Июн 01 2003

АДСОРБЦИОННАЯ ОЧИСТКА МОРСКОЙ ВОДЫ ОТ НЕФТЕПРОДУКТОВ АКТИВНЫМИ УГЛЯМИ РАЗЛИЧНЫХ МАРОК

Опубликовано в 12:22 в категории Проблемы Черного моря

АДСОРБЦИОННАЯ ОЧИСТКА МОРСКОЙ ВОДЫ ОТ НЕФТЕПРОДУКТОВ АКТИВНЫМИ УГЛЯМИ РАЗЛИЧНЫХ МАРОК

Л.М. Солдаткина, Б.М. Кац

Одесский национальный университет им. И.И. Мечникова

Одним из основных загрязнителей морской воды в акватории Чёрного моря являются нефтепродукты. Постоянное содержание нефтепродуктов в морской воде обусловлено их антропогенным поступлением в результате хозяйственной деятельности предприятий и портов, утратами во время проведения бункеровочных операций, выносом нефтепродуктов в море с речными и сточными водами, выбросом неочищенных балластных вод, а также аварийными проливами во время транспортировки нефтепродуктов. Именно поэтому защита акватории Чёрного моря от загрязнения нефтепродуктами входила в перечень задач Стратегического плана действий по реабилитации и охране Черного моря (1996-2000 гг.), выполнявшегося в соответствии с Международной Черноморской экологической Программой ООН.

Одним из перспективных методов очистки морской воды от нефтепродуктов является адсорбционная очистка, которая используется для сбора плавающей нефти (нефтяных пленок) и удаления из воды диспергированной нефти и нефтепродуктов с помощью специально синтезированных сорбентов [1-4]. В основу метода адсорбционной очистки положена высокая поглотительная способность (нефтеемкость) различных сорбентов по отношению к нефтепродуктам. Известно, что качество очистки воды от остатков растворенных (диспергированных) нефтепродуктов определяется главным образом адсорбционными свойствами применяемого адсорбента, так что задача правильного выбора конкретной марки адсорбента является определяющей для оптимизации всего процесса очистки и поэтому она должна решаться с учётом современных теоретических представлений в области адсорбции из водных растворов.

Теория адсорбции растворенных органических веществ из водных растворов, в значительной степени разработанная А.М. Когановским с сотр. [5], далеко выходит за рамки классической теории адсорбции газов и паров. Даже в простейшем случае адсорбции одного растворенного вещества приходится рассматривать поведение двухкомпонентной конденсированной системы (вода + растворенное вещество) на границе раздела жидкость – поверхность твердого тела (адсорбента). При этом нельзя рассматривать воду как некую гомогенную инертную среду, в которой молекулы растворенного вещества ведут себя подобно молекулам газа. Прежде всего при анализе адсорбции растворенных веществ следует учитывать явление гидратации и связанную с ним растворимость органического компонента. Необходимо также исходить из того, что при контакте адсорбента с двухкомпонентной или многокомпонентной системой – разбавленным раствором не существует свободной поверхности твердого тела. Вся она взаимодействует с молекулами веществ, присутствующих в растворе, и лишь взаимное вытеснение молекул компонентов раствора, различающихся энергией взаимодействия с атомами поверхности, приводит к избирательной адсорбции одного из компонентов, т.е. к цели любого адсорбционного технологического процесса.

Вытеснительный характер адсорбции растворенных веществ позволил сформулировать основное требование к химической природе адсорбента, предназначенного для извлечения органических веществ из водных растворов: энергия взаимодействия адсорбента с молекулами растворителя – воды должна быть как можно меньшей, а энергия взаимодействия адсорбента с молекулами извлекаемого вещества как можно большей. Этому требованию лучше всего отвечают углеродные материалы, и потому активные угли являются наиболее эффективными адсорбентами органических веществ из воды, хотя в литературе имеются данные о применении для этой цели и других специальных нефтепоглощающих адсорбентов, например, гидрофобизованного перлита [2] и биоуглеродных материалов [3].

Поскольку в Украине на сегодняшний день отсутствует устойчиво работающее собственное производство активных углей, на практике в отечественных технологиях очистки сточных вод обычно используют импортные гранулированные активные угли марки Filtrasorb производства фирмы Chemviron и Silcarbon производства фирмы Silcarbon Aktivkohle, которые отличаются высокими адсорбционными и механическими свойствами. Сравнению поглотительной способности активных углей различных марок посвящено значительное количество работ, в которых были приведены результаты исследования адсорбционных свойств активных углей зарубежного, в том числе российского, и отечественного производства. Насколько нам известно, такие исследования главным образом были проведены на модельных системах, включающих дистиллированную либо водопроводную (речную) воду и органическое вещество. Поскольку ионный состав водного раствора оказывает определенное влияние на адсорбцию органических веществ, механический перенос результатов указанных исследований на адсорбцию этих веществ из морской воды представляется недостаточно обоснованным.

В этой связи нами начаты систематические исследования по адсорбции нефти и нефтепродуктов из воды Одесского залива. На первом этапе в качестве адсорбентов были использованы активные угли марки Filtrasorb F-300 и Silcarbon K835 и K814. Исследования проводили при температуре 25 оС на модельных системах – дисперсиях сырой нефти (ГОСТ 9965-62) в морской воде. Исходные нефтяные эмульсии готовили без стабилизирующей добавки методом ультразвукового диспергирования на установке УЗДН-2Т при рабочей частоте излучателя 44 кГц. Время диспергирования составляло 20 мин. Концентрация нефти в модельных системах изменялась от 0,001 до 0,05 %. Время жизни эмульсий нефти составляло не менее 6 часов. Концентрацию диспергированной нефти определяли спектрофотоколориметричеси. Для всех исследованных адсорбентов было определено время наступления адсорбционного равновесия, а также изучены и проанализированы изотермы адсорбции и найдены константы адсорбционного равновесия. На основании полученных результатов был проведен термодинамический анализ процесса адсорбции и рассчитаны величины изменения основных термодинамических функций –ΔGо, ΔHо и ΔSо в процессе адсорбции нефти из морской воды.

Как отмечено в [5], рациональное применение адсорбционной технологии для очистки водных растворов зависит прежде всего от того, насколько хорошо адсорбируются вещества, подлежащие удалению, и, как следствие этого, от того, насколько велик удельный расход адсорбента на единицу объёма очищаемой воды. При фильтровании воды через достаточно длинный слой адсорбента большая часть слоя адсорбента насыщается извлекаемым компонентом почти до равновесия с его входной концентрацией . Поскольку отношение длины «работающего» слоя к общей длине слоя в адсорбционном фильтре обычно менее 0,1, то с погрешностью не более 5% можно считать, что весь адсорбент в фильтре в момент проскока органического вещества в фильтрат, т.е. при , находится в равновесии с исходной водой, поступающей в слой. Тогда среднее количество адсорбированного вещества к моменту проскока , отнесенное к единице массы адсорбента, можно с этой же погрешностью считать равным удельной адсорбции моль/кг, равновесной с входной концентрацией :

,

где ΔС= ммоль/л (или моль/м3);  - количество воды, прошедшей через слой адсорбента до появления в фильтрате концентрации, равной , моль/м3; L – длина слоя адсорбента, м; s – площадь сечения слоя адсорбента в фильтре, м2;  - насыпная плотность адсорбента, кг/м3.

          Равновесную дозу активного угля можно рассчитать и по экспериментальной изотерме адсорбции [5]. Для этого при помощи уравнения адсорбции устанавливают связь между величинами удельной адсорбции растворённого вещества и равновесной остаточной концентрации раствора. Значение удельной адсорбции а можно определить как отношение  где m – масса адсорбента в единице объёма, г/л (или кг/м3). Тогда, определив по изотерме адсорбции величину а, равновесную с заданной остаточной концентрацией раствора (с концентрацией вещества в воде после адсорбционной очистки), можно вычислить удельный расход адсорбента для извлечения этого вещества из раствора с начальной концентрацией Со:

            Если из раствора адсорбируется бинарная смесь веществ, то удельный расход адсорбента можно оценить по рассчитанной парциальной изотерме адсорбции менее адсорбируемого компонента. Связь между параметрами, характеризующими суммарную адсорбцию многокомпонентной смеси, и индивидуальными адсорбционными характеристиками компонентов проанализирована в работе [5] с помощью метода «условного» компонента, который в дальнейшем был успешно использован в практике проектирования адсорбционных установок для очистки многокомпонентных смесей органических веществ.

            Удельный расход адсорбента на единицу объёма очищаемой воды (доза) m, кг/м3, является величиной, обратной удельной адсорбции вещества моль/кг, и определяется прежде всего величиной предельно-адсорбционного объёма адсорбента, а также значениями логарифма константы растворимости (lg K) и входной концентрации  данного вещества. Доза активного угля, необходимая для извлечения органических веществ из воды, уменьшается с ростом K и растёт с увеличением значений  и растворимости неионизированного вещества  [5].

Для характеристики длительности работы адсорбционного фильтра целесообразно использовать величину времени защитного действия, или времени работы слоя адсорбента до проскока адсорбируемого вещества в фильтрат, , которое линейно зависит от длины слоя адсорбента L:

,

где k – коэффициент защитного действия слоя адсорбента, а  - потеря времени защитного действия.

          Таким образом, полученные результаты можно использовать при проектировании и расчете конкретных адсорбционных фильтров, предназначенных для извлечения нефти и нефтепродуктов из морской воды. При сравнительно небольших объемах очищаемой воды и относительно невысоких концентрациях в ней нефти целесообразно использовать адсорбционные фильтры с непрерывным слоем адсорбента, а при очистке водных акваторий от плавающей нефти активные угли следует использовать для снаряжения специальных нефтепоглощающих матов или бон.

Литература

1. Пащенко О.О., Крупа О.А., Свідерський В.А. Очистка стічних вод і водних басейнів від нафтопродуктів. Київ: Т-во “Знання” УРСР, 1976. – 48 с.

2. Тарасевич Ю.И. Природные сорбенты в процессах очистки воды. - Киев: Наук. думка, 1981.- 208 с.

3. Хохлов А.В., Швец Д.И., Хохлова Л.И. Новые биоуглеродные материалы как эффективные сорбенты для очистки экосистем от нефти и нефтепродуктов // Екологічні проблеми Чорного моря: Зб. Матеріалів до 4-го Міжнар. Симпозіуму, 31 жовтня – 1 листопада 2002 року, Одеса. – Одеса: ОЦНТЕІ, 2002. - С. 270-272.

4. Банокин А.А., Лукин А.И., Кац Б.М. Современное состояние очистки нефтесодержащих балластных вод в Одесском морском торговом порту // Там же. - С. 20-24.

5. Когановский А.М., Клименко Н.А., Левченко Т.М., Рода И.Г. Адсорбция органических веществ из воды. - Л.: Химия, 1990.- 256 с.

Нет пока ответов

Комментарии закрыты.