ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССА ОЧИСТКИ СТОЧНЫХ ВОД С ПОМОЩЬЮ ХИМИЧЕСКИ МОДИФИЦИРОВАННОГО ТОРФА

Сточные воды нефтехимических предприятий — это сложные многокомпонентные растворы, содержащие соли, нефтепродукты, масла и смолы, поверхностно-активные вещества и другие загрязнители. Процесс их очистки должен быть эффективным, с применением недорогих реагентов, в качестве которых может служить химически модифицированный торф.

Большие запасы торфа расположены в Северной части Северного полушария, особенно на территории Тюменской области. Торф содержит разнообразные компоненты, благодаря которым он может вступать в ионный обмен. Это свойство может быть использовано в процессе очистки сточных вод. Сравнительный анализ Тобольского и Верхне-Пышминского торфа на способность к ионному обмену при очистке сточных вод и определил актуальность исследования.

 Цель исследования – получение химически модифицированных форм торфа, обладающих улучшенными по сравнению с исходным природным материалом свойствами.

Объект исследования — процесс очистки сточных вод нефтехимических заводов при помощи химически модифицированного торфа.

В соответствии с целью была сформулирована рабочая гипотеза: если провести химическую модификацию торфа различными соединениями, то можно выявить метод химической модификации, который приведет к увеличению обменной емкости торфа и эффективной очистке сточных вод.

В процессе исследования было необходимо решить следующие задачи:

1)  Провести анализ химического состава, свойств и строения торфа и его ионообменных свойств;

2)  Рассмотреть химический состав и методы очистки сточных вод на предприятиях;

3)  Выявить методы химической модификации образцов торфа, провести количественный анализ сточных вод и апробировать методики применения в лабораторной практике;

4)  Исследовать эффективность образцов торфа для очистки точных вод от хлоридов, солей жесткости и окисляемости воды.

Практическое значение и научная новизна. Были исследованы образцы Тобольского и Верхне-Пышминского торфа на предмет изучения их обменной емкости до и после химической модификации, и его способности к очистке некоторых компонентов сточных вод нефтеперерабатывающих заводов.

По данным X Международного конгресса по торфу, состоявшегося в 1996 году, торфяные болота покрывают 4 млн км всей поверхности суши. Из них 14 % или 570000 км находятся на территории России. Природным феноменом называют процесс торфообразования на Западно-Сибирской равнине. Это крупнейший торфяной регион мира с площадью торфяных месторождений в границах промышленной глубины залежи более 3000 км с запасами торфа 108 млрд. тонн, что составляет около 39 % мировых ресурсов. Вместе с тем Западная Сибирь относится к территории слабоизученных запасов торфа. Детальной разведкой охвачено 1,3 % торфяных месторождений. Более 90 % общих торфяных ресурсов являются прогнозируемыми. Таким образом, огромные запасы растительного сырья, накопленные за многие тысячелетия в торфяных месторождениях, возможность получения на его основе целой гаммы продуктов свидетельствуют о чрезвычайной актуальности проблемы его рационального использования.

Торф представляет собой смесь продуктов неполного превращения остатков наземных и болотных растений, видимых невооруженным глазом, с продуктами более глубокого превращения исходных растений, имеющих вид однородной аморфной массы. Разрушение органического вещества растений характеризуется степенью разложения, то есть отношением количества бесструктурной части к общему количеству торфа. Она является важнейшим показателем качественной характеристики торфа и колеблется в пределах 5—70.

Растения-торфообразователи имеют в своем составе: протеин (1—30 %), жиры, воска, масла (1—30 %), целлюлозу и инкрустирующие вещества (10—50 %), лигнин (10—30 %). Элементарный состав растений-торфообразователей колеблется менее существенно и состоит из углерода (50—53 %), водорода (5,5—6,5 %) и азота (0,8—1,9 %). Торф состоит из тех же групп веществ, что и растения-торфообразования, но к ним добавляется новый класс соединений — гуминовые вещества.

Гуминовые вещества (ГВ) — это сложные смеси устойчивых к биодеструкции высокомолекулярных темно-окрашенных органических соединений природного происхождения, образующихся при разложении растительных и животных остатков под действием микроорганизмов и абиотических факторов среды. Общепринятая классификация ГВ основана на различии в растворимости в кислотах и щелочах. Согласно этой классификации ГВ подразделяют на три составляющие: гумин — неизвлекаемый остаток, не растворимый ни в щелочах, ни в кислотах; гуминовые кислоты (ГК) — фракция ГВ, растворимая в щелочах и нерастворимая в кислотах (при рН < 2); фульвокислоты (ФК) — фракция ГВ, растворимая и в щелочах, и в кислотах. В качестве обобщающего названия, обозначающего как гуминовые, так и фульвокислоты, применяют термин «гумусовые кислоты» (здесь и далее — ГФК). Основными элементами, образующими молекулы ГФК, являются углерод, водород и кислород. Азот и сера содержатся на уровне 1—5 % , обязательной составной частью являются микроэлементы и вода. Брутто-формулу ГФК можно записать в общем виде следующим образом:

C_xH_yN_zO_pS_qM_r(Al₂O₃)_i(SiO₂)_m(H₂O)_n,

где: М — ионы металлов, x, y, z, p, q, l, m, n — стехиометрические коэффициенты.

Согласно наиболее общим представлениям, макромолекулы гумусовых кислот состоят из «каркасной» и периферической части. Каркасная часть представлена высокозамещенными ароматическими фрагментами, соединенными алкильными, эфирными и др. мостиками. Химическая структура каркасной части торфа приведена на рисунке 1. Преобладающими заместителями являются кислородсодержащие функциональные группы: карбоксильные, фенольные и спиртовые гидроксильные, карбонильные и метоксильные. Периферийная часть представлена углеводно-протеиновым комплексом, ковалентно связанным с каркасной частью.

Рисунок 1. Химическая структура каркасной части торфа

Наличие большого количества функциональных групп в составе как ароматического каркаса, так и алифатической периферии, обеспечивает высокую комплексообразующую способность ГВ и их способность участвовать в окислительно-восстановительных реакциях. Благодаря этому ГВ оказывают значительное влияние на поведение тяжелых металлов и органических загрязняющих веществ в почвенных и водных системах, а также на способность очистки сточных вод от загрязнений.

Применение и получение в различных технологических процессах разнообразных химических продуктов (исходных, промежуточных и конечных) обуславливает образование сточных вод, загрязненных всевозможными органическими и неорганическими соединениями.

Сточные воды — это чрезвычайно сложные многокомпонентные растворы, содержащие растворимые и нерастворимые вещества, агрессивные, токсичные, пожаро- и взрывоопасные. В сточных водах нередко содержатся вещества, обладающие резким неприятным запахом (сульфиды, дисульфиды, сероводород, меркаптаны и др.). Наличие в сточных водах взвешенных, способных к полимеризации и образованию накипи веществ может приводить к засорению трубопроводов и коллекторов, а поверхностно-активных веществ — к интенсивному пенообразованию.

Все сточные воды выводятся с территории химических предприятий по канализационной сети закрытых трубопроводов и каналов. При этом во избежание смешения сточных вод разных составов, как правило, применяется полная раздельная система их канализации.

Для сокращения водопотребления и уменьшения загрязнения водоемов на заводах также применяют замкнутые водооборотные циклы. Такие циклы создают с помощью локальных водоочистных систем, основанных на электрохимических, ионообменных и других современных методах очистки вод и на утилизации их компонентов. Очистку сточных вод химических производств осуществляют механическими, физико-химическими, биохимическими и термическими методами.

Методы удаления загрязнений из промышленных сточных вод должны быть и просты и эффективны. Одним из путей достижения этого является использование естественных материалов, которые дешевы и доступны. Найдено, что особенно эффективны для очистки вод химически модифицированные формы торфа. Модифицирование торфа достигается относительно просто при использовании достаточно дешевых реагентов.

Обработка торфа серной кислотой без кипячения

Образцы торфа обрабатывают серной кислотой при нагревании в аналитическом стакане. Используют фракцию высушенного торфа с частицами от 18 до 35 миллиметров. Исследования способности модифицированного торфа к очистке сточных вод проводят после промывания, высушивания и просеивания. Для исследования используют прибор, изображенный на рисунке 1. Размер частиц 18—25 мм является самым маленьким, с которым частицы еще можно использовать в промышленном масштабе.

Рисунок 2. Прибор для очистки сточных вод модифицированным торфом

Модификация торфа серной кислотой при кипячении.

Метод разработан Дяконеску и Чираком. Торф кипятят при 150ºС с серной кислотой с обратным холодильником. В этих условиях имеется постоянное избыточное количество кислоты. Образцы торфа после обработки высушивают, избыток кислоты удаляют.

Модификация торфа фосфорной и другими кислотами

Образцы торфа обрабатывают фосфорной кислотой в аналитическом стакане. Для этого используют фракцию высушенного или влажного торфа.

Для улучшения химических характеристик торфа, обработанного серной кислотой, его образцы промывают, высушивают и затем обрабатывают фосфорной кислотой. Имеются данные, что дополнительная обработка торфа увеличивает обменную емкость торфа.

Имеются данные о химической модификации торфа хромовой, азотной, муравьиными кислотами.

В настоящей работе представлены результаты исследования влияния обработки серной кислотой на обменные свойства торфа, взятого в городе Тобольске, в Тобольском районе и Верхнее-Пышминского торфа Свердловской области. Также в работе обсуждены исследования, направленные на улучшение обменных свойств и физико-химических характеристик торфа с учетом того, что его будут использовать в проточных системах.

В данной работе мы исследовали и сравнили три образца торфа: 2 образца тобольского торфа и 1 образец Верхнее-Пышминского торфа Свердловской области. Все образцы были одинаковы по внешнему виду, и структура их была разрешена приблизительно до однородного состояния. Эти образцы хранили в эксикаторах при одинаковой влажности.

Образцы сушили и затем перемалывали. Образцы тора обрабатывали серной кислотой при нагревании в аналитическом стакане. Использовали фракцию высушенного торфа с частицами от 18 до 35 мм.

Для исследования эффективности очистки сточных вод нефтехимических предприятий использовали модель сточной воды. Сточную воду пропускали через колонку с химически модифицированным торфом. Высота слоя составляла 8 см, скорость пропускания 2 мл/мин.

Для исследования эффективности очистки были выбраны: хлориды, общая жесткость и окисляемость. Исследование этих показателей воды осуществлялось по стандартным методикам. Эти вещества являются типичными компонентами сточных вод НПЗ. Результаты исследования представлены в таблице 1.

Таблица 1.

Результаты исследования очистки воды при помощи модифицированного торфа

 Таким образом, проведенное исследование показало, что Тобольский торф гораздо эффективнее Верхнее-Пышминского очищает воду от хлоридов, солей жесткости и снижает окисляемость воды. Наибольшую эффективность очистки сточных вод проявляет торф, модифицированный серной кислотой.

Модифицированный торф после использования в качестве катионообменника можно либо регенерировать (промыванием концентрированной серной кислотой), либо сжечь (его зола занимает малый объем). Модифицированный торф имеет низкую стоимость и с учетом последних процедур экономически более выгоден, чем синтетические смолы, использующиеся для очистки.

Необходимы дальнейшие исследования структуры торфа и изменений, возникающих при его модификации. В результате этих исследований, возможно, удастся найти методы дальнейшего улучшения его характеристик системах очистки сточных вод нефтеперерабатывающих предприятий.

Список литературы:
1.    Барышникова Т.Н., Арканова М.А., Корюкин Б.И. Торф — природный ионообменник — средство для очистки вод Урала // Известия ВУЗов. Горный журнал. — 1996. — № 5—6. — С. 139—153.
2.    Белькевич П.И., Чистова Л.Р. Торф и проблема защиты окружающей среды. Минск: Наука и Техника. — 1979. — 60 с.
3.    Вернадский В.И. Геохимическая деятельность человека // Очерки геохимии. — 1983. — № 8. — С. 57—59.
4.    Гревцев Н.В., Горбунов А.Н. Использование торфа и продуктов его переработки в природоохранных технологиях // Известия ВУЗов. Горный журнал. — 1996. — № 5—6. — С. 135—139.
5.    Драго Р. Физические методы в химии / Пер. с англ. М., 1981. Т. 1. 424 с.
6.    Использование торфяных сорбентов для очистки промышленных стоков от ионов тяжелых металлов / К.А. Плеханов, г. Н. Рудой, А.Л. Суворов и др. // Ресурсосберегающие технологии: ЭИ / ВИНИТИ. — 2004. — № 18. — С. 11—15.
7.    Лебедева Г.Ф., Платонов В.В., Яркова Т.А., Чернышева Н.И. Модификация торфяных гуминовых кислот путем обработки их бромоводородной кислотой // Тез. Докл. 4-ой региональной научно-практической конференции «Современные проблемы экологии и рационального природопользования в Тульской области», Тула. — 2004. — 210 с.
8.    Мархол М.Н. Ионообменники в аналитической химии. М.,1985. — 269 с.
9.    Минаков В.В., Кривенко С.М., Никитина Т.О. Новые технологии очистки от нефтяных загрязнений // Экология и промышленность России. — 2002. — № 5. — С. 7—9.
10.    Наумова Л.Б., Горленко Н.П., Отмахова З.Н., Мокроусов Г.М. Использование торфов Томской области при очистке сточных вод от тяжелых металлов и нефтепродуктов // Химия в интересах устойчивого развития. — 1997. Вып. 5. — С. 609—611.