XIII Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2021

Главными источниками загрязнений нефтью и нефтепродуктами являются добывающие предприятия, системы перекачки и транспортировки, нефтяные терминалы и базы, речные и морские нефтеналивные танкеры, автозаправочные станции. Объемы отходов нефтепродуктов и нефтезагрязнений, сосредоточившиеся на отдельных объектах, составляют десятки и сотни тысяч кубометров.

Нефть и нефтепродукты в сточных водах находятся в виде крупных частиц, всплывающих и образующих нефтяную пленку, в виде эмульсии или в растворенном состоянии. Если крупные загрязнения нефтепродуктов извлекают из сточных вод с помощью механических приспособлений: гидроциклонов, отстойников, нефтеловушек, гидрофобных и гидрофильных фильтров, флотаторов, электролизеров и фильтров с зернистой загрузкой, то для эмульгированных и растворенных фракций нефтепродуктов требуется дополнительная очистка фильтрованием.

Количество эмульгированных нефтепродуктов в сточных водах нефтеперерабатывающих заводов колеблется в широких пределах — от 50 до 500 мг/л, а в некоторых случаях и до 1000 мг/л. В среднем содержание эмульгированных нефтепродуктов в общем стоке заводов следует считать 60–100 мг/л.

Для эффективного извлечения нефти и нефтепродуктов из сточных вод в каждом конкретном случае разрабатываются методы и технологические схемы очистки природных и сточных нефтесодержащих вод. Практическое использование минеральных природных сорбентов и других пористых веществ для очистки сточных вод основано на том, что эти соединения широко доступны, не токсичны, дешевы, технология их добычи проста. К доступным видам такого сырья относятся многие органические материалы: бурый уголь, кокс, торф, мох, солома, бумага, шерсть, размолотая кукурузная лузга, рисовая шелуха, древесные отходы. Одни из самых перспективных среди сорбционных материалов углеродные сорбенты.

Разработана технология получения вспененного (терморасширенного) нанографита, продукта в виде легкого порошка темно-серого цвета, получаемого методом деструкции межслоевых углеродных связей графита с помощью окислителей. Его площадь поверхности около 800 / г, а сорбционная емкость по нефтепродуктам (1:50). Эффект нанофильтрации основан на том, что при уплотненности вспененного углерода (графенового сорбента) образуются наноканалы по которым и просачивается вода[1].

Это позволило использовать его в качестве сорбента в фильтрах для очистки воды от нефтепродуктов с целью получения питьевой или технической воды, а также в случаях разлива нефти.

При терморасширении графит увеличивается в объеме в 100 раз. На высокоэффективной гидрофобной поверхности частиц графита хорошо сорбируются большинство растворенных в воде примесей, поэтому этот продукт нашел применение для промышленных фильтров. Графеновый сорбент единственный используется для очистки не только холодной, но и горячей воды.

На первом этапе порошок графита по стандартной технологии насыщается смесью кислот и быстро нагревается до температуры 600°C. Окисление графита проводят при помощи пероксида водорода в присутствии серной кислоты, а также при добавлении серного или хромового ангидридов. Избыток серной кислоты нейтрализуют щелочами, а затем промывают. В результате нагрева и взрыва проходит вспенивание графита с образованием слоистой структуры. Толщина отдельных листов в среднем 10−20 нм. При этом вспененная чешуйка графита имеет достаточно большую общую длину около 1000 мкм. На втором этапе суспензия вспененного графита и окислителей обрабатывается с помощью ультразвука. Такое комбинированное воздействие приводит к дополнительному расслоению и разламыванию частиц. Полученная таким образом суспензия содержит частицы объемного графита и графеновые листы. После этого методом седиментации, осаждением под действием гравитационного поля или центробежных сил, проводят отделение графена от частиц графита. В результате вспененный графит не имеет посторонних включений и примесей, содержит только до 99,9% углерода[2].

Рисунок 1- Электронная фотография вспененного графита, увеличение в 1см – 160 мкм

Основные физико-химические свойства графенового сорбента.

Графеновый сорбент химически инертен, электропроводен, гидрофобен (краевой угол смачивания более 90 градусов), устойчив к агрессивным средам, экологически чист.

Т а б л и ц а 1 - Основные физико-химические свойства графенового сорбента

Внешний вид	легкий порошок
Содержание углерода	не менее 99,5%
Насыпная плотность	0.1-00.1 г/ (в зависимости от способа изготовления)
Удельная поверхность	10—12
Удельный объём пор	30—60 /г
Диапазон рабочих температур	от —60°С до +3000°С
Возврат присоединённого вещества	до 98%
Поглотительная способность по сырой нефти, г/г	не менее 1:50
Водопоглощаемость	70–90%

Возврат присоединённого вещества представляет собой процент извлечения поглощенного вещества из сорбента при регенерации сорбента.

Поглотительная способность по сырой нефти или сорбционная емкость - это способность задерживать соединения нефти единицей массы сорбента, на 1 г сорбента приходится 50 г сырой нефти.

Преимущества графенового сорбента.

Для того чтобы очищать воду от примесей, графеновый сорбент в фильтрующих устройствах должен быть уплотнён. В результате получается как бы объёмная мембрана, ячейки которой вследствие строения вспененного графита имеют наноразмеры. Эти ячейки пропускают молекулы воды, все минеральные соли и микроэлементы и большинство истинных растворов. Лучше всего удерживаются примеси, родственные графеновому сорбенту по химическому составу (основа — углерод), такие как нефтепродукты и эфирорастворимые вещества. Важная особенность, что графеновый сорбент не вступает в химические реакции с сорбируемыми веществами, таким образом, в отфильтрованной воде не может быть никаких веществ, которых не было изначально[3].

При смачивании графеновый сорбент образует массу, обладающую большим гидравлическим сопротивлением, которое намного выше, чем, например, у активированного угля. В этой массе, словно в очень плотно сплетённой сети «запутываются» даже самые мелкие взвеси. Графеновые фильтры удерживают примеси объёмом, в отличие от мембранных фильтров, которые удерживают их только плоскостью (или, в лучшем случае, несколькими плоскостями). Если графеновый сорбент удержал какую–то примесь, то она уже не попадёт в отфильтрованную воду.

Мембранные фильтры не только необходимо регулярно промывать (ясно, что система обратной промывки резко удорожает очистку воды), но и менять значительно чаще, чем картриджи графеновых фильтров, не требующие никакой промывки.

Только фильтры на основе графенового сорбента могут при однократной фильтрации очистить воду, содержащую примеси нефти так, чтобы наличие углеводородов не превышало 0,3 мг/л.

Список использованной литературы

Дуничев, М. Д. Разработка технологии очистки воды от нефтепродуктов на фильтре с графеновым сорбентом / М. Д. Дуничев, Е. В. Москалёв. — Текст : непосредственный // Молодой ученый. — 2020. — № 35 (325). — С. 81-85. — URL: https://moluch.ru/archive/325/73344/ (дата обращения: 20.12.2020).

Патент № 2377177 РФ, МКИ C01 B31/04. Способ получения вспененного графита /А. Ф. Кудряшов, О. А. Калабеков, Е. В. Москалев; заявл. 19.11.2007, опубл. 27.12.2009, Бюлл.№ 10.-5с.

Губин С.П., Ткачев С.В. Графен и родственные наноформы углерода.//М.: Книжный дом «Либроком». 2012. 104 с. (монография).

Код для цитирования: Скопировать