XIV Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2022
Методы хроматографии при оценке эффективности очистки нефтепромышленных сточных вод
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
В нефтегазовой отрасли образуются большие объемы сточных вод, и прогнозы показывают, что эти объемы будут только увеличиваться. Сточные воды нефтедобычи представляют собой смешанную воду, содержащую нефтяные углеводороды, ионы неорганических солей, сульфиды, органические фенолы, бактерии, твердые частицы и химические агенты, такие как ингибиторы образования накипи, флокулянты, ингибиторы коррозии и фунгициды, добавляемые на станцию очистки. Как мы видим состав сточных вод нефтедобычи очень сложный, с высокой концентрацией нефти, большим количеством взвешенных веществ и других загрязняющих веществ. Это крупномасштабный и широкомасштабный источник загрязнения, который приводит к растрате ресурсов и энергии.[1]
Характеристики нефтегазовых сточных вод значительно различаются. Чтобы соответствовать требованиям по сбросам, промышленный объект должен учесть категорию сбрасываемых загрязнителей сточных вод, технологии очистки сточных вод и методы управления, используемые для контроля этих сбросов. Однако, в различных отраслях нефтегазового комплекса состав промышленных сточных вод будет различен. Поэтому, в зависимости от рода деятельности нефтепромышленного предприятия, подбираются соответствующие методы очистки.
Традиционные технологии, используемые для очистки нефтепромышленных сточных вод, состоят из механической (песколовок, отстойников, гидроциклонов, центрифуг и фильтров); физико-химической (коагуляции,флотации,сорбции); химической (хлорирования, озонирования), а также биологической очистки. Однако, важнейшим этапом перед сбросом или вторичным использования очищенных вод является контроль качества пройденной очистки. Одним из таких способов контроля являются методы хроматографии.
Метод хроматографии основан на динамическом процессе распределения веществ между двумя фазами — неподвижной (твёрдая фаза или жидкость, связанная на инертном носителе) и подвижной (газовая или жидкая фаза, элюент). В зависимости от природы взаимодействия компонентов смеси с неподвижной и подвижной фазами и индивидуальных свойств, компоненты движутся с различной скоростью, что позволяет разделять их между собой.
Существуют различные способы классификации хроматографических методов: по физическому состоянию подвижной фазы (газовая и жидкостная хроматографии), по технике выполнения хроматографического разделения (колоночная, плоскостная, хроматография в полях сил), по природе взаимодействия разделяемых компонентов с неподвижной фазой (адсорбционная, ионообменная, эксклюзионная и др.)
[2]
На сегодняшний день при анализе качества воды используют как газовую, так и жидкостную хроматографию. Приэтом выделяют в каждом из методов анализа выделяют свои разновидности. В газовой разделение идет по виду детектора. В житкостной по механизму взаимодействия разделяемого вещества (элюата) с неподвижной фазой. В таблице 1 представлены основные виды хроматогафии, используемые при оценке качества очистки сточных воды на нефтепромысле.
Таблица 1 – Виды хроматографии для оценки качества непромышленных сточных вод
|
Вид газовой/жидкостной хроматографии |
Оценеваемый компонент |
Примечания |
|
Газовая хроматография |
||
|
пламенно-ионизационный детектор (ПИД) |
Универсальный. Определение содержа ния органических веществ в сложной их смеси |
Однако, молекулы с малым содержанием связей C-H. Так имеющиеся в молекуле гетероатомы (полигалогенметаны, полигалогенбен- золы и др.), характеризуются невысоким уровнем сигнала на хроматограмме. [3] |
|
детектор электронного захвата (ЭЗД) |
Селективный. Определение хлорорганических пестицидов, полихло рированных бифенил, галогенметанов |
При этом возникают трудности, связанные с недостаточной его селективностью (в частности, с невозможностью различать галогенсодержащие соединения между собой). А также чувствительность к изменениям температуры. Сравнительно невысокий верхний температурный предел использования и ограниченный линейный диапазон |
|
Термоионный детектор (ТИД) |
Селективный. Идентификация азот- и фосфор органических соединений, и для анализа смесей с углеводородами |
превосходит чувствительность ПИД на 2-4 порядка к соединениям, содержащим такие гетероатомы, как азот и фосфор[3] |
|
пламенно-фотометрический детектор (ПФД) |
Селективный к серо- и фосфорсодержащим соединениям. |
При необходимости различить эти элементы используют разные интерференционные фильтры. Так, при использовании интерференционного фильтра на фосфор селективность к фосфору относительно серы выше в 5-10 раз. А при использовании интерференционного фильтра для серы селективность к сере относительно фосфора выше в 100 раз. [3] |
|
Фотоионизационный детектор (ФИД) |
Высокая селективность по отношению к полициклическим ароматическим углеводородам, а также к летучим органическим соединениям, содержащим атомы серы и фосфора. |
Использование воздуха в качестве газа-носи теля и отсутствие пламени дают ФИД существен ные преимущества по сравнению с ПИД. Однако, нижний предел детектирования для большинства органических соединений у ФИД в 10-30 раз ниже, чем у ПИД. |
|
Масс-селективный детектор (МСД) |
возможность определения молекулярной массы неизвестного вещества и количественное определение пикограммовых уровней концентраций. То есть можно определить качественный и количественный состав загрязнений в воде |
Разработано и включено в число стандартных большое число методик по определению с помощью системы КГХ/МС супертоксикантов (диоксинов, дибензофуранов. ПАУ. ПХБ, пестицидов, хлорфенолов и др.) в воде, предельно допустимые концентрации которых имеют низкие значения[3] |
|
Детектор инфракрасной спектроскопии с преобразованием Фурье (ИФС) |
Универсальный. Сложные смеси различных компонентов |
Идентификация компонентов сложных смесей основано на том, что ИК-спектры характерны для каждого индивидуального вещества. Если молекула интенсивно поглощает ИК-излучение, спектры могут быть получены при поступлении в детектор в количестве 1нг вещества. Из-за своей относительно низкой чувствительности для повышения надежности качественного анализа система КГХ/ИФС в основном используется в сочетании с другими спектральными методами. |
|
Атомно-эмиссионный детектор (АЭД) |
В настоящее время уже разработаны методики для количествен ного определения в воде большого числа соединений,содержащих атомы С, Н, О, N. F. CI, Br, I. S, Р. Sn, Si. Hg. Pb. As, Se, Sb, Ni. Со, V, Fb. Cu. Mn Кроме того, имеется возможность регистрации изотопного состава элементов анализируемых веществ |
Основные характеристики АЭД – минимально детектируемые уровни определения для различных элементов, селективность и линейный динамический диапазон. Сравнение этих величин с характеристиками других детекторов свидетельствует об универсальности АЭД. Так как минимально детектируемый уровень (МДУ) АЭД колеблется от 0,2 пг/с до 50 пг/с в зависимости от элемента. [3] |
|
жидкостная хроматография |
||
|
Высокоэффективная жикостная хроматография |
определение летучих и малолетучих фенольных соединений, полициклических ароматических углеводородов, азотсодержащие гетероциклические углеводороды |
ВЭЖХ является вариантом колоночной жидкостной хроматографии. Подвижная фаза — элюент — проходит через колонку, заполненную сорбентом, с большей скоростью за счет значительного давления на входе в хроматографическую колонку. ВЭЖХ является удобным способом разделения и проведения количественного и качественного анализа нелетучих термолабильных соединений с малой и большой молекулярной массой. |
|
Ионная жидкостная хроматография |
анионов неорганических кислот (HCl, HNO, H2S, H3BO3); моно- и дикарбоновых кислот; щелочных и щелочноземельных металлов; анионных комплексов переходных металлов; оксоанионов; алифатических аминов; оксидов азота, серы и фосфора. [4] |
Предназначена для разделения катионов и анионов на ионообменниках низкой емкости. Она позвояет определять большое число неорганических и органических ионов, а также одновременно определять катионы и анионы. Обладает высокая чувствительность (до 1 нгмл без предварительного концентрирования), высокой селективностью и экспрессность. Во многих случаях нет необходимости предварительной пробоподготовки. Однако она обладает более низкая по сравнению с ВЭЖХ эффективность разделения. А также необходимостью высокой коррозионной стойкости металлических деталей хроматографа особенно при определении катионов. |
Приэтом следует отметить, что разновидностей жидкостной хроматографии довольно много. Однако важной особенностью остальных методов является то, что нужно грамотно подбирать элюент в зависимоти от состава исследуемой пробы. Но не всегда возможно с уверенностью сказать какие компоненты будут присутствовать в исследуемом образце. Таким образом, нами подобраны наиболее распространенные виды хроматографического анализа для оценки качества воды с нефтепромысла.
С каждым годом к хроматографическому анализу прибегают все большее и большее количество людей. Это происходит благодаря тому, что для каждого конкретного производства можно подобрать наиболее точный вид хроматографа. Поэтому не удивительно, что сегодня существует в мире и в России более 100 компаний, производящих различные виды хроматографов. Только в России более 50 производств, создающих хроматографическое оборудование. Однако лидирующие позиции на мировом рынке, исходя из анализа интернет-источников, держат фирмы «Agilent Technologies Inc.» (США), «Shimadzu» (Япония), ЗАО СКБ «Хроматек» (Россия), «Thermo Fisher Scientific» (США), Bruker (Германия) и Люмэкс (Россия).
Таким образом, в современности метод анализа качества очистки промышленных сточных вод с помощью хроматографов нашел свое применение во многих отралях промышленности и в частности в нефтегазовой сфере. Благодаря возможности подобора эффективного вида хроматогрофа для различных производств, компании топливно-энергетического комплекса могут следить за качеством работы своих очистных сооружений. А также в случае обнаружения превышения предельно допустимых концентраций (ПДК) компонентов незамедлительно принять соответствующие меры.
Список литературы:
Xiulan Zhu, Yanlong Ran, Wenjie Guo, Ke Gai1, Yanju Li1, Caini Yan , and Baobao Ding. Optimization of reinjection treatment technology for oilfield wastewater in Longdong area // E3S Web of Conferences 194, № 04046 – 2020. URL: Optimization of reinjection treatment technology for oilfield wastewater in Longdong area | E3S Web of Conferences (e3s-conferences.org) (датаобращения 30.10.2021)
Что такое хроматография? Типы и применение URL: https://new-science.ru/chto-takoe-hromatografiya-tipy-i-primeneniya/ (дата обращения 30.10.2021)
Вождаева М.Ю., Цыпышева Л.Г., Кантор Л.И., Кантор Е.А. Анализ органических загрязнителей воды методами газовой хроматографии с различными видами детектирования // М.Ю. Вождаева, Л.Г. Цыпышева и др.// - Аналитика и контроль – Т5. - №2. – 2001 – Уфа. 171-185 С.
Илларионова Е. А., Сыроватский И. П. Высокоэффективная жидкостная хроматография. теоретические основы метода: Учебное пособие.- Иркутск, 2018. – 50 с.