Создание технических средств для обезвреживания нефтезагрязненной почвы в условиях Омского региона

Размещено на http://www.allbest.ru/

Создание технических средств для обезвреживания нефтезагрязненной почвы в условиях Омского региона

Е.Г. Холкин, Л.О. Штриплинг

Аннотация

УДК 62-9

СОЗДАНИЕ ТЕХНИЧЕСКИХ СРЕДСТВ ДЛЯ ОБЕЗВРЕЖИВАНИЯ НЕФТЕЗАГРЯЗНЕННОЙ ПОЧВЫ В УСЛОВИЯХ ОМСКОГО РЕГИОНА

Е.Г. Холкин, Л.О. Штриплинг,

Омский государственный технический университет, г. Омск, Россия.

Рассматривается технология и установка для оперативного устранения последствий аварийных ситуаций, сопровождающихся разливами нефтепродуктов, адаптированная к зимним условиям. Описывается принцип работы установки, в которой тепловая энергия экзотермического процесса химического обезвреживания нефтезагрязненной почвы, выделяемая в ходе обезвреживания, используется для оттаивания последующей порции смерзшейся нефтесодержащей почвы. Еще одной отличительной особенностью этой установки является то, что принудительная подача углекислого газа в корпус установки на этапе образования оболочки из карбоната кальция на поверхности загрязняющего вещества позволяет ускорить процесс формирования и упрочнения микрокапсул, образующихся в результате обезвреживания нефтезагрязненной почвы, внутри корпуса. Рассматриваемая установка для обезвреживания нефтезагрязненной почвы по сравнению с другими установками имеет важное преимущество, которое заключается в использовании при необходимости (например, в зимних условиях) тепловой энергии, выделяемой на каждом этапе процесса обезвреживания нефтезагрязненной почвы, которая в обычных условиях рассеивается в окружающей среде. Кроме того, кратковременная принудительная подача углекислого газа на заключительной стадии процесса обезвреживания до высокой концентрации непосредственно в установку позволяет заменить длительный процесс образования и упрочнения оболочек микрокапсул, происходящий в естественных условиях на открытом воздухе.

Ключевые слова: разлив нефтепродуктов, загрязнение почвы нефтепродуктами, обезвреживание почвы, рекультивация, реагентное капсулирование.

Введение

Проблема преодоления последствий аварийного загрязнения почвы нефтепродуктами не теряет своей актуальности. Потенциальными источниками возникновения аварийных ситуаций являются эксплуатируемые машины, оборудование по добыче, хранению и транспортировке углеводородов.

В настоящее время разработаны и применяются различные технологии по снижению последствий загрязнения, но практически все они эффективны только при положительных температурах [1, 2, 3].

Омская область находится в Сибирском регионе, в котором зимний период времени в среднем составляет около шести месяцев. Основной проблемой обезвреживания нефтезагрязненной почвы в условиях отрицательной температуры окружающей среды является то, что загрязненная почва находится в смерзшемся состоянии, что препятствует нормальному протеканию процесса обезвреживания, а для подготовки почвы требуется дополнительная энергия, которую зачастую неоткуда взять.

Учитывая короткий вегетационный период и сложные природно-климатические условия, очень важной задачей является разработка и использование адаптированных к зимним условиям оборудования и технологий. технология аварийная нефтепродукт зимнее

Одной из самых распространенных в обычных условиях технологий обезвреживания почвы, загрязненной нефтепродуктами, является технология реагентного капсулирования, основанная на инкапсуляции загрязняющего вещества с применением щелочного реагента на основе кальция [4].

Технология реагентного капсулирования представляет сложный процесс, но в упрощенном виде она может быть описана при помощи двух химических уравнений [5]:

(1)

(2)

Окончательное формирование оболочки у микрокапсул из карбоната кальция на поверхности загрязняющего вещества происходит в результате химической реакции гидроксида кальция и углекислого газа, находящегося в окружающем воздухе [5]. При последующем нахождении капсулированного материала на воздухе происходит дальнейшее упрочнение оболочки.

Процесс обезвреживания с использованием технологии реагентного капсулирования следует осуществлять на оборудовании, которое сочетает в себе свойства смесителя и реактора (реактор-смеситель).

Совершенствование конструкции оборудования применительно к зимним условиям может идти по пути утилизации тепловой энергии, которая выделяется на каждом этапе процесса обезвреживания и в обычных условиях рассеивается в окружающей среде. Кроме того, длительный процесс насыщения углекислым газом, происходящий в естественных условиях на открытом воздухе, можно заменить принудительной подачей углекислого газа до высокой концентрации непосредственно в установку.

I. Постановка задачи

Задача исследования заключалась в оценке энергетического потенциала химической реакции экзотермического процесса химического обезвреживания почвы, загрязненной нефтепродуктами, и разработке проекта оборудования, позволяющего осуществлять процесс обезвреживания нефтезагрязненной почвы в зимних условиях.

II. Теория

Согласно закону Гесса, энтальпия реакции (ДН) равна сумме энтальпий образования продуктов реакции за вычетом суммы энтальпий образования исходных веществ с учетом стехиометрических коэффициентов:

, (3)

где и - соответственно конечное и исходное энергетическое состояние системы.

Для определения количества энергии, выделяемой в результате химической реакции экзотермического процесса химического обезвреживания почвы, загрязненной нефтепродуктами, потребуются стандартные теплоты (энтальпии) образования (ДН ⁰_f) веществ, участвующих в химической реакции [6], которые представлены в таблице 1.

Таблица 1. Энтальпии образования веществ, участвующих в химической реакции

Энтальпия химической реакции (1) определяется суммой энтальпий образования оксида кальция и воды за вычетом энтальпии образования гидроксида кальция:

Полученная теплота образования химической реакции рассчитана для 1 моля оксида кальция (CaO), который равен М(СаО)=56 граммов.

Так как строительная известь третьего сорта, используемая в качестве реагента, содержит 70 % активного оксида кальция, то количество молей СаО в 1 кг, участвующих в химической реакции, равно:

моль.

Тогда, при взаимодействии 1 кг строительной извести третьего сорта, используемой в качестве реагента, с водой выделяется энергия равная:

.

Аналогично определяется энтальпия химической реакции (2). При взаимодействии 1 кг гидроксида кальция (Са(ОН)₂) выделяется 1531 кДж.

Таким образом, в результате химической реакции экзотермического процесса химического обезвреживания почвы, загрязненной нефтепродуктами, выделяется: кДж.

Учитывая, что в природно-климатических условиях Арктики почва, загрязненная нефтепродуктами, содержит влагу и находится в смерзшемся состоянии, то для осуществления обезвреживания необходимо все смерзшиеся куски нефтезагрязненной почвы предварительно нагреть, чтобы они растаяли.

Чтобы нагреть лёд до температуры плавления необходимо следующее количество энергии:

, (4)

где с - удельная теплоемкость (для льда с=2110 Дж/(кг•°С));

m - масса материала (кг);

t₁ - температура плавления (для льда t₁ = 0 °С);

t₂ - температура окружающей среды (принимаем t₂ = -40 °С).

Тогда Дж = 84,4 кДж.

Чтобы лёд расплавить необходимо следующее количество энергии:

, (5)

где л - удельная теплота плавления (для льда л =340000 Дж/кг).

Тогда Дж = 340 кДж.

Суммарное количество теплоты, необходимое для того, чтобы смерзшиеся куски нефтезагрязненной почвы растаяли, определяется следующим образом:

кДж.

Проведенные расчеты показали, что в результате химической реакции экзотермического процесса химического обезвреживания 1 кг почвы, загрязненной нефтепродуктами, выделяется 2332,25 кДж, а для оттаивания смерзшихся кусков нефтезагрязненной почвы необходимо 424,4 кДж.

Таким образом, тепловой энергии, выделяющейся в результате химической реакции экзотермического процесса химического обезвреживания почвы, загрязненной нефтепродуктами, гарантированно хватит для успешного осуществления процесса обезвреживания нефтезагрязненной почвы.

На основе проведенных расчетов авторами разработана конструкция установки [7], позволяющая при помощи технологии реагентного капсулирования осуществлять обезвреживание почвы, содержащей нефтепродукты, в условиях отрицательной температуры непосредственно вблизи источника загрязнения. Схема установки представлена на рис. 1.

Рис. 1. Схема установки для обезвреживания при отрицательной температуре окружающей среды почвы, загрязненной нефтепродуктами

В установке тепловая энергия экзотермического процесса химического обезвреживания нефтесодержащего материала аккумулируется теплоносителем, который находится во внутренней полости стенки корпуса смесителя, а затем используется для оттаивания последующей порции смерзшегося нефтесодержащего материала, находящегося в бункере для оттаивания. Установка позволяет обезвреживать не только нефтезагрязненную почву, но и насыщенные нефтепродуктами лед или снег.

Установка для обезвреживания почвы, загрязненной нефтепродуктами, работает следующим образом. Нефтезагрязненный грунт (почва) и реагент в компонентном соотношении согласно рекомендациям [4] из бункера через загрузочный люк загружают в смеситель. Затем загрузочный люк закрывают и в бункер загружают новую партию смерзшегося нефтезагрязненного грунта для его оттаивания. Включают привод, который приводит в движение перемешивающее устройство, для осуществления процесса гомогенизации нефтезагрязненного грунта с реагентом. В полученную гомогенизированную смесь через устройство для подачи воды согласно рекомендациям [5] добавляют воду, после чего происходит дальнейшее перемешивание смеси. В процессе взаимодействия гомогенизированной смеси с водой происходит химическая реакция с образованием гидроксида кальция и выделением тепла. Затем после открытия вентиля из баллона по трубке начинает поступать в смеситель углекислый газ. В результате взаимодействия углекислого газа с гидроксидом кальция происходит формирование оболочки из карбоната кальция на поверхности нефтезагрязненного грунта. Для повышения интенсивности процесса формирования микрокапсул и обезвреживания нефтезагрязненного грунта осуществляется принудительная подача углекислого газа в смеситель при продолжении работы перемешивающего устройства в течение некоторого времени. Интенсивная подача углекислого газа, совмещенная с перемешиванием, позволяет завершить процесс формирования микрокапсул и начать процесс упрочнения оболочек капсулированного материала внутри установки. Причем, полученный таким образом капсулированный материал, сразу после выгрузки наружу будет иметь прочную, водонепроницаемую, биологически нейтральную для окружающей природной среды оболочку из карбоната кальция [5].

III. Результаты исследования

Разработана полезная модель установки, которая защищена патентом. В этой установке [7] тепловая энергия экзотермического процесса химического обезвреживания нефтезагрязненной почвы (грунта), выделяемая в ходе обезвреживания, используется для оттаивания последующей порции смерзшейся нефтесодержащей почвы. А принудительная подача углекислого газа в корпус установки на этапе образования оболочки из карбоната кальция на поверхности загрязняющего вещества позволяет ускорить процесс формирования и упрочнения микрокапсул, образующихся в результате обезвреживания нефтезагрязненной почвы, внутри установки.

IV. Обсуждение результатов

Рассматриваемая установка для обезвреживания нефтезагрязненной почвы по сравнению с другими установками имеет важное преимущество, которое заключается в использовании при необходимости (например, в зимних условиях) тепловой энергии, выделяемой на каждом этапе процесса обезвреживания нефтезагрязненной почвы, которая в обычных условиях рассеивается в окружающей среде. Кроме того, кратковременная принудительная подача углекислого газа на заключительной стадии процесса обезвреживания до высокой концентрации непосредственно в установку позволяет заменить длительный процесс образования и упрочнения оболочек микрокапсул, происходящий в естественных условиях на открытом воздухе.

Выводы и заключение

1. Для оперативного устранения последствий аварийных ситуаций, сопровождающихся разливами нефтепродуктов, в сложных природно-климатических условиях Омского региона наиболее перспективной является технология реагентного капсулирования.

2. Использование энергии экзотермического процесса химического обезвреживания нефтезагрязненного материала, в сочетании с принудительной подачей углекислого газа в зону обезвреживания на этапе образования оболочки из карбоната кальция на поверхности загрязняющего вещества позволит осуществлять в условиях отрицательной температуры окружающей среды обезвреживание почвы, льда и снега, загрязненных нефтепродуктами, с применением технологии реагентного капсулирования.

Список литературы

1. Manzetti S. Remediation technologies for oil-drilling activities in the Arctic: oil-spill containment and remediation in open water // Environmental Technology Rev. - 2014. - Vol. 3, iss. 1. - Р. 49-60 (http://doi:10.1080/21622515.2014. 966156).

2. Welander U. Microbial Degradation of Organic Pollutants in Soil in a Cold Climate // Soil and Sediment Contamination: An Intern. J. - 2005. - Vol. 14, iss. 3. - Р. 281-291 (http://doi:10.1080/15320380590928339).

3. Шихранов О.Г., Глязнецова Ю.С., Ерофеевская Л. А и др. Способы биоремедиации нефтезагрязненных почв для климатических условий Крайнего Севера и оценка их эффективности // Наука и технологии трубопроводного транспорта нефти и нефтепродуктов. - 2015. - № 1 (17). - С. 90-97.

4. Холкин Е.Г., Штриплинг Л.О., Ларионов К.С. Ликвидация последствий аварийных разливов нефтепродуктов в Арктической зоне России с использованием технологии реагентного капсулирования // Арктика: экология и экономика. - 2017. - № 1 (25). - С. 120-129.

5. Штриплинг Л.О., Токарев В.В., Гержберг Ю.М. и др. Переработка и утилизация нефтешламов и нефтезагрязненных материалов, образующихся в местах добычи, транспортировки и переработки углеводородного сырья: Монография / М-во образования и науки РФ, Омский гос. техн. ун-т. - Новосибирск: Изд-во СО РАН, 2013. 176 с.

6. А.И. Волков, И.М. Жарский, Большой химический справочник / А.И. Волков, И.М. Жарский. - Минск: Современная школа, 2005. - 608 с.

7. Патент 157884, Российская Федерация, МПК В 09С 1/08. Установка для обезвреживания нефтезагрязненных почв, грунтов и нефтешламов / Ларионов К.С., Холкин Е.Г., Штриплинг Л.О.? заявитель и патентообладатель Федер. гос. бюджет. образоват. учреждение высшего проф. образования "Омский гос. техн. ун-т". - № 2015130193/13? заявл. 21.07.15? опубл. 20.12.15, Бюл. № 35. - 2 с.

Размещено на Allbest.ru