Очистка ливневых и сточных вод

Природные сорбенты добывают в непосредственной близости от места  потребления, что постоянно расширяет  масштаб их применения для очистки  воды.

Кварцевый песок имеет только внешнюю  поверхность. Достаточно большая плотность, а также высокая прочность позволяют эффективно использовать его в виде частиц размером от 0,7 до 1,2 мм для очистки воды от нефтепродуктов до 5 мг/л при одновременном извлечении из воды минеральных и органических взвешенных веществ. Преимуществом его применения являются относительно небольшая стоимость и возможность интенсивной промывки, что особенно важно в случае присутствия в воде нерастворенных минеральных тяжелых примесей. Однако, такая промывка требует больших затрат энергии, а при малых расходах промывной воды, пара песок промыть невозможно.

Применение антрацитовых загрузок известно более 40 лет и каждое новое  название этого материала обычно связано только с его месторождением, но не с наличием каких-либо дополнительных преимуществ. Меньшая, чем у песка, плотность антрацита позволяет использовать более крупные частицы антрацита в двухслойном (с песком) фильтре, который создает лучшие условия очистки воды от нерастворенных в воде примесей, чем однослойные. Снижение концентрации нефтепродуктов несколько больше, чем у песка (до остаточной концентрации 2,5 мг/л) за счет угольной поверхности, создающей при контакте с углеводородами нефти больший потенциал действующих сил. Внутренняя поверхность частиц антрацита мала (около 2 м²/г), поэтому для извлечения растворенных нефтепродуктов он не может быть использован.

Цеолиты - разновидности алюмосиликатных  каркасных материалов. Эти материалы  имеют отрицательный трехмерный алюмосиликатный каркас со строго регулярной тетраэдрической структурой. В промежутках  каркаса находятся гидратированные положительные ионы щелочных и щелочно-земельных металлов, компенсирующих заряд каркаса, и молекулы воды. В адсорбционные полости цеолитов сорбируется лишь молекулы веществ, критический размер которых меньше эффективного размера входного окна, от этого и их второе название - молекулярные сита.

Известно более 30 видов природных  цеолитов, но лишь часть из них образует крупные месторождения (80% концентратов) удобные для промышленной переработки [6].

2.4 Бентонитовые глины

Бентонит - это природный глинистый материал, относится к классу алюмосиликатов, имеет высокую дисперсность, размер кристаллов меньше 1 мкн., следствием чего является большая удельная поверхность. Особенности кристаллохимического строения бентонитов обуславливают наличие на их поверхности ионообменных катионов, достаточно сильно влияющих на физико-химические свойства минералов.

Обычно это плотные, вязкие, жирные на ощупь породы с оскольчатым  или полураковистым изломом самых  разнообразных цветов − от белого до черного (обычно голубые, зеленые, желтые, серые и коричневые тона); с водой образуют гель, при высыхании которого на поверхности получается «морщинистая» трещиноватая корочка.

Рисунок 1 – Внешний вид бентонита

По особенностям пористой структуры  выделены три основных типа минеральных сорбентов: 1) слоистые силикаты с расширяющейся структурной ячейкой, 2) слоистые силикаты с жёсткой структурной ячейкой, 3) слоисто-ленточные силикаты [].

Типовой химический состав бентонита представлен в таблице 3.

Таблица 3 – Типовой химический состав бентонита

Компонент	Массовое содержание, %	Компонент	Массовое содержание, %
SiO2	52,30	Na2O	1,92
Al2O3	16,55	TiO2	0,95
CaO	5,49	K2O	0,92
Fe2O3	5,20	P2O5	0,12
MgO	3,03	S	0,36

 

Важное  свойство бентонитовых глин – возможность  их активации и модификации с помощью различных методов обработки. Направленность этого процесса состоит, с одной стороны, в «расшатывании» микроструктуры сорбента, увеличении его пористости и удельной поверхности, с другой стороны, химическая обработка приводит к изменению кристаллоструктурных особенностей, повышению ионообменных свойств за счет изменения состава обменных катионов и созданию активных центров.

Глинистые сорбенты содовой  и солевой активации обладают более высокой степенью дисперсности и пористости. Это подтверждается данными дисперсного анализа, теплоты смачивания и величинами удельных поверхностей.

Основная задача кислотной активации  − получить лиофильные адсорбенты в отношении смолистых веществ, жирорастворимых пигментов и  соединений, вызывающих потемнение продуктов, окисление их, образование коллоидных помутнений, продуктов кислотного гидролиза [].

При кислотной (H₂SO₄ и HСl) активации природных минеральных сорбентов наблюдается растворение значительной части оксидов (CaO, MgO, Na₂O, FeO, Fe₂O₃ и т.д.), увеличение размера пор, изменение химической природы поверхности, появление Н-формы сорбентов.

Кислотная активация осуществляется раствором серной кислоты (реже соляной  вследствие ее летучести) концентрацией  от 15 % до 25 %. При кислотной активации серная кислота расходуется за один цикл не полностью (от 35 % до 50 %) и ее возвращают на повторную обработку глинистого сорбента или направляют для нейтрализации известью, аммиаком с получение удобрения (NH₄)₂SO₄ и алюмоаммиачных квасцов, используемых в целлюлозно-бумажной промышленности.

Совместно с содовой и солевой  активацией проводят термическую активацию при температуре от 100°С до 125°С.

Бентонитовые глины применяются  как гидроизоляционный материал (набухающие бентониты) в гидротехническом строительстве для укрепления земляных и бетонных дамб, ирригационных каналов, водохранилищ, в подземных сооружениях (метро, шахтах, туннелях) для закупорки зазоров между тюбингами. Бентонитовые глины используются как адсорбирующие красящие пигменты, образующие устойчивые суспензии; применяются в виде добавок или самостоятельно в качестве клеевых средств. Как материал, обладающий высокой связностью, бентонитовые глины служат для укрепления дорог и взлетных площадок при строительстве аэродромов; в производстве асбестового картона (вместо крахмала) глины увеличивают огнестойкость изделий.

В пищевой промышленности зарегистрирован  в качестве пищевой добавки  E558, препятствующей слёживанию и комкованию.

Бентонит применяется для  приготовления бурового раствора, используют для получения керамзита и аглопорита.  Применяется в литейном деле, при переработке нефтепродуктов и железных руд, в производстве керамики, для осветления растворов.

Бентонит является биологически активным веществом, добавление его в корм и с удобрениями в почву повышает продуктивность животных и урожайность с/х культур.

Бентонит также добавляют в  тиражную смесь для улучшения  условий ремюажа в производстве шампанского.

2.5 Базальтовое волокно

Базальтовое волокно получают из расплава базальта и других магматических пород. Исходным материалом для получения базальтовых волокон служат горные породы – базальты, которые представляют собой мелкозернистые эффузивные породы вулканического происхождения. Базальтовое волокно состоит из нитей, на рисунке 2 представлен внешний вид волокна.

Рисунок 2 – Внешний вид базальтового волокна

Основные компоненты базальтового волокна - SiO₂, A1₂O₃, СаО, MgO, TiO₂, Fe₂O₃ и Na₂O. Химический состав базальтов представлен в таблице 4 [].

 

 

Таблица 4 – Химический состав базальтов

Компонент	Массовое содержание, %	Компонент	Массовое содержание, %
SiO2	50,66 – 47,46	Na2O	2,92 – 2,59
Al2O3	13,89 – 12,60	K2O	1,29 – 0,72
Fe2O3	4,78 – 2,37	H2O	2,28 − 0
FeO	11,60 – 7,25	TiO2	2,87 – 1,30
MgO	9,50 – 4,73	P2O5	0,78 – 0,37
CaO	9,83 – 8,2	MnO2	0,31 – 0,12

 

Базальтовое волокно отличается высокой прочностью, химической стойкостью, износостойкостью.

Волокно получают раздуванием струи расплава горных пород (базальта) сжатым воздухом. Оно представляет собой супертонкое штапельное волокно, скрепленное между собой силами естественного сцепления без связующего.

Так как базальт  является распространённым материалом, а волокна на его основе обладают высокой прочностью при разрыве, высоким модулем упругости, имеют  малую растяжимость, не горят, не гниют, обладают хорошей химической стойкостью, данный материал является перспективным для использования в строительстве. В зависимости от назначения материалов на основе базальтовых волокон существенно изменяются условия их эксплуатации. Так, например, при использовании теплозвукоизоляционных изделий из базальтовых волокон в конструкциях вентилируемых фасадов на волокна воздействуют агрессивная городская среда в виде выхлопных газов. При использовании базальтовых волокон в качестве армирующих компонентов в бетонах и строительных растворах на основе минеральных вяжущих на них воздействует щелочная среда. На теплоизоляционные материалы, применяемые в промышленных высокотемпературных установках и трубопроводах, воздействуют высокие температуры. Поэтому изучение стойкости базальтовых волокон в различных средах является актуальной, практической задачей [].

Волокно из горных пород является перспективным сорбентом для очистки воды. Оно не гниет, не выделяет токсичных веществ в воздушной и водной среде, негорючее, невзрывоопасно, не образует вредных соединений с другими веществами, имеет неограниченный срок годности. Средний диаметр волокна от 6 до 8 мкм, плотность от 25 до 35 кг/м³, теплопроводность 0,042 Вт/(м∙К). В зависимости от способа получения волокно может быть промасленным и воздушным.

2.6 Сорбент «С-верад»

Сорбент «С-верад» позволяет решать проблемы предприятий, связанные с очисткой промышленных стоков от нефтепродуктов, с утилизацией промышленных отходов, нефтешламов, со сбором аварийных разливов нефтепродуктов и других токсичных жидкостей.

Сорбент является новым классом  неорганических сорбентов на основе природного алюмосиликата. Гранулы  сорбента имеют микропористую, мезопористую и слоистую чешуйчатую макропористую  структуру. Внедренный углерод, гидрофобизирующий поверхность, создает структуру положительно и отрицательно заряженных центров, распределенных внутри и снаружи гранул на поверхностях слоев, что позволяет реализовать реакции с малополярными молекулами (ряда жиров, нефтепродуктов). Специфическая углеродная пленка создает центры для деятельности нефтеокисляющих бактерий и условия для их работы, что способствует обеспечению более высокой динамической емкости по нефтепродуктам в сравнении с другими сорбентами. В сравнении с сорбентами на основе органики (мох, древесные опилки), полимеров (синтипон, пенопласт и т.д.), угольными (углеволокно) сорбентами, сорбент «С-верад» обладает неоспоримыми преимуществами: химически стоек (не разрушается под воздействием кислот, щелочей, сохраняя впитывающую способность); не горит (температура плавления 1200 °С). Основные характеристики фильтрующего материала представлены в таблице 5 [20].

 

 

Таблица 5 – Краткие характеристики сорбента «С-верад»

Состав	Алюмосиликат с модифицированной поверхностью
Внешний вид	серебристо-жёлтые гранулы
Фракционный состав, мм	от 0,5 до 2
Объёмный вес, кг/м3	от 110 до 140
Время плавучести	от 1 до 2 суток
Впитывающая способность по нефтепродуктам с поверхности земли	от 1,9 до 5,6 г нефтепродукта на 1г  сорбента
Впитывающая способность по нефтепродуктам с поверхности воды	от 1 до 3 г/г в зависимости от толщины плёнки, типа нефтепродукта
Утилизация	выжигание; полная биодеградация просорбированных нефтепродуктов в течение 3 месяцев  в условиях полигона; захоронение  по 4 классу опасности
Срок хранения	два года; не горюч, пожаровзрывобезопасен

 

2.7 Сорбент нефти и нефтепродуктов «Мегасорб»

Для очистки воды от нефтепродуктов разработан специальный фильтрующий  материал «Мегасорб», обладающий сорбирующими и коалесцирующими свойствами. Эффективность сорбента «Мегасорб» на стадии предочистки, перед угольным фильтром, во много раз превосходит традиционные методы [21].

Сорбент «Мегасорб» обладает уникальной структурой формирования нетканого холста, которая позволяет нефти легко заполнять свободные пространства всего объема полотна за счет капиллярных сил, прочно держаться внутри сорбента, в основном за счет адгезии, и легко отделяться при отжиме путем механического воздействия.

Проведены сравнительные лабораторные испытания сорбента «Мегасорб» с  лучшими отечественными и зарубежными аналогами по нефтеёмкости и нефтеотдаче при отжиме при сборе нефти с поверхности воды, результаты исследований представлены на рисунке 3.

 

Рисунок 3 – Нефтеёмкость и нефтеотдача для отечественных сорбентов «Мульти-С» и «Мегасорб», а также зарубежного аналога «ЗМ» США

Сорбент представляет собой нетканый, волокнистый материал выполненный  в виде полотна, из скрепленных между  собой гидрофобных полимерных волокон, сформированного в единую объемную гофрированную структуру. При таком  способе формирования создаются  дополнительные, ёмкие полости, в которые нефть свободно проникает при непосредственном контакте, заполняет весь объем полотна за счет капиллярных сил, прочно держаться внутри гофрированной волокнистой структуры сорбента за счет адгезии [21]. Области применения:

• Фильтрующая загрузка для очистки промышленных и сточных вод от нефтяных загрязнений в очистных сооружениях промышленных предприятий;
• Фильтрующая загрузка в установках локальной очистки производственных стоков на промышленных предприятиях;
• Очистка ливневых стоков от нефтепродуктов в системе городского хозяйства (автобазы, автомойки, АЗС);
• Очистка стоков от снеготаялок в зимний период;
• Сбор нефтепродуктов с поверхности прудов-отстойников любых очистных сооружений;
• Экологическое оснащение речных судов и портов;
• Сбор нефти и нефтепродуктов (включая моторные, машинные и др. масла) с поверхности воды при аварийных разливах.