PL242708B1 - Materiał filtracyjny do usuwania substancji ropopochodnych z wody - Google Patents

Abstract

Materiał filtracyjny do usuwania substancji ropopochodnych z wody zawierający składnik mineralny lub organiczny, charakteryzuje się tym, że składa się z rozdrobnionego nośnika mineralnego w postaci piasku o uziarnieniu 0,2 - 1,5 mm lub pochodzenia roślinnego w postaci rozdrobnionych do rozmiaru 0,5 - 10 mm trocin lub łodyg słonecznika zmieszanego z nanorurkami węglowymi lub nanoproszkiem w postaci nanokrzemionki modyfikowanej polidimetylosiloksanem lub oktadecylem, przy czym ilość wprowadzanego nanomateriału w stosunku do ilości nośnika wynosi 0,1 - 5,0% masowych.

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest materiał filtracyjny do usuwania substancji ropopochodnych z wody, który stanowi wypełnienie filtru przeznaczonego do oczyszczania wody, zwłaszcza wód złożowych w kopalni ropy naftowej.

W wielu gałęziach przemysłu takich jak: maszynowy, wydobywczy, petrochemiczny powstają zaolejone ścieki. W przemyśle naftowym szczególnie trudne do zagospodarowania są zaolejone wody złożowe, których złożony skład (rozpuszczone gazy, rozpuszczone i zdyspergowane ropopochodne, sole nieorganiczne, radionuklidy, mikroorganizmy) powoduje, że dobór efektywnej technologii uzdatniania jest trudny. W praktyce przemysłowej do oczyszczania wód złożowych stosuje się powszechnie filtrację za pomocą filtrów z wkładem piaskowym, co pozwala usunąć zanieczyszczenia mechaniczne, ale nie rozpuszczone węglowodory.

Z uwagi na kancerogenny i mutagenny charakter ropopochodnych ich skuteczne usunięcie staje się priorytetem w procesach oczyszczania.

W publikacji A. Cambiella, E. Ortea, G. Rios, J. Benito, C. Pazos and J. Coca pt. “Treatment of oil-in-water emulsions: Performance of a sawdust bed filter”, Journal of Hazardous Material, tom 131, nr 1-3, str. 195-199, 2006 ujawniono stosowanie mieszaniny trocin eukaliptusowych i siarczanu wapnia, przy czym jego dodatek powodował destabilizację emulsji, dzięki czemu efektywność usuwania ropopochodnych wynosiła ponad 95%.

Autorzy T. Dong, S. Cao and G. Xu w artykule pt. “Highly efficient and recyclable depth filtrating system using structured kapok filters for oil removal and recovery from wastewater”, Journal of Hazardous Material, tom 321, str. 859-867, 2017 przedstawili zastosowanie włókna kapoku jako wypełnienie rotacyjnej kolumny filtracyjnej. Materiał filtracyjny był pakowany warstwowo, a dzięki dużej powierzch ni właściwej i hydrofobowemu charakterowi powierzchni włókien, efektywność oczyszczania wynosiła ponad 80%.

Ponadto w publikacji A. Pasila pt. “A biological oil adsorption filter” Mar Pollut Bull, tom 49, nr. 11-12, str. 1006-1012, 2004 przedstawiono metodę adsorpcji oleju z wody poprzez przepuszczenie jej przez filtr wykonany z trzciny kanaryjskiej (Phalaris arundinacea), lnu (Linum usitatissimum L.) lub włókna konopnego (Cannabis sativa L.). Sposób ten znajduje zastosowanie do zbierania rozlanego oleju na płytkich wodach przybrzeżnych, zanim olej dotrze do brzegu.

Powyższe materiały filtracyjne zwykle wykazują hydrofilowy charakter i ich przydatność do usuwania ropopochodnych jest ograniczona.

Znane są także sorbenty stosowane do okresowej likwidacji wycieków ropy z powierzchni wody, które zawierają hydrofobowe nanocząsteczki w postaci nanoproszku FesO4 (J.Wu, A.Kyoungjin, J.Guo, E.Lee i M.Usman, “CNTs reinforced super-hydrophobic-oleophilic electrospun polystyrene oil sorbent for enhanced sorption capacity and reusability,” Chemical Engineering Journal, tom 314, pp. 526-536, 2017, Y.Li, R.Zhang, X. Tian, C.Yang i Z.Zhou, “Facile synthesis of FesO4 nanoparticles decorated on 3D graphene aerogels as broad-spectrum sorbents for water treatment,” Applied Surface Science, tom 369, str. 11-18, 2016) oraz nanoglinki (A.A.Nikkhah, H.Zilouei, A.Asadinezhad i A.Keshavarz, “Removal of oil from water using polyurethane foam modified with nanoclay”, Chemical Enggineering Journal., tom 262, str. 278-285, 2015). Znane są także membrany do rozdzielania emulsji woda-ropopochodne na poszczególne składniki, w których w ciągłej osnowie z poliakrylonitrylu rozmieszczone są cząstki wzmocnienia w postaci nanorurek węglowych (Y.Jiang, J.Hou i J.Xu, “Switchable oil/water separation with ef fi cient and robust Janus nano fiber membranes”, Carbon, tom 115, str. 477-485, 2017) lub modyfikowanego nanoproszku CaCO3 (J.S.B.Melbiah, D.Nithya i D.Mohan, “Surface modification of polyacrylonitrile ultrafiltration membranes using amphiphilic Pluronic F127/CaCO3 nanoparticles for oil/water emulsion separation,” Colloids Surfaces A: Physicochemical Engineering Aspects, tom 516, str. 147-160, 2017).

Celem wynalazku było rozwiązanie zagadnienia zastosowania naturalnych materiałów w postaci organicznej z dodatkiem nanoproszków, które charakteryzują się doskonałymi właściwościami hydrofobowymi do usuwania substancji ropopochodnych z wody.

Materiał filtracyjny do usuwania substancji ropopochodnych z wody według wynalazku składa się z nośnika pochodzenia roślinnego w postaci rozdrobnionych do rozmiaru 0,5-10 mm łodyg słonecznika, zmieszanego z nanorurkami węglowymi lub nanoproszkiem w postaci nanokrzemionki modyfikowanej polidimetylosiloksanem, przy czym ilość wprowadzanego nanomateriału w stosunku do ilości nośnika wynosi 0,1-5,0% masowych.

Materiał filtracyjny według wynalazku składa się z dwóch ciał stałych tj. nośnika i nanorurek lub nanoproszku niemieszalnych termodynamicznie bez żadnego spoiwa między nimi, przy czym granica faz między tymi ciałami jest wyraźnie widoczna. Jego ilość zależy od objętości wody planowanej do oczyszczania oraz stopnia jej zaolejenia. Materiał filtracyjny jest sypany i ewentualnie zagęszczany w obudowie filtra, który jest wyposażony w zawór wlotowy i wylotowy oraz elementy dyspergujące wprowadzany strumień wody.

Zaletą materiału według wynalazku jest to, że przygotowanie z niego złoża filtracyjnego nie wymaga zaawansowanych technologii, a mieszanie rozdrobnionego nośnika z nanorurkami lub nanoproszkiem realizowane jest w dowolny mechaniczny sposób. Czas mieszania dobiera się na podstawie obserwacji wizualnej i gdy na ściankach mieszalnika nie obserwuje się wolnego nanoproszku lub nanorurek operację uznaje się za zakończoną, przy czym nie trwa ona dłużej niż 15 minut.

Materiał filtracyjny może być regenerowany lub utylizowany termicznie. W przypadku stosowania nośnika mineralnego materiał filtracyjny można wyprażyć w temperaturze około 700°C, co powoduje wypalenie składników ropopochodnych. Pod wpływem temperatury nanomateriał ulega degradacji poprzez spiekanie i przed kolejnym cyklem filtracji konieczne jest jego domieszanie do nośnika. W przypadku stosowania nośnika pochodzenia roślinnego zaolejony materiał filtracyjny, po usunięciu wody do zawartości około 5% masowych i zbrykietowaniu stosuje się jako biomasę do celów opałowych.

Przykład. Materiał filtracyjny składa się z rozdrobnionego nośnika pochodzenia roślinnego w postaci rozdrobnionego do rozmiarów 1,0-4,0 mm miękiszu z łodyg słonecznika w ilości 99,0% masowych zmieszanego z 1,0% masowym nanoproszku w postaci nanokrzemionki modyfikowanej polidimetylosiloksanem PDMS lub nanorurek węglowych.

Do badania efektywności opracowanego materiału filtracyjnego wykorzystano stanowisko złożone z mieszalnika, pompy perystaltycznej i kolumny filtracyjnej. Ropę naftową i wodę w stosunku 1:99 mieszano za pomocą mieszadła przez 10 minut z prędkością 1000 rpm/min. Jednorodną emulsję przetłaczano za pomocą pompy perystaltycznej z wydatkiem 10 ml/min. do szklanej kolumny filtracyjnej o długości 120 cm i średnicy 5 cm. Jako materiał filtracyjny stosowano kolejno: rozdrobnione włókna słonecznika, włókna słonecznika z domieszką nanokrzemionki modyfikowanej polidimetylosiloksanem oraz włókna słonecznika z dodatkiem nanorurek węglowych. Nanoproszek wytrząsany był z włóknami pochodzącymi z łodyg słonecznika ruchem posuwisto-zwrotnym przez 15 minut. Wysokość złoża materiału filtracyjnego w kolumnie wynosiła 5 cm, a gęstość upakowania we wszystkich przypadkach 0,2 g/cm³. Materiał filtracyjny umieszczono na dole kolumny, a od dołu i od góry złoże zabezpieczono metalową siatką w celu lepszego dyspergowania emulsji przepływającej przez złoże.

Na poniższym rysunku przedstawiono krzywe efektywności usuwania ropopochodnych z wody dla poszczególnych materiałów filtracyjnych. Zastosowanie samych włókien słonecznika jest stosunkowo mało selektywne i efektywność oczyszczania szybko maleje. Natomiast materiał filtracyjny w postaci włókien słonecznika z dodatkiem nanocząstek krzemionki lub nanorurek węglowych jest skuteczny i pozwala usunąć ponad 80% zanieczyszczeń ropopochodnych.

Claims (1)

1. Materiał filtracyjny do usuwania substancji ropopochodnych z wody zawierający składnik organiczny, znamienny tym, że składa się z nośnika pochodzenia roślinnego w postaci rozdrobnionych do rozmiaru 0,5-10 mm łodyg słonecznika zmieszanego z nanorurkami węglowymi lub nanoproszkiem w postaci nanokrzemionki modyfikowanej polidimetylosiloksanem, przy czym ilość wprowadzanego nanomateriału w stosunku do ilości nośnika wynosi 0,1-5,0% masowych.