Введение к работе
Актуальность работы. В настоящее время существует множество механических, физико-химических и биологических методов удаления эмульгированных нефтепродуктов (НП) из сточных вод (СВ). Однако, традиционная очистка СВ, содержащих эмульгированные масла: отстаивание, фильтрование, флотация, коагуляция, экстракция и другие, не удовлетворяют возросшим требованиям по обеспечению степени очистки СВ до нормативов, что вызывает попадание НП в природные водоисточники и, соответственно, существенное загрязнение водных объектов. Биологическая очистка от эмульгированных НП характеризуются большей длительностью процесса и низкой эффективностью.
В последнее время широкое распространение находит ультрафильтрационное мембранное разделение водомасляных эмульсий с использованием полимерных мембран. Применение последних имеет ряд преимуществ, таких как, малая площадь занимаемого оборудования, отсутствие реагентов, высокая селективность по разделяемым компонентам, возможность возврата фильтрата для вторичного использования и т.д. Однако, применение полимерных мембран имеет и ряд недостатков, основными из которых является уменьшение производительности в течение процесса разделения эмульсий из-за явления концентрационной поляризации поллютантов на поверхности фильтрэлемента. Для увеличения эксплуатационных характеристик мембран (производительность, селективность) применяют различные способы модификации последних, в том числе с использованием коронного разряда.
В этой связи, повышение эффективности и производительности ультрафильтрационного разделения водомасляных эмульсий с использованием мембран, обработанных в поле коронного разряда, является актуальной задачей.
Цель диссертационного исследования - минимизация антропогенного воздействия на водные объекты отработанных водомасляных эмульсий путем увеличения производительности и эффективности их разделения полимерными мембранами, обработанными в поле коронного разряда.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
-
Провести мониторинг количества образования отработанных водомасляных эмульсий в составе сточных вод Управления «Татнефтегазпереработка» ПАО «Татнефть им. В.Д. Шашина» (г. Альметьевск, Республика Татарстан).
-
Определить режимы обработки полимерных мембран униполярным коронным разрядом, при которых достигаются наибольшие значения производительности и эффективности разделения модельной водомасляной эмульсии.
-
Определить влияние параметров коронного разряда на структуру поверхности и внутреннюю структуру полимеров мембран.
-
Провести очистку отработанных промышленных водомасляных эмульсий с использованием мембран, обработанных в поле коронного разряда. Оценить токсикологические характеристики отработанных эмульсий типа «масло в воде» и фильтратов с использованием стандартных биологических тест-объектов.
-
Предложить принципиальную технологическую блок-схему очистки локальных СВ, содержащих в своем составе эмульсии типа «масло в воде».
-
Рассчитать предотвращенный эколого-экономический ущерб от внедрения предлагаемой технологии разделения водомасляных эмульсий.
-
Предложить пути рекуперации концентрата, содержащего НП
Методы исследования, используемые в настоящей диссертационной работе:
определение размера частиц эмульсий с помощью анализатора наночастиц марки «Malvern Zetasizer Nano ZS»;
потенциометрия для определения значений показателя ХПК с автоматического титратора марки «Т70» фирмы «Mettler Toledo»;
электронная микроскопия на атомно-силовом микроскопе «MultiMode V» фирмы «VEECO»;
дифрактометрия для выполнения рентгеноструктурного анализа мембран на приборе марки «Rigaku Ultima IV»;
метод растекающейся капли для измерения краевого угла смачивания с помощью аппарата марки «Kruss DSA 20Е»;
ИК-Фурье-спектроскопия на базе ИК-Фурье-спектрометра марки «Avatar-360».
хромато-масс-спектрометрия для определения состава концентрата отработанной эмульсии на хромато-масс-спектрометре марки «DFS Thermo Electron Corporation»;
гравиметрический метод для количественной оценки защитной способности ингибиторов коррозии по ГОСТ 9.506-87.
Научная новизна.
Впервые проведена обработка в поле униполярного коронного разряда поли-акрилонитрильных (ПАН) и полиэфирсульфоновых (ПЭС) мембран с варьированием параметров процесса;
определены параметры коронной обработки мембран, при которых достигается максимальная эффективность разделения модельной водомасляной эмульсии на основе масла марки «И-20А», соответственно, способствующие минимизации сброса масляной фазы в составе эмульгированных сточных вод и снижению антропогенной нагрузки на окружающую природную среду. проведено исследование внутренней структуры и структуры поверхности коронообработанных ПАН и ПЭС мембран инструментальными методами. Показано, что обработка коронным разрядом способствует образованию потенциала поверхности и напряженности электрического поля мембран, сни-
жению шероховатости, увеличению гидрофильности за счет образования на поверхности фильтр-элементов гидрофильных функциональных группировок. Также выявлено некоторое увеличение степени кристалличности полимерной матрицы за счет упорядочивания структуры полимеров.
Практическая значимость.
Проведена очистка отработанной водомасляной эмульсии, образующейся в Управлении «Татнефтегазпереработка» ПАО «Татнефть им. В.Д. Шашина» с использованием ПАН и ПЭС мембран, обработанных в поле униполярного коронного разряда. Определено, что коронообработка способствует увеличению селективности разделения отработанной водомасляной эмульсии при использовании ПАН мембран на 23,6 %, при применении ПЭС мембраны – на 24,7 %.
Разработана принципиальная технологическая схема очистки отработанных водомасляных эмульсий с возможностью организации частично замкнутого водооборота и дальнейшей утилизацией масляной фазы.
На основе концентрата от мембранного разделения отработанной водо-масляной эмульсии, образующейся в Управлении «Татнефтегазпереработка» ПАО «Татнефть», предложена и испытана ингибирующая композиция для защиты от коррозии пластовыми водами трубопроводного оборудования.
Рассчитан предотвращенный эколого-экономический ущерб от внедрения более эффективных коронообработанных мембран, который составил более 48000 руб./год.
Личный вклад автора заключается в постановке целей и задач диссертации, аналитический обзор методов очистки водомасляных эмульсий, проведение экспериментов и обсуждение полученных результатов исследований, а также написание публикаций по теме диссертации, участие в работе конференций.
Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы
опубликованы в следующих материалах конференций различного уровня:
Всероссийской студенческой научно-практической конференции с
международным участием, «Актуальные проблемы науки в студенческих
исследованиях» (Альметьевск, 2014), II Международной молодежной научной
конференции «Экология и рациональное природопользование
агропромышленных регионов» (Белгород, 2014), 4-ой Международной научно-
практической конференции (Курск, 2014), 2014 AICHE Annual Meeting
«Separations Division 2014», (Atlanta, USA, 2014), IX Международной научно-
практической конференции «Современное состояние и перспективы
инновационного развития нефтехимии» (Нижнекамск, 2016).
Публикации. Основные результаты диссертационной работы
представлены в 15 научных публикациях: 10 статей, из них 8 - в рецензируемых журналах из перечня ВАК Минобрнауки РФ и международной базы цитирования «Scopus» и 5 – в материалах конференций.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из 5 глав, выводов и приложений, изложена на 138 страницах, включает 22 таблицы, 33 рисунка, список литературы содержит 159 наименований источников.