Помощь студентам в учебе
Очистка водных сред от нефтепродуктов модифицированным отходом переработки пшеницы
|
ВВЕДЕНИЕ 7
1. ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР 11
1.1 Загрязнение нефтью и нефтепродуктами природных вод 11
1.2 Сорбенты для очистки воды от нефти 19
1.3 Альтернативные сорбционные материалы для очистки нефтезагрязненных вод 20
1.3.1 Использование растительных отходов для очистки водных сред от нефти
и нефтепродуктов 21
1.4 Получение сорбентов с заданными свойствами 24
2 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ 34
2.1 Определение свойств и состава исследуемого сорбционного материала..34
2.2 Определение основных свойств сорбатов 35
2.3 Термообработка сорбционных материалов 35
2.4 Обработка сорбционных материалов растворами кислот 36
2.5Обработка сорбционных материалов высокочастотной плазмой пониженного давления 37
2.6 Определение сорбционной емкости образцов по нефтепродуктам 38
2.7 Удаление пленок нефти с водной поверхности 38
2.8 Определение водопоглощения сорбционных материалов 39
2.9 Инструментальные методы анализа 39
2.9.1 Получение изображений поверхности материала с использованием атомно-силового микроскопа 39
2.9.2 Методика инфракрасного спектроскопического анализа 40
2.10 Метрологическая проработка результатов исследования 40
3. РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЯ 42
3.1 Исследование эффективности применения оболочек зерен пшеницы для очистки водных объектов от нефти и нефтепродуктов 42
3.2 Исследование физико-химических характеристик оболочек зерен пшеницы 45
3.3 Определение сорбционной емкости образцов по нефтепродуктам 46
3.3.1 Определение нефтеемкости сорбента в статических условиях 46
3.3.2 Определение нефтеемкости сорбента в динамических условиях 48
3.4 Термообработка сорбционного материала. Определение водопоглощения
и нефтеемкости термообработанных образцов 49
3.5 Использование образцов, модифицированных растворами кислот для
удаления нефти с поверхности воды 51
3.6 Изучение влияния плазменной обработки образцов оболочек зерен пшеницы на эффективность удаления пленок нефти 55
3.7 Исследование влияния модификации на состав и структуру оболочек зерен пшеницы 63
3.7.1 ИК-спектрометрические исследования образцов после модификации 63
3.7.2 Определение удельной поверхности материалов и микроскопические
исследования 64
3.7.2.1 Исследование образцов оболочек зерен пшеницы, модифицированных растворами кислот 64
3.7.2.2 Микроскопические исследования образцов, модифицированных
высокочастотной плазмой 65
4.РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ОБОЛОЧЕК ЗЕРЕН ПШЕНИЦЫ В КАЧЕСТВЕ СОРБЦИОННОГО МАТЕРИАЛА 67
4.1 Полупромышленные испытания отходов переработки пшеницы для использования в локальных очистных сооружениях и очистки поверхностного водоисточника, находящихся в зоне нефтедобычи 67
4.2 Утилизация отходов при ликвидации разливов нефти 68
4.3 Техническое решение по использованию оболочек зерен пшеницы в качестве сорбента 70
5 ОХРАНА ТРУДА И ТЕХНИКА БЕЗОПАСНОСТИ 72
5.1 Основные правила безопасной работы в лаборатории 73
5.2 Основные правила безопасной работы с химическими веществами 74
5.2.1 Особенности работы со взрывчатыми веществами 74
5.2.2 Работа с кислотами и щелочами 75
5.2.3 Работа с ртутью 76
5.2.4 Работа с твердыми веществами 78
5.2.5 Работа с ядовитыми газообразными веществами 79
5.3 Основные правила противопожарной безопасности 79
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 81
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ 82
ПРИЛОЖЕНИЕ 95
1. ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР 11
1.1 Загрязнение нефтью и нефтепродуктами природных вод 11
1.2 Сорбенты для очистки воды от нефти 19
1.3 Альтернативные сорбционные материалы для очистки нефтезагрязненных вод 20
1.3.1 Использование растительных отходов для очистки водных сред от нефти
и нефтепродуктов 21
1.4 Получение сорбентов с заданными свойствами 24
2 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ 34
2.1 Определение свойств и состава исследуемого сорбционного материала..34
2.2 Определение основных свойств сорбатов 35
2.3 Термообработка сорбционных материалов 35
2.4 Обработка сорбционных материалов растворами кислот 36
2.5Обработка сорбционных материалов высокочастотной плазмой пониженного давления 37
2.6 Определение сорбционной емкости образцов по нефтепродуктам 38
2.7 Удаление пленок нефти с водной поверхности 38
2.8 Определение водопоглощения сорбционных материалов 39
2.9 Инструментальные методы анализа 39
2.9.1 Получение изображений поверхности материала с использованием атомно-силового микроскопа 39
2.9.2 Методика инфракрасного спектроскопического анализа 40
2.10 Метрологическая проработка результатов исследования 40
3. РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЯ 42
3.1 Исследование эффективности применения оболочек зерен пшеницы для очистки водных объектов от нефти и нефтепродуктов 42
3.2 Исследование физико-химических характеристик оболочек зерен пшеницы 45
3.3 Определение сорбционной емкости образцов по нефтепродуктам 46
3.3.1 Определение нефтеемкости сорбента в статических условиях 46
3.3.2 Определение нефтеемкости сорбента в динамических условиях 48
3.4 Термообработка сорбционного материала. Определение водопоглощения
и нефтеемкости термообработанных образцов 49
3.5 Использование образцов, модифицированных растворами кислот для
удаления нефти с поверхности воды 51
3.6 Изучение влияния плазменной обработки образцов оболочек зерен пшеницы на эффективность удаления пленок нефти 55
3.7 Исследование влияния модификации на состав и структуру оболочек зерен пшеницы 63
3.7.1 ИК-спектрометрические исследования образцов после модификации 63
3.7.2 Определение удельной поверхности материалов и микроскопические
исследования 64
3.7.2.1 Исследование образцов оболочек зерен пшеницы, модифицированных растворами кислот 64
3.7.2.2 Микроскопические исследования образцов, модифицированных
высокочастотной плазмой 65
4.РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ОБОЛОЧЕК ЗЕРЕН ПШЕНИЦЫ В КАЧЕСТВЕ СОРБЦИОННОГО МАТЕРИАЛА 67
4.1 Полупромышленные испытания отходов переработки пшеницы для использования в локальных очистных сооружениях и очистки поверхностного водоисточника, находящихся в зоне нефтедобычи 67
4.2 Утилизация отходов при ликвидации разливов нефти 68
4.3 Техническое решение по использованию оболочек зерен пшеницы в качестве сорбента 70
5 ОХРАНА ТРУДА И ТЕХНИКА БЕЗОПАСНОСТИ 72
5.1 Основные правила безопасной работы в лаборатории 73
5.2 Основные правила безопасной работы с химическими веществами 74
5.2.1 Особенности работы со взрывчатыми веществами 74
5.2.2 Работа с кислотами и щелочами 75
5.2.3 Работа с ртутью 76
5.2.4 Работа с твердыми веществами 78
5.2.5 Работа с ядовитыми газообразными веществами 79
5.3 Основные правила противопожарной безопасности 79
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 81
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ 82
ПРИЛОЖЕНИЕ 95
Современное развитие промышленности, в первую очередь, химической, нефтедобывающей и нефтехимической отраслей вызвало масштабное загрязнение гидросферы. При кажущихся значительных объемах пресных водных ресурсов, в экономически развитых регионах ощущается дефицит воды с нормативным качеством [1].
На сегодняшний день вопрос защиты водных объектов от различных поллютантов стоит весьма остро. К числу наиболее опасных групп веществ, загрязняющих биосферу относятся нефть и нефтепродукты (НП). При недостаточной очистке стоков от нефти и НП, последние попадая в водоемы, отрицательно влияют на обитающие в них микроорганизмы, водоросли, гидробионты и могут вызывать их гибель. Основными источниками данных загрязнений являются добывающие и нефтеперерабатывающие предприятия, все виды транспорта, хранения и реализации нефти и НП.
Республика Татарстан (РТ) относится к числу регионов Российской Федерации с развитой нефтедобывающей, нефтеперерабатывающей отраслями промышленности. На базе разведанных запасов созданы и функционируют мощные нефтедобывающие и нефтехимические комплексы. Как следствие развития добычи и переработки нефти, развита и транспортная система нефти и НП, в том числе трубопроводная, речная, железнодорожная, автомобильная. Созданный территориальный промышленный комплекс является основным источником загрязнения окружающей среды нефтью и НП. Последние попадают в окружающую среду как со сточными водами (СВ) предприятий, так в результате аварийных разливов в системах перекачки и транспортировки на нефтяных терминалах и нефтебазах, в хранилищах нефтепродуктов, на автозаправочных комплексах и станциях.
Данная проблема наносит невосполнимый урон во всех сферах деятельности. Наибольшую опасность при разливе нефти представляет распространение ее на большие территории, приводящее к нарушениям нормального функционирования экологических систем в течение длительного периода времени. Для решения этой проблемы необходимо выбрать наиболее
эффективный методы локализации, ликвидации разливов и очистки стоков от нефти и НП.
В настоящее время накоплен значительный опыт решения данных задач. Предпочтение отдается сорбционным методам. Сорбция позволяет добиться глубокой очистки воды до норм ПДК вредных веществ в воде промышленного, оборотного, санитарно-бытового и рыбохозяйственного назначения с одновременной утилизацией или регенерацией извлеченных компонентов.
В большинстве случаев наилучших результатов очистки от НП достигают синтетические сорбенты, которым свойственны высокие сорбционные свойства и их можно рекуперировать. Однако синтетические сорбенты имеют высокую стоимость и попав в окружающую среду сами являются загрязнителями. Сорбенты должны соответствовать природоохранным требованиям. Они должны быть доступными, недорогими, нетоксичными, легкоутилизируемыми и не наносить вред окружающей среде. Наиболее привлекательны сорбционные материалы (СМ) из отходов переработки растительного сырья, так как в наибольшей степени соответствуют экологическим требованиям, потому как являются органической частью существующих экосистем [2].
В настоящей квалификационной работе исследовалась возможность сорбционной очистки нефтезагрязненных вод с применением в качестве СМ оболочек зерен пшеницы (ОЗП), образующихся в результате шелушения зерна. Таким образом, ОЗП из отхода производства переводится в разряд вторичного сырья, что также актуализирует работу в экологическом плане.
Цель работы состояла в поиске решений и методов снижения антропогенного воздействия на окружающую среду в результате попадания НП в водные объекты с использованием отходов от переработки сельскохозяйственных культур.
Задачи исследования:
1. Исследование сорбционных свойств ОЗП и процесса взаимодействия их с нефтью и НП.
2. Исследование сорбционных свойств ОЗП в качестве сорбционного материала модифицированного растворами кислот и высокочастотной плазмой.
3. Разработка технологического решения по использованию ОЗП в качестве СМ.
Научная новизна квалификационной работы подтверждается следующими положениями, выносимыми на защиту:
- раскрыты закономерности механизма удаления нефти из водных сред отходом переработки пшеницы. Определено, что взаимодействие последних происходит по адгезионному механизму;
- установлены способы увеличения сорбционной емкости по отношению к нефти и гидрофобных характеристик ОЗП. В частности, установлено, что обработка ОЗП 3 % растворами кислот приводит к повышению сорбционных свойств ОЗП за счет вымывания низкомолекулярных фрагментов материала;
- выявлено, что модификация высокочастотной (ВЧ) плазмой пониженного давления способствует усилению гидрофобных свойств образцов и увеличению сорбционной емкости по отношению к нефти, и как следствие, повышению степени очистки водных объектов.
Практическая значимость работы.
Предложено использование отхода от переработки зерен пшеницы для очистки водных сред от нефти и НП.
Разработана технологическая схема процесса очистки водного потока малой дебетности от нефти и НП при использовании плазмообработанных ОЗП. Проведены испытания по очистке сточных вод на очистных сооружениях с загрузкой ОЗП в качестве СМ в ООО «ТатНефтеСервис». Результаты промышленных испытаний показали, что при использовании ОЗП в качестве сорбционной загрузки нефтеулавливающих конструкций содержание НП снижается в 23,2 раза.
Достоверность полученных результатов обеспечивается применением стандартных экспериментальных методик и метрологическими характеристиками поверенных измерительных приборов.
Апробация работы. Основные результаты работы докладывались на: Всероссийской научно-практической конференции «Х Камские чтения» (г. Набережные Челны, 2018г.); Итоговой научно - образовательной конференции студентов Набережночелнинского института КФУ (г.Набережные Челны, 2019г.).
Публикации. Основные положения квалификационной работы опубликованы в печати в 2 статьях.
Предмет исследования - сорбционные свойства оболочек зерен пшеницы по отношению к нефти и нефтепродуктам.
Объект исследования - отходы сельскохозяйственных культур в виде оболочек зерен пшеницы.
Методы исследования, используемые в данной работе:
гравиметрический; ИК -спекроскопический; сканирующая микроскопия.
Структура диссертационной работы.
В 1-ой главе приведен литературный обзор с описанием антропогенных источников загрязнения водных объектов нефтью и НП, традиционно применяемых методов очистки водных сред содержащих нефть и НП. Рассмотрены сорбционные методы с использованием в качестве СМ отходов растительного происхождения. Рассмотрены наиболее эффективные способы модификации СМ с целью увеличения сорбционной емкости и придания гидрофобных свойств. Целенаправленный литературный обзор позволил сформулировать цель и задачи диссертационной работы.
Во 2-ой главе описаны методики проведения экспериментов.
В 3-ей главе приведены данные по массе НП и взвешенных веществ поступающие в водоемы Российской Федерации, данные о количестве образующихся оболочек зерен пшеницы в РТ. Данная глава, также посвящена обсуждению результатов экспериментов по влиянию параметров химической и плазменной модификации исследуемых сорбционных материалов на нефте- и водопоглощающие свойства ОЗП.
В 4 главе приведены данные промышленных испытаний по очистке сточных вод на очистных сооружениях с загрузкой ОЗП в качестве СМ в ООО «ТатНефтеСервис». Определены технологические параметры применения ОЗП в качестве СМ.
В 5 главе рассмотрены охрана труда и техника безопасности при работе в химической лаборатории.
На сегодняшний день вопрос защиты водных объектов от различных поллютантов стоит весьма остро. К числу наиболее опасных групп веществ, загрязняющих биосферу относятся нефть и нефтепродукты (НП). При недостаточной очистке стоков от нефти и НП, последние попадая в водоемы, отрицательно влияют на обитающие в них микроорганизмы, водоросли, гидробионты и могут вызывать их гибель. Основными источниками данных загрязнений являются добывающие и нефтеперерабатывающие предприятия, все виды транспорта, хранения и реализации нефти и НП.
Республика Татарстан (РТ) относится к числу регионов Российской Федерации с развитой нефтедобывающей, нефтеперерабатывающей отраслями промышленности. На базе разведанных запасов созданы и функционируют мощные нефтедобывающие и нефтехимические комплексы. Как следствие развития добычи и переработки нефти, развита и транспортная система нефти и НП, в том числе трубопроводная, речная, железнодорожная, автомобильная. Созданный территориальный промышленный комплекс является основным источником загрязнения окружающей среды нефтью и НП. Последние попадают в окружающую среду как со сточными водами (СВ) предприятий, так в результате аварийных разливов в системах перекачки и транспортировки на нефтяных терминалах и нефтебазах, в хранилищах нефтепродуктов, на автозаправочных комплексах и станциях.
Данная проблема наносит невосполнимый урон во всех сферах деятельности. Наибольшую опасность при разливе нефти представляет распространение ее на большие территории, приводящее к нарушениям нормального функционирования экологических систем в течение длительного периода времени. Для решения этой проблемы необходимо выбрать наиболее
эффективный методы локализации, ликвидации разливов и очистки стоков от нефти и НП.
В настоящее время накоплен значительный опыт решения данных задач. Предпочтение отдается сорбционным методам. Сорбция позволяет добиться глубокой очистки воды до норм ПДК вредных веществ в воде промышленного, оборотного, санитарно-бытового и рыбохозяйственного назначения с одновременной утилизацией или регенерацией извлеченных компонентов.
В большинстве случаев наилучших результатов очистки от НП достигают синтетические сорбенты, которым свойственны высокие сорбционные свойства и их можно рекуперировать. Однако синтетические сорбенты имеют высокую стоимость и попав в окружающую среду сами являются загрязнителями. Сорбенты должны соответствовать природоохранным требованиям. Они должны быть доступными, недорогими, нетоксичными, легкоутилизируемыми и не наносить вред окружающей среде. Наиболее привлекательны сорбционные материалы (СМ) из отходов переработки растительного сырья, так как в наибольшей степени соответствуют экологическим требованиям, потому как являются органической частью существующих экосистем [2].
В настоящей квалификационной работе исследовалась возможность сорбционной очистки нефтезагрязненных вод с применением в качестве СМ оболочек зерен пшеницы (ОЗП), образующихся в результате шелушения зерна. Таким образом, ОЗП из отхода производства переводится в разряд вторичного сырья, что также актуализирует работу в экологическом плане.
Цель работы состояла в поиске решений и методов снижения антропогенного воздействия на окружающую среду в результате попадания НП в водные объекты с использованием отходов от переработки сельскохозяйственных культур.
Задачи исследования:
1. Исследование сорбционных свойств ОЗП и процесса взаимодействия их с нефтью и НП.
2. Исследование сорбционных свойств ОЗП в качестве сорбционного материала модифицированного растворами кислот и высокочастотной плазмой.
3. Разработка технологического решения по использованию ОЗП в качестве СМ.
Научная новизна квалификационной работы подтверждается следующими положениями, выносимыми на защиту:
- раскрыты закономерности механизма удаления нефти из водных сред отходом переработки пшеницы. Определено, что взаимодействие последних происходит по адгезионному механизму;
- установлены способы увеличения сорбционной емкости по отношению к нефти и гидрофобных характеристик ОЗП. В частности, установлено, что обработка ОЗП 3 % растворами кислот приводит к повышению сорбционных свойств ОЗП за счет вымывания низкомолекулярных фрагментов материала;
- выявлено, что модификация высокочастотной (ВЧ) плазмой пониженного давления способствует усилению гидрофобных свойств образцов и увеличению сорбционной емкости по отношению к нефти, и как следствие, повышению степени очистки водных объектов.
Практическая значимость работы.
Предложено использование отхода от переработки зерен пшеницы для очистки водных сред от нефти и НП.
Разработана технологическая схема процесса очистки водного потока малой дебетности от нефти и НП при использовании плазмообработанных ОЗП. Проведены испытания по очистке сточных вод на очистных сооружениях с загрузкой ОЗП в качестве СМ в ООО «ТатНефтеСервис». Результаты промышленных испытаний показали, что при использовании ОЗП в качестве сорбционной загрузки нефтеулавливающих конструкций содержание НП снижается в 23,2 раза.
Достоверность полученных результатов обеспечивается применением стандартных экспериментальных методик и метрологическими характеристиками поверенных измерительных приборов.
Апробация работы. Основные результаты работы докладывались на: Всероссийской научно-практической конференции «Х Камские чтения» (г. Набережные Челны, 2018г.); Итоговой научно - образовательной конференции студентов Набережночелнинского института КФУ (г.Набережные Челны, 2019г.).
Публикации. Основные положения квалификационной работы опубликованы в печати в 2 статьях.
Предмет исследования - сорбционные свойства оболочек зерен пшеницы по отношению к нефти и нефтепродуктам.
Объект исследования - отходы сельскохозяйственных культур в виде оболочек зерен пшеницы.
Методы исследования, используемые в данной работе:
гравиметрический; ИК -спекроскопический; сканирующая микроскопия.
Структура диссертационной работы.
В 1-ой главе приведен литературный обзор с описанием антропогенных источников загрязнения водных объектов нефтью и НП, традиционно применяемых методов очистки водных сред содержащих нефть и НП. Рассмотрены сорбционные методы с использованием в качестве СМ отходов растительного происхождения. Рассмотрены наиболее эффективные способы модификации СМ с целью увеличения сорбционной емкости и придания гидрофобных свойств. Целенаправленный литературный обзор позволил сформулировать цель и задачи диссертационной работы.
Во 2-ой главе описаны методики проведения экспериментов.
В 3-ей главе приведены данные по массе НП и взвешенных веществ поступающие в водоемы Российской Федерации, данные о количестве образующихся оболочек зерен пшеницы в РТ. Данная глава, также посвящена обсуждению результатов экспериментов по влиянию параметров химической и плазменной модификации исследуемых сорбционных материалов на нефте- и водопоглощающие свойства ОЗП.
В 4 главе приведены данные промышленных испытаний по очистке сточных вод на очистных сооружениях с загрузкой ОЗП в качестве СМ в ООО «ТатНефтеСервис». Определены технологические параметры применения ОЗП в качестве СМ.
В 5 главе рассмотрены охрана труда и техника безопасности при работе в химической лаборатории.
1. При проведении исследований по определению сорбционной способности оболочек зерен пшеницы по отношению к нефти и НП в статических и динамических условия выявлено, что наибольшая нефтеемкость достигается при использовании в качестве сорбата карбоновой нефти. Также определено водопоглощение исследуемого СМ в статических условиях.
2. При проведении исследований по определению сорбционной способности модифицированных ОЗП выявлено, что обработка исследуемого СМ высокочастотной низкотемпературной плазмой пониженного давления приводит к изменению структуры и активизации поверхности ОЗП не приводя к изменению состава исследуемого СМ.
3. Разработана технологическая схема процесса очистки водного потока малой дебетности от нефти и НП. Данный способ очистки испытан на локальных очистных сооружениях ООО «ТатНефтеСервис». (г.Альметьевск). По результатам промышленных испытаний выявлено, что использование плазмообработанных ОЗП в качестве сорбционной загрузки нефтеулавливающих конструкций содержание НП снижается в 23,2 раза.
2. При проведении исследований по определению сорбционной способности модифицированных ОЗП выявлено, что обработка исследуемого СМ высокочастотной низкотемпературной плазмой пониженного давления приводит к изменению структуры и активизации поверхности ОЗП не приводя к изменению состава исследуемого СМ.
3. Разработана технологическая схема процесса очистки водного потока малой дебетности от нефти и НП. Данный способ очистки испытан на локальных очистных сооружениях ООО «ТатНефтеСервис». (г.Альметьевск). По результатам промышленных испытаний выявлено, что использование плазмообработанных ОЗП в качестве сорбционной загрузки нефтеулавливающих конструкций содержание НП снижается в 23,2 раза.
Подобные работы
- Сорбция нефти и нефтепродуктов модифицированными отходами деревообрабатывающего производства
Магистерская диссертация, техносферная безопасность. Язык работы: Русский. Цена: 4960 р. Год сдачи: 2018 - Получение и свойства нефтесорбентов на основе отходов деревообработки
Магистерская диссертация, техносферная безопасность. Язык работы: Русский. Цена: 4955 р. Год сдачи: 2018 - Применение отходов деревообработки липы (Tilia cordata) и их химических модификатов для очистки нефтезагрязненных вод
Бакалаврская работа, техносферная безопасность. Язык работы: Русский. Цена: 4295 р. Год сдачи: 2016