CC BY
123
УДК 628.54
А. А. Фаизов, В. О. Дряхлов, Д. Д. Фазуллин, Г. Г. Ягафарова, Д. И. Ягафарова
РАЗДЕЛЕНИЕ ВОДОНЕФТЯНЫХ ЭМУЛЬСИЙ
С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ МЕМБРАННЫХ ФИЛЬТРОВ
Ключевые слова: водонефтяная эмульсия, полиакрилонитрильные мембраны, разделение.
Исследована и показана возможность разделения высококонцентрированных эмульсий типа «нефть в воде» с использованием полимерных ультрафильтрационных мембран из полиакрилонитрила с высокой степенью эффективности.
Keywords: water-oil emulsion, polyacrylonitrile membranes, treatment.
Was investigated and showed the possibility of high-concentrated "oil-in-water"emulsion devision by using ultrafilter polymeric membranes from polyacrylonitrile with high efficiency degree.
С повышением экономической эффективности промышленных предприятий, сопровождающимся ростом производственных мощностей, происходит увеличение количества загрязняющих веществ, поступающих в окружающую среду в результате хозяйственной деятельности человека. По объектам воздействия различают загрязнение поверхностных и подземных вод, атмосферного воздуха и почв. Однако наибольшее значение для природной среды и, соответственно, и для человека, имеет вода, являющаяся уникальным веществом, определяющим возможность существования жизни на Земле [1, 2].
В процессе бытовой и промышленной эксплуатации водных сред, последние подвергаются химическому, физическому, биологическому воздействию, в результате чего образуются сточные воды, среди которых особое место ввиду сложности многокомпонентного состава и агрегативной устойчивости занимают эмульгированные стоки, содержащие нефть и нефтепродукты. Очистка последних, в большинстве случаев, осуществляется применением нефте- и жироловушек, отстаиванием, фильтрованием, реже - биохимическими способами. Недостатком вышеназванных методов является низкая эффективность очистки. В этой связи, очевидна необходимость внедрения более современных методов водоочистки с использованием инновационных технологий [3].
Анализ литературных источников выявил все возрастающую тенденцию применения мембранных технологий водоочистки, в том числе и для разделения водонефтяных и водомасляных эмульсий. Достоинствами мембранной технологии являются высокая эффективность очистки, меньшее количество используемых химических реагентов, а также малая площадь, занимаемая оборудованием.
Мембрана представляет собой селективно проницаемую перегородку. Под воздействием движущей силы, проходящей через мембрану поток, разделяется на две фазы - прошедший фильтрат, содержащий меньшие по размеру компоненты по сравнению с исходным потоком и задерживаемый на поверхности концентрат, содержащий большие по размеру компоненты. Движущей силой мембранных процессов является разность концентраций, разность температур (термоосмос), разностьпотенциалов (электроосмос, электродиализ). Однако наибольшее применение в
промышленности получили баромембранные процессы, осуществляемые под воздействием разности давлений до и после перегородки - микрофильтрация, ультрафильтрация, нанофильтрация и обратный осмос, различающиеся по размеру пор и, соответственно, по степени разделения поллютантов [3].
Мембранные фильтры различаются по материалам, из которых они изготовлены и по размеру пор. Наиболее распространены полимерные мембранные фильтры, изготовленные из полипропилена, поли-сульфона, полиэфирсульфона, поливинилиденфто-рида, полиакрилонитрила и т.д. [4, 5].
Ранее проведенными работами [6-15] показано, что полимерные ультрафильтрационные мембраны эффективно разделяют эмульсии типа «масло в воде». Возможность разделения водомасляных эмульсий с использованием полимерных мембран также описывается и в ряде зарубежных источников [16-20].
На основании вышеизложенного, в настоящей работе приведены результаты исследования мембранного разделения методом ультрафильтрации водонефтяной эмульсии на основе девонской нефти Тумутукского месторождения (Республика Татарстан), используемой в качестве дисперсной фазы в количестве 10 % по объёму, стабилизированной ПАВ марки «Косинтол-242» в количестве 1 % по объёму. В качестве дисперсионной среды использовалась дистиллированная вода. Значение ХПК, определенное на автоматическом титраторе марки «Т70» фирмы «Mettler Toledo», для исходной эмульсии составило 77000 мг О2/дм3.
Определены размеры частиц полученной водо-нефтяной эмульсии (рис. 1) методом электрофоре-тического светорассеивания с использованием прибора марки «NanoBrook Omni».
Как видно из приведенного рисунка 1, образовавшаяся водонефтяная эмульсия характеризуется тремя размерами частиц: 2,98 • 102 нм (60,45 %), 1,05 • 103 нм (42,54 %) и 4,30 • 103 нм (100 %). По всей видимости, размеры частиц эмульсии зависят от группы углеводородов, входящих в состав нефти, и образующих в воде эмульсии с различными размерами частиц.
100 90 ВО
70
1,0е+2 1>0е+3 1,0е+4 Diameter, nm
Рис. 1 - Гистограммы распределения частиц водо-нефтяной эмульсии по размерам
Эксперименты проводились с использованием плоских мембран, выполненных из полиакрилонитрила (ПАН), с массой отсекаемых частиц 10 (№ 1) 25 (№ 2) и 60 (№ 3) кДа или размером пор 3, 10 и 30 нм, соответственно, с помощью мембранной установки, схема которой, представлена на рисунке 2.
Рис. 2 - Лабораторная установка мембранного разделения: 1 - мембранный модуль; 2 - подставка для фиксации мембраны; 3 - перемешивающее устройство; 4 - компрессор; 5 - выпрямитель тока
Конструкция мембранного модуля представляет собой полый цилиндр с внутренним объёмом 200 см3, снизу которого закрепляется на подставке мембрана, а сверху подаётся давление, создаваемое компрессором. В начале эксперимента эмульсия объёмом 100 см3 заливается в рабочую ёмкость цилиндра, при этом одновременно включается магнитное перемешивающее устройство, в результате чего на поверхность мембраны образуется тангенциальный поток «cross-flow» с целью предотвращения явления концентрационной поляризации. С помощью системы креплений, уплотнений и зажимов мембранный модуль герметизирует-
ся, после чего создается требуемое давление, регистрируемое манометром, встроенным в компрессор.
Ранее проведенными исследованиями [8-15] определено, что для достижения оптимального соотношения производительность/эффективность очистки водомасляных эмульсий прилагаемое давление к системе составляет 0,2МПа.
Водонефтяная эмульсия подавалась на мембрану под давлением 0,2 МПа и под действием приложенного давления разделялась на концентрат и фильтрат. Последний собирался в приемную ёмкость, а концентрат накапливался на поверхности фильтрэ-лемента. Графики зависимости производительность разделения модельной водонефтяной эмульсии ПАН мембранами с размерами пор, указанными ранее, приведены на рисунке 3.
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 Время процесса, мин
Рис. 3 - Производительность мембран при разделении водонефтяной эмульсии с размером пор 3, 10, 30 нм
Как следует из приведенных графиков, с увеличением диаметра пор мембраны, производительность последней увеличивается, что вполне закономерно. Однако, следует отметить, что при использовании мембран с размерами пор 3 нм и 10 нм, производительность установки по разделению эмульсии невысока - не превышает 4 дм3/м2^ч и практически не зависит от размера указанных пор. Иная картина наблюдается при разделении эмульсии с использованием мембраны с размерами пор 30 нм - в первоначальный период разделения, производительность достигает 18 дм3/м2^ч. В дальнейшем производительность снижается, достигая значения 8 дм3/м2^ч, что, по всей видимости, объясняется накоплением дисперсной фазы на поверхности мембраны (явление концентрационной поляризации), в результате чего происходит закупорка пор фильтрэлемента.
Сравнительный анализ показывает, что наименьший размер частиц эмульсии равный 2,98 • 102 нм значительно превышает наибольший размер используемых мембран 30 нм, в связи с чем теоретически масляная фаза должна полностью задерживаться мембраной. Однако, практически имеет место дополнительное диспергирование в процессе разделения в режиме «cross-flow», а также неоднородность размера пор, подчиняющая нормальному
распределению, в связи с чем наблюдается проскок дисперсной фазы, количество которой, в большей степени зависит от размера пор.
В продолжение исследования определены размеры частиц эмульсий, прошедших через мембрану, и оказавшихся в фильтрате, значения которых представлены в таблице 1.
Таблица 1 - Размер частиц эмульсий фильтратов, полученных при использовании ПАН мембран
Анализ значений размера частиц эмульсий в фильтрате, представленных в таблице 1, показывает, что последние имеют гораздо большие значения размера частиц по сравнению с размером пор мембран. Данное явление, по всей видимости, является следствием вышеназванного дополнительного диспергирования разделяемой среды в процессе ультрафильтрации в режиме «cross-flow» под действием повышенного давления, в результате чего меньшие по размеру глобулы эмульсии проходят через мембраны, после чего при отсутствии внешнего воздействия в виде давления и тангенциального потока происходит снижение агрега-тивной устойчивости системы и увеличение частиц дисперсной фазы рассматриваемой среды.
Несмотря на вышеобозначенное обстоятельство, значения показателя ХПК фильтратов, полученных при разделении с использованием ПАН мембран с размером пор 3, 10 и 30 нм составили 2250, 2320, 6570 мг О2/дм3, соответственно, на основании чего селективность равна 97,1; 97,0 и 91,5 %, соответственно.
Таким образом, показана возможность разделения высококонцентрированных эмульсий типа «нефть в воде» с использованием полимерных ультрафильтрационных мембран из полиакрилонитрила с высокой степенью эффективности.
Литература
1. Ф.А. Шахова, Г.Г. Ягафарова, А.И. Мухамадеева Воздействие на окружающую среду технологических процессов
нефтегазовой отрасли: учебное пособие, Нефтегазовое дело, Уфа, 2012. 442 с.
2. Г.Г. Ягафарова, Л.А. Насыров, Ф.А. Шахова, С.В. Балакирева, А.Х. Сафаров. Инженерная экология в нефтегазовом комплексе, УГНТУ, Уфа, 2007. 334 с.
3. Мулдер М. Введение в мембранную технологию/ М. Мулдер; пер. с англ. под ред. Ю. П. Ямпольского. - М.: Мир, 1999. - 513 с.
4. B.S. Bonev, В.О. Дряхлов, И.Г. Шайхиев, Вестник Казанского технологического университета, 8, 181-185 (2013).
5. B.S. Bonev, В.О. Дряхлов, И.Г. Шайхиев, Вестник Казанского технологического университета, 10, 158162 (2013).
6. В.О. Дряхлов, И.Г. Шайхиев, Р.Г. Ибрагимов, Р.Т. Батыршин, И.Ш. Абдуллин, Вестник Казанского технологического университета, 11, 43-48 (2010).
7. И. Г. Шайхиев, Р.Т. Батыршин, П. О. Осипов, Вестник машиностроения, 2, 89-92 (2011).
8. В.О. Дряхлов, И.Г. Шайхиев, Н.Н. Капралова, И.Ш. Абдуллин, Р.Г. Ибрагимов, Р.Т. Батыршин, Вестник Казанского технологического университета, 6, 31-35 (2011).
9. В.О. Дряхлов, И.Г. Шайхиев, Б.С. Бонев, И.Ш. Абдул-лин, А.М. Гумеров, Вестник Казанского технологического университета, 3, 148-150 (2013).
10. И.Г. Шайхиев, В.О. Дряхлов, ГШ. Сафина, V.A. Nenov, B.S. Bonev, А.И. Назмиева, Вестник технологического университета, 18, 13, 242-245 (2015).
11. В.О. Дряхлов, М.Ю. Никитина, Т.И. Шайхиев, И.А. Загидуллина, С.В. Фридланд, B.S. Bonev, Вестник Казанского технологического университета, 17, 10, 107110 (2014).
12. В.О. Дряхлов, М.Ю. Никитина, Т.И. Шайхиев, И.А. Загидуллина, С.В. Фридланд, Вестник Казанского технологического университета, 17, 14, 103-105 (2014).
13. В.О. Дряхлов, И.Г. Шайхиев, И.Ш. Абдуллин,
A.В. Федотова, Экспозиция Нефть Газ, 2, 62-65 (2015).
14. V. Dryakhlov, I. Shaikhiev, T. Shaikhiev, I. Zagidullina,
B. Bonev, V. Nenov, Bulgarian Chemical Communications, 47, Special Issue B, 109-115 (2015).
15. V.O. Dryakhlov, I.G. Shaikhiev, M.Yu. Nikitina, M.F. Galikhanov, T.I. Shaikhiev, B.S. Bonev, Surface Engineering and Applied Electrochemistry, 51, 4, 406-411 (2015).
16. J. Guolin, W. Xiaoyu, H. Chunjie, Desalination, 1-2, 386-393 (2008).
17. N.A. Ochoa, M. Masuelli, J. Marchese, Journal of Membrane Science, 226, 1-2, 203-211 (2003).
18. Y.S. Li, L. Yan, C.B. Xiang, L.J. Hong, Desalination, 196, 1-3, 76-83 (2006).
19. S.S. Madaeni, M.K. Yeganeh, Journal of Porous Materials, 10, 2, 131-138 (2003).
20. M. Gryta, K. Karakulski, A.W Morawski, Water Research, 35, 15, 3665-3669 (2001).
Размер пор используемой ПАН мембраны Размер частиц дисперсной фазы эмульсии фильтрата, нм
3 нм 2,12-102 3,26-103
10 нм 1,30-102 1,05-103 7,25-103
30 нм 1,39-102 7,37-102 6,13-103
А.А. Фаизов - магистрант кафедры Прикладной экологии Уфимского государственного нефтяного технического университета, E-mail: azat2113@mail.ru; В. О. Дряхлов - ассистент кафедры Инженерной экологии Казанского национального исследовательского технологического университета; Д.Д. Фазуллин - соискатель того же ВУЗа, ведущий инженер Казанского федерального университета; Г.Г Ягафарова - д.т.н., профессор, заведующий кафедрой Прикладной экологии Уфимского государственного нефтяного технического университета, Д.И. Ягафарова - студент того же ВУЗа.
A.A. Faizov - master of the Department Applied ecology of Ufa state petroleum technical University, E-mail: azat2113@mail.ru; V.O. Dryakhlov - assistant of the Department of Environmental Engineering of Kazan national research technological university; D.D. Fazullin - applicant of the same university, lead engineer of Kazan federal university; G.G. Yagafarova - Doctor of Science, Professor, head of Department Applied ecology of Ufa state oil technical University; D.I. Yagafarova - student of the same university.
