышленными предприятиями. Попадание нефтепродуктов в водные экосистемы оказывает негативное воздействие на живые организмы, нарушает процессы естественного самоочищения воды и приводит к значительному снижению её качества. Одним из перспективных методов решения данной проблемы является использование карбонатного шлама для очистки сточных вод.
Существуют различные методы очистки сточных вод от нефтяных загрязнений, среди которых физико-химические методы (флотация, адсорбция, коагуляция и т.д.), биологические методы и методы мембранной фильтрации. Использование карбонатного шлама в качестве адсорбента является
1761
эффективным методом удаления нефти и нефтепродуктов благодаря его высокой пористости и сорбционным свойствам.
Карбонатный шлам, образующийся в результате водоподготовки на предприятиях химической промышленности, обладает высокой сорбционной активностью благодаря наличию в его составе гидратированных оксидов кальция, магния и других минералов. Эти соединения образуют активные центры на поверхности частиц шлама, которые эффективно взаимодействуют с молекулами углеводородов. Адсорбция нефтепродуктов на поверхности шлама происходит за счет гидрофобных взаимодействий, что способствует очистке сточных вод.
Практическое применение карбонатного шлама для очистки сточных вод демонстрирует высокую эффективность. Экспериментальные исследования показали, что карбонатный шлам способен удалять до 95% нефтепродуктов из сточных вод, что делает его перспективным материалом для использования на промышленных объектах. В частности, внедрение данной технологии на ряде предприятий значительно снизило выбросы загрязняющих веществ в окружающую среду [2-5].
Цель исследования заключается в разработке эффективного метода очистки промышленных сточных вод от нефти и нефтепродуктов с использованием карбонатного шлама, а также в изучении его сорбционных свойств для повышения экологической безопасности промышленных предприятий.
Актуальность исследования обусловлена серьёзной экологической проблемой загрязнения водных ресурсов нефтью и нефтепродуктами, что приводит к нарушению экосистем и ухудшению качества воды. Промышленные предприятия, такие как нефтехимические и перерабатывающие заводы, генерируют значительные объёмы сточных вод, содержащих нефтепродукты. В этой связи возникает необходимость разработки эффективных и экономически выгодных методов обработки таких вод. Одним из таких методов является использование карбонатного шлама, который
1762
является промышленным отходом и обладает высокой сорбционной способностью. Его применение позволяет не только улучшить качество очистки сточных вод, но и решить проблему утилизации промышленных отходов, что делает исследование особенно актуальным в контексте перехода на устойчивые технологии.
Объектом исследования являются промышленные сточные воды, загрязнённые нефтью и нефтепродуктами, а также карбонатный шлам, используемый в качестве сорбента для их очистки. Особое внимание уделено изучению сорбционных характеристик шлама и его способности эффективно удалять углеводороды из водной среды.
Материалы и методы.
1.1. Материалы.
1.1.1. Модельные растворы нефтезагрязнённых сточных вод.
Модельный раствор с концентрацией нефти, характерной для месторождения Алибекмола (10 мг/дм3), был приготовлен путём растворения в дистиллированной воде. Концентрации нефти и нефтепродуктов в воде определялись в соответствии с методиками ГОСТ 31862-2012 и ГОСТ Р 517942001.
1.1.2. Карбонатный шлам. Карбонатный шлам, образующийся при химической водоподготовке (ХВП), является отходом, который формируется на стадии предварительной обработки природной воды на водоочистных установках тепловых электростанций. Высушенный шлам представляет собой мелкодисперсный порошок от светло-жёлтого до коричневого цвета [6-7]. В ходе исследования использовалась фракция с размером частиц 0,05-0,09 мм.
1.2. Методы.
1.2.1. Определение нефти и нефтепродуктов в воде методом инфракрасной спектрометрии согласно ГОСТ 31862-2012. Пробы воды собираются в стеклянные или металлические контейнеры, исключающие контакт с органическими растворителями и другими загрязнителями. Для анализа используется углеродный тетрахлорид в качестве растворителя.
1763
Углеводородные соединения извлекаются из водной пробы, а полученный экстракт анализируется на инфракрасном спектрометре. Концентрация нефтепродуктов определяется по поглощению инфракрасного излучения в диапазоне 2930 см1 и 2960 см-1, характерного для С-Н связей углеводородов. Метод позволяет обнаруживать нефтепродукты в концентрациях от 0,05 до 10 мг/л.
1.2.2. Определение нефти и нефтепродуктов в воде гравиметрическим методом согласно ГОСТ Р 51794-2001. Пробы воды отбираются аналогично, без загрязнения органическими веществами. Для извлечения углеводородов из водной пробы используется растворитель (гексан или хлороформ). Полученный экстракт выпаривается до сухого остатка, после чего остаток взвешивается с точностью до 0,1 мг. Этот остаток представляет собой нефтепродукты. Метод позволяет определять нефтепродукты в концентрациях от 0,5 до 500 мг/л.
1.2.3. Определение адсорбции нефти и нефтепродуктов карбонатным шламом. Адсорбция нефти и нефтепродуктов сорбентами проводится в статических условиях. Адсорбционная способность материала изучается при 293 К методом постоянной концентрации и изменяемого веса. Эксперимент проводится с использованием 7 конических колб объёмом 10 см3, заполненных модельным раствором фенола с рН = 6,5-8,5 и различными образцами сорбционного материала: 0,01 г, 0,05 г, 0,1 г, 0,5 г, 1 г, 1,5 г, 2 г. Смеси перемешиваются в течение 24 часов, затем сорбционный материал фильтруется, и содержание нефтепродуктов в фильтрате определяется [6].
1764
Формула для расчёта адсорбции:
A = ((Co - C) / m) * V,
где:
A — количество адсорбированного вещества, мг/г, V — объём модельного раствора, дм3,
m — масса сорбента, г,
Co и C — начальная и равновесная концентрации нефтепродуктов в растворе, мг/дм3.
Результаты и обсуждение.
Для применения технологий очистки промышленных сточных вод использовался модифицированный карбонатный шлам АО «Актобе ТЭЦ» в качестве сорбционного материала. Рентгенофазовый и качественный анализ шлама, проведённый на дифрактометре Bruker P8 ADVANCE, показал состав карбонатного шлама, представленный в таблице 1.
Таблица 1. Химический состав карбонатного шлама АО «Актобе ТЭЦ».
Вещество Массовая доля, %
Кальцит (СаСОз) 75
Брусит (Mg(OH)2) 4
Портландит (Са(ОН)г) 0,5
Кварц (SiO2) 0,1
Лимонит (Fe(OH)3) 6
Другие вещества 14
Состав карбонатного шлама также включает до 9% органических веществ. Для их определения использовался метод хроматографического анализа на хромато-масс-спектрометре (Thermo Fisher Sci.Co, США). Анализ показал наличие функциональных групп органических веществ, включая карбоксильные, нитрогруппы, ароматические соединения, спирты и алкильные группы. Наличие этих групп характеризует высокую гидрофильную способность материала.
1765
Для изучения свойств карбонатного шлама как адсорбционного материала были исследованы его технологические характеристики, представленные в таблице 2.
Таблица 2. Технологические характеристики карбонатного шлама АО «Актобе ТЭЦ».
Параметр Значение
Насыпная плотность, кг/м3 510
Влажность, % 3,3
Водоёмкость, % 62
Гранулометрический состав, %
- Более 1,4 мм 32
- 1,4-1,0 мм 7
- 0,5-1,0 мм 8,1
- 0,09-0,5 мм 57,2
- Менее 0,09 мм 7,4
Зольность, % 84
рН 7,3
Органические вещества, % 8,4
Общий объём пор, см3/г 0,255
Карбонатный шлам, обладая высокой зольностью, пористостью и тонкодисперсной структурой, демонстрирует хорошие перспективы в качестве адсорбента для очистки сточных вод от нефтепродуктов. Его нейтральное значение рН и высокая водоёмкость добавляют дополнительные преимущества для использования в промышленных приложениях [7].
Эксперимент по изучению процесса адсорбции нефти и нефтепродуктов карбонатным шламом проводился в статическом режиме. Для получения экспериментальных данных использовались 7 конических колб с модельным раствором нефти и нефтепродуктов (концентрация 10 мг/дм3) с разным количеством карбонатного шлама (г): 0,01, 0,05, 0,1, 0,5, 1, 1,5, 2. На основании полученных результатов была построена изотерма адсорбции (рисунок 1).
1766
Рисунок 1. Изотерма адсорбции нефти и нефтепродуктов карбонатным шламом.
Изотерма адсорбции относится к типу I по классификации Брунауэра, Деминга, Деминга и Теллера (BDDT). Такой тип изотермы характерен для адсорбции на микропористых материалах и описывает физическую адсорбцию газов или жидкостей на твёрдых телах с микропористой структурой.
Для карбонатного шлама тип I изотермы указывает, что при контакте с нефтью или нефтепродуктами адсорбция происходит в пределах одного слоя до полного насыщения доступных пор. Это также указывает на ограниченный объём пор шлама, что влияет на его сорбционную способность. Таким образом, изотерма типа I подтверждает эффективность карбонатного шлама для адсорбции нефтепродуктов, хотя объём сорбции ограничен структурой пор и ёмкостью активных центров на его поверхности.
Заключение.
Исследование подтвердило, что карбонатный шлам является эффективным сорбентом для очистки сточных вод от нефти и нефтепродуктов. Благодаря своим физико-химическим характеристикам, таким как высокая зольность (84%) и значительный объём пор (0,255 см3/г), шлам способен адсорбировать значительное количество углеводородов из водной среды.
Адсорбция нефтепродуктов на карбонатном шламе происходит за счёт физической адсорбции, что подтверждается формой изотермы типа I по
1767
классификации Брунауэра, Деминга, Деминга и Теллера (BDDT). Адсорбция ограничена наличием микропор и активных центров на поверхности шлама, что делает его перспективным для очистки воды с низкими и средними концентрациями загрязнений.
Использование карбонатного шлама, который является побочным продуктом промышленного производства, позволяет не только эффективно очищать сточные воды, но и решать проблему утилизации отходов. Это делает процесс как экологически безопасным, так и экономически выгодным, снижая затраты на производство новых сорбентов и уменьшая загрязнение окружающей среды.
Применение карбонатного шлама на реальных промышленных объектах продемонстрировало высокую эффективность очистки сточных вод, удаляя до 95% нефтепродуктов. Это позволяет рекомендовать его для широкого использования в системах водоочистки на нефтеперерабатывающих предприятиях и в других отраслях, связанных с нефтепродуктами.
Дополнительное совершенствование метода возможно путём оптимизации параметров адсорбции, таких как дозировка шлама, температурные и давленческие условия. Также необходимы исследования по долговечности и регенерации сорбента для повторного использования, что сделает процесс очистки ещё более эффективным и экономически оправданным.
Таким образом, карбонатный шлам обладает значительным потенциалом как сорбент для очистки сточных вод от нефтепродуктов и может внести важный вклад в решение экологических проблем, связанных с загрязнением водных ресурсов.
1768
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ:
1. Chonnkar P.K., Datta S.P., Joshi H.C. Impact of Industrial Effluents on Soil Health and Agriculture // Journal of Scientific and Industrial Research. - 2000. - Vol. 59, No. 5. - P. 350-361;
2. MukherjS., Basak B., Bhunia B. Potential Use of Polyphenol Oxidases (PPO) in the Bioremediation of Phenolic Contaminants Containing Industrial Wastewater // Reviews in Environmental Science and Bio/Technology. - 2013. - No. 12. - P. 6173;
3. Tran V.S., Ngo H.H., Guo W. Typical Low-Cost Biosorbents for Adsorptive Removal of Specific Organic Pollutants from Water // Bioresource Technology. -2015. - No. 182. - P. 353-363;
4. Geethakarthi A., Phanikumar B.R., Sharma A. Industrial Sludge-Based Adsorbents: Industrial Byproducts in the Removal of Reactive Dyes // Global Science Research Journals. - 2014. - Vol. 1, No.1. - P. 1-9;
5. Ahmad A.A., Hameed B.H., Aziz N. Adsorption of Direct Dye on Palm Ash: Kinetic and Equilibrium Modelling // Journal of Hazardous Materials. - 2007. - No. 141. - P. 70-76;
6. Nikolaeva L.A., Aikenova N. Adsorption Purification of Phenol-Containing Wastewater from Oil Refineries // Theoretical and Applied Ecology. - 2020. - No. 4. - P. 136-142;
7. Aikenova N., Sarsembim U., Almuratova K. Wastewater Treatment of Industrial Enterprises from Phenols with Modified Carbonate S
1769
Beskuzov N.B., Orynbasar R. O.
Beskuzov N.B.
Aktobe Regional University named after K. Zhubanov (Aktobe, Kazakhstan)
Orynbasar R.O.
Aktobe Regional University named after K. Zhubanov (Aktobe, Kazakhstan)
INDUSTRIAL WASTEWATER TREATMENT FROM OIL AND PETROLEUM PRODUCTS WITH CARBONATE SLUDGE
Abstract: there is a need to develop effective and environmentally friendly methods for wastewater treatment. The aim of the study is to develop and evaluate the efficiency of using carbonate sludge as an adsorbent for removing oil and oil products from wastewater. The scientific and practical significance of the work lies in proposing an environmentally friendly cleaning method that can not only improve the quality of wastewater, but also ensure the disposal of industrial waste. The use of carbonate sludge, an industrial by-product, makes the method cost-effective and reduces the environmental burden.
The main results of the study showed that carbonate sludge has a high sorption capacity for oil products. The adsorption isotherm belongs to type I according to the classification of Brunauer, Deming, Deming and Teller, which indicates the presence of monolayer adsorption on the surface of the sludge. It was found that the sludge is capable of removing up to 95% of contaminants from wastewater. The value of the study lies in demonstrating that carbonate sludge is an effective and affordable material for solving environmental problems associated with water pollution with oil products. This study contributes to the development of industrial waste recycling technologies by proposing a new application for carbonate sludge. The practical significance of the work is to improve the environmental situation.
Keywords: adsorption, wastewater, adsorbents, carbonate sludge, water treatment, oil products.
1770
