Очистка сточных вод
проект по экологии

Использование кремнезёмных материалов при очистке почв в местах розлива нефти.

конкурсная работа

к XIV научно – технической конференции

Выполнил:

Лаборант химического анализа  Курганского НУ

Тамара Васильевна Морозова

СОДЕРЖАНИЕ

Содержание……………………………………………………………………….2

Введение…………………………………………………………………………..3

1 Очистка почв от токсичных загрязнителей….………………………….…….4

1.1 Почва. Значение почв в природе……...…………………………….………..4

1.2 Источники загрязнения почв..…………………………………………….….5

1.3 Применяемые сорбенты при ликвидации розлива нефтепродуктов……………………………...……………………………….…...6

2 Модифицированный кремнезем……………………………………….…….....7

2.1 Физические и химические свойства кремнезема………………………...….7

2.2 Синтез аминопропилтриэтоксисилана. Условия проведения синтеза……8

2.3 Практическое применение материала в местах розлива нефти………......10

3 Экономический эффект…………………………………………………..……12

Заключение………………………………………………………………….……13

Список литературы…………………………………………………………...….14

ВВЕДЕНИЕ

        В настоящее время большое внимание уделяется загрязнению окружающей среды различными веществами. В связи с этим ужесточаются меры к очистным сооружениям крупных промышленных объектов. Вследствие чего современные очистные сооружения требует использования дополнительных фильтров для улучшения качества промышленных и бытовых отходов.

        В качестве средства дополнительной очистки сточных вод предлагается фильтр, содержащий новый наполнитель – модифицированный кремнезём. Данный материал отличается высокими технологическими показателями по сравнению со своими аналогами. К преимуществам данного сорбента следует отнести увеличенный срок эксплуатации, увеличенную степень извлечения веществ на 20 – 30 %, а также дешевизна и простота получения.

        За счёт своих сорбционных свойств, материал способен извлекать широкий спектр веществ из сточных вод, что создает благоприятные условия для жизни и производительности, используемого биологического материала в системе очистных сооружений.

        В работе представлены проблематика и теоретические аспекты данной темы. Приведены практическое обоснование и экономическая значимость использования дополнительных фильтров. Исследуемый материал апробирован на модельных системах и применима для производства.

        Работа состоит из введения, три основные информационные раздела («Система биологической очистки сточных вод», «Модифицированный кремнезём», «Экономический эффект»), заключение. Включает в себя 3 рисунка, 2 таблицы, 11 источников литературы.

1 ОЧИСТКА ПОЧВ ОТ ТОКСИЧНЫХ ЗАГРЯЗНИТЕЛЕЙ

1.1 Почва. Значение почв в природе

        Почва – поверхностный слой литосферы Земли, обладающий плодородием и представляющий собой полифункциональную гетерогенную открытую четырёхфазную структурную систему, образовавшуюся в результате выветривания горных пород и жизнедеятельности организмов.

        Почва имеет огромное природное и экономическое значение. Она является основной средой обитания живых организмов и растений. Свойством разного вида почв является распределение разнообразных химических элементов и соединений, одни из которых необходимы для живых существ, а другие являются вредными или токсичными. Почва оказывает существенное влияние на состав и свойства поверхностных, подземных вод и всю гидросферу Земли. А поскольку основные хозяйственные показатели воды определяются содержанием и соотношением этих элементов, то нарушение почвенного покрова проявляется также в изменении качества воды.

1.2 Источники загрязнения почвы

        Загрязнение почвенного покрова происходит практически при всех видах хозяйственной деятельности человека. Одной из крупных экологических проблем является загрязнение природной среды продуктами добычи и переработки нефти. Хронические розливы нефти и минерализованных пластовых вод приводят не только к нефтяному загрязнению, но и к засолению почв. Углеводороды нефти находятся в виде предельных углеводородов, алициклических (нафтены) и ароматических углеводородов. Загрязнение окружающей среды, в том числе и почв, происходит на нефтяных месторождениях также при факельном сжигании попутного газа. Положение ухудшается вследствие аварий на трубопроводах и транспорте, перевозящем органические и неорганические вещества.

1.3 Применяемые сорбенты при ликвидации розлива нефтепродуктов

2 МОДИФИЦИРОВАННЫЙ КРЕМНЕЗЕМ

2.1 Физические и химические свойства кремнезема

Силикагель - это аморфная форма диоксида кремния, получаемая искусственным путем в виде твёрдых неровных гранул. Основным способом получения силикагеля является коллоидно-химический синтез кремниевой кислоты.

Для использования кремнезёма в каких-либо научно-практических целях необходимо дать характеристику параметрам поверхности, а именно указать размер частиц, диаметр и объем пор, удельную площадь поверхности и химические свойства. В основу всех классификаций легло различие пористой природы силикагеля. Характеристикой пористости твердых тел является удельная площадь поверхности. Она представляет собой сумму внешней и внутренней геометрической поверхности пор на единицу массы тела. Для определения удельной поверхности кремнезёма используют метод БЭТ (уравнение Брунауэра-Эммета-Теллера), погрешность которого составляет 5%. Различают макропористые, мезопористые, микропористые и непористые силикагели.

        Макропористые – имеют размер частиц более 200 нм и площадь поверхности меньше 135 м2/г; мезопористые – с размером пор 2 – 200 нм и удельной поверхностью до 600 м2/г; микропористые – с порами меньше 2 нм, их количество слишком мало; непористые – имеют размер частиц 7 – 40 нм и удельную площадь поверхности до 300 м2/г.

Поверхность силикагеля заполнена гидроксильными группами на среднем расстоянии 0,5 нм друг от друга. Эти группы являются активными центрами, причём реакционная способность конкретной партии силикагеля зависит от числа таких центров. В адсорбенте из которого удалена адсорбированная на его поверхности вода, многие центры будут активны.

Аминопропилкремнеземы широко используются при исследовании протолитических и комплексообразующих свойствах сорбентов. Для обнаружения наличия или отсутствия энергетической неоднородности, рассчитывают константы протонирования поверхности силикагеля. Показатели констант протонирования привитого на поверхность силикагеля  аминопропила численно равны 4,30±0,03, 6,02±0,04, 7,81±0,02. Адекватность оценки результатов возможна при учёте гомосопряжения привитых аминогрупп.

В результате многолетних исследований был раскрыт механизм модифицирования кремнезема алифатическими аминами, подробно изучена топография поверхности и структура привитого слоя.

2.2 Синтез аминопропилтриэтокси силана. Условия проведения синтеза

Для изучения и моделирования протолитических свойств твёрдого тела необходимо подобрать материал, являющийся доступным и хорошо изученным. В связи с этим, для исследований был выбран силикагель марки КСК, КСМ и полученный по золь-гель методу с размером пор 0,08-0,1 мм.  Перед проведением анализа силикагель отмывали от пылевидных частиц водой методом декантации и сушили до постоянной массы  при температуре 150 °С. Модифицирование проводили путем пропитки силикагеля 3-аминопропилтриэтоксисиланом в безводном толуоле при разных температурах в течении суток с последующим отмыванием толуолом и высушиванием до постоянной массы. В данных условиях были получены образцы с разной степенью прививки аминопропилтриэтоксисилана. Для достижения максимальной степени прививки АПТЭС (аминопропилтриэтоксисилан) подбирались условия по плану Плаккета-Бермана. Выбранные условия приведены в таблице 1.

Таблица 1

Матрица условий синтеза по Плаккету-Берману

        В данной таблице знаком «+» указаны реакции проводимые при выбранных условиях.

Для моделирования системы, проявляющей кислотно-основные свойства, полученные образцы использовались для дальнейшего модифицирования. Методом сборки на поверхности была получена молекула этилендиаминтриуксусной кислоты. Для этого были проведены следующие стадии.

        К аминированному силикагелю (С/Г-NH2), добавляли дихлорэтан в среде толуола. Выдерживали одни сутки при комнатной температуре, с последующим отмыванием 1,4-диоксаном. Далее полученный силикагель (С/Г-Сl), выдерживали сутки при 40 °С в водно-диоксановой среде с добавлением глицина и карбоната калия. Водно-диоксановая смесь имеет рН в пределах 8,4 – 8,5. В данной среде глицин переходит из цвиттер-иона в анионную форму, что значительно упрощает ход реакции. После отмывали дистиллированной водой. На следующем этапе синтеза модифицированный силикагель (С/Г-ГЛИ), подвергали взаимодействию с хлорацетатом калия, полученный сплавлением хлоруксусной кислоты с карбонатом калия, в водно-диоксановой среде при комнатной температуре в течение суток. Полученный образец (С/Г-ЭДТА) замачивали в 2 М соляной кислоте и отмывали водой до отрицательной реакции на хлорид ионы. Готовый образец назвали С/Г-ЭДТУ. Схема синтеза приведена на рисунке 3.

Рис. 3. Схема синтеза модифицирования силикагеля молекулой ЭДТУ.           а) чистый С/Г; б) С/Г-NH2; в) С/Г-Cl; г) С/Г-ГЛИ; д) С/Г-ЭДТА; е) С/Г-ЭДТУ

2.3 Практическое применение материала в местах розлива нефти

        Предлагается использовать в филиалах АО «Транснефть – Урал» модифицированный силикагель, как сорбент для дополнительной очистки почв в местах розлива нефти. Кремнезем сорбирует на своей поверхности широкий спектр металлов, ряд органических веществ, нефтепродукты.

        Экспериментально были определены  время и степень сорбции. Для изучения процессов сорбции почва искусственно загрязнялась нефтью. На поверхность равномерно наносился слой сорбента, который был удален через разные промежутки времени. Полученные данные сведены в таблицу.

Таблица

Результаты сорбции нефтепродукта из почв

        Основываясь на полученных данных, можно сделать вывод, что сорбент способен извлекать нефтепродукты из почвы на 60 – 90%, среднее время сорбции составляет 30 мин.

Старый наполнитель подвергается регенерации в кислой среде, исходя из этого, можно говорить о его вторичном использовании.

Утилизация сорбента производится обработкой щелочью, вследствие чего происходит разрушение силанольных связей.

В силу своей высокой сорбционной способности, он найдет своё применение как фильтр дополнительной очистки сточных вод.

3 ЭКОНОМИЧЕСКИЙ ЭФФЕКТ

Исходя из особенности строения и производительности активного ила (основного биологического материала очистных сооружений) были рассчитаны затраты требуемые предприятию за один год. В расчёт были взяты стоимость активного ила, затраты на дезинфекцию емкости аэротенков и его доставку до места использования.

Замену активного ила необходимо производить посезонно, то есть четыре раза в год. Средняя стоимость ила составляет 8000 руб. за одну тонну. Основываясь на объеме аэротенков очистных сооружений НПС «Юргамыш», для единоразовой замены требуется 8 тонн ила.

Затраты на получение фильтра определялись исходя из средней стоимости реактивов, необходимых для синтеза, и требующийся массы сорбента. Полученные результаты сведены в сравнительную таблицу 2.

Таблица 2

Необходимые затраты при разных условиях работы очистных сооружений биологической очистки

Исходя из приведенных расчетных данных, выгода при использовании предлагаемых фильтров составляет 140 – 160 тыс. руб. в год.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Основываясь на полученных результатах исследования, можно говорить о следующем:

• Предлагаемый материал обладает кислотно-основными свойствами. Он способен сорбировать органические и неорганические вещества, образуя устойчивые связи;
• Степень сорбции нефтепродуктов из почвы составляет 60 – 90%, легко удаляется с места аварии;
• Сорбент регенерируется в кислой среде и может вторично использоваться в технологическом цикле очистки;
• Модифицированный кремнезём сможет найти своё применение, как сорбент органических веществ в местах розлива нефти.
• Найдет своё применение как фильтр дополнительной очистки сточных вод. Увеличивая качество очистки, тем самым удовлетворительно влияет на используемый биологический материал очистных сооружений. При этом увеличивается возраст активного ила, повышается его производительность;

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Leboda R., Mendyk E. //Materials Chem. And Phys. 1991. V. 27. P. 189.
2. Догель В.А. Зоология беспозвоночных. М., «Высшая школа», 1981.
3. Жмур Н.С. Технологические и биохимические процессы очистки сточных вод на сооружениях с аэротенками. М., АКВАРОС, 2003.
4. Зайцев В.Н. Функционализированные материалы. Том 1. Комплексообразующие кремнеземы: синтез, строение привитого слоя и химия поверхности. / Серия моногр. под ред. акад. В.В. Скопенко. – Харьков: Фолио, 1997. – 240 с.
5. А.В. Киселёв. Межмолекулярные взаимодействия в адсорбции и хроматографии. М.: Высш. шк. 1986. 360 с.
6. Неймарк И.Е., Шейнфайн Р.Ю. Силикагель, его получение, свойства и применение. Киев: Наукова думка. 1973. – 200 с.
7. Толмачев А.М. Адсорбция газов, паров и растворов. Москва, Издательская группа «Граница», 2012, 241 с.
8. Зайцев В.Н., Скопенко В.В., Холин Ю.В., Донская Н.Д., Мерный С.А. // Журн. общ. химии. 1995. Т. 65. С. 529
9. Очистка промышленных сточных вод. Терновцев В.Е., Пухачёв В.М., Киев, 1986.
10. Очистка производственных сточных вод в аэротенках. М., Стройиздат, 1979.
11. Простейшие активного ила. Выпуск 8, Л., «Наука», 1983.