Способ получения полимерных сорбентов

Способ получения полимерных сорбентов

Реферат

Изобретение относится к способам получения полимерных сорбентов, используемых в природоохранных целях для локализации сбора и утилизации нефти, нефтепродуктов с загрязненных участков поверхности воды, грунта на аварийных объектах нефтепромыслов, нефтепроводных магистралях, нефтеперерабатывающих заводах, АЗС, а также плановой очистки технологической, оборотной и сточных вод от нефтепродуктов и ионов тяжелых металлов.

Несмотря на большое разнообразие природных и искусственных сорбентов, в настоящее время, ввиду сложности аппаратурного оформления процессов получения и применения сорбентов, а также их малой эффективности, они не нашли широкого применения в промышленности.

Проведенные многолетние исследования и промышленные испытания показали, что наиболее эффективным и технологичным сорбентом является полимерный сорбент, полученный на базе различных водорастворимых синтетических карбамидоформальдегидных смол.

Известен способ получения карбамидоформальдегидного пенопласта, включающий приготовление смоляной эмульсии с отходом производства этилсульфонатов с последующим перемешиванием в реакторе путем подачи сжатого воздуха и отверждением вспененной массы кислотным отвердителем соляной кислоты 6-8% концентрации (RU №1807996 А, 3 Мкл. C08J 9/06).

Полученный пенопласт своими техническими характеристиками позволяет его эффективно использовать в основном только как теплоизоляционный материал, и менее эффективно, ввиду его относительно невысокой нефтеемкости, как сорбент.

Известны способы получения сорбента на основе карбамидоформальдегидных смол, включающий приготовление рабочих растворов, содержащих карбомидную смолу, ПАВ, кислотный катализатор, вспенивание смеси растворов сжатым воздухом, где жидкую карбамидоформальдегидную пену кратностью 20-30 формуют и выдерживают до полной полимеризации в течение 3-5 минут (RU №2107543, 1998, бюл. №9 и RU №2184608, бюл. №19, 2002).

В первом случае после отверждения сорбент измельчают в крошку фракции до 2-20 мм, которую высушивают в сушилке с кипящим слоем при 30...40°С (RU №2107543, 1998, бюл. №9).

К основным недостаткам этого полимерного сорбента относятся то, что данный сорбент имеет низкую насыпную плотность 1,5...3,0 кг/м³ и малую механическую прочность, что создает сложности для механизированного способа нанесения сорбента на объекты. Сбор и утилизация такого сорбента также приводит к техническим затруднениям. Кроме того, данный сорбент не является экологически чистым, поскольку фоновое выделение формальдегида выше ПДК.

Во втором случае к подогретому до 40-50°С и вспененному раствору неорганической кислоты с ПАВ дозировано впрыскивают гомогенный раствор карбамидной смолы с добавлением в количестве 3-6% мелкодисперсного карбоната щелочно-земельного металла, затем полимеризованную массу заливают в формы (RU №2184608, 2002, бюл. №19). Этому сорбенту присущи недостатки, которыми обладает сорбент, получаемый по первому способу.

Наиболее близким к изобретению по технической сущности является способ получения сорбента, включающий смешение эмульсии карбамидной смолы, содержащей дубильный экстракт коры хвойных пород и углеводородокисляющие микроорганизмы, с раствором, подогретым до 40-50°С, содержащем поверхностно-активное вещество, кислотный катализатор отверждения и минеральные соли, последующие вспенивание смеси сжатым воздухом, формование и отверждение (RU №2197322, опубл. 2003.01.27).

К основным недостаткам получаемого по этому способу сорбента относится сложность аппаратурного оформления процесса из-за наличия большого числа стадий, связанных с введением дополнительных ингредиентов и дополнительной обработкой компонентов перед смешением. Кроме того, производство дубильного экстракта из коры хвойных пород в промышленном масштабе не осуществлено. Организация его создает дополнительные сложности в аппаратурном оформлении процесса и по качеству экстракт может не соответствовать тому, который использовали в известном способе. Эти факторы существенным образом влияют на стоимость сорбента. Ориентировочная стоимость сорбента составляет 750-900 руб/м³.

К более существенным недостаткам этого способа получения сорбента относится то, что смоляную эмульсию, содержащую дубильный экстракт и углеводородокисляющие микроорганизмы подвергают озонированию, что приводит, с одной стороны, к окислению флавоноидов, в том числе таннидов, с образованием хинонов, которые токсичны для микрофлоры, и нерастворимых продуктов окислительной конденсации, с другой стороны, озон обладает бактерицидными свойствами. В целом все эти воздействия приводят к снижению количества жизнеспособных клеток микроорганизмов.

Кроме того, смешение смоляной эмульсии, содержащей нефтеокисляющие микроорганизмы, с раствором минеральной кислоты и ПАВ, имеющим pH 0-1 и температуру 40-50°С, даже если это воздействие кратковременно, приводит также к существенному снижению жизнеспособной микрофлоры, что связано с разрушением клеточной оболочки микроорганизмов при контакте с кислотой.

Изобретение решает задачу создания дешевых эффективных экологически чистых полимерных сорбентов с иммобилизованной нефтеокисляющей микрофлорой, обладающих широким диапазоном технических, функциональных и технологических возможностей, характеризующихся высокой способностью биологической утилизации нефти даже при высоком уровне загрязнения и не требующих последующего сбора с места нанесения.

Применение сорбента возможно в различных отраслях промышленности: топливно-энергетическом, нефтегазопромышленном комплексах, нефтетранспортирующих и перерабатывающих компаниях и других предприятиях и организациях, занимающихся авто- и железнодорожными, речными и морскими перевозками, хранением, складированием и реализацией нефтепродуктов на нефтебазах и автозаправочных станциях.

Технический результат заключается:

- в получении гранулированного полимерного сорбента с высокой нефтеемкостью и низким уровнем токсичности, т.е содержание формальдегида, г/дм³, не более (0,010...0,015);

- в получении полимерных сорбентов с иммобилизованными нефтеокисляющими микроорганизмами, выпускаемыми промышленностью в виде биопрепаратов, например дестройл (ТУ 9291-006-05803071-96), или микрофлорой, выделенной из почв, ранее загрязненных нефтью, и т.д.;

- в получении полимерного сорбента, не требующего удаления с места нанесения и способного в течение одного сезона снижать уровень загрязнения, даже при высоком начальном загрязнении до уровня, не требующего проведения дополнительных очистных мероприятий.

Обязательные требования, предъявляемые к получению и применению указанных сорбентов, специально разработаны и утверждены контролирующими органами и впервые введены в России технические условия ТУ 2223-001-02067907-96 "Сорбенты полимерные".

Технический результат достигается тем, что в заявляемом способе получения полимерного сорбента на основе карбамидоформальдегидной смолы, включающем приготовление рабочих растворов компонентов, вспенивание их сжатым воздухом, смешение эмульсии карбамидной смолы с раствором, содержащем поверхностно-активное вещество и кислотный катализатор, выдержку жидкой полимерной пены кратностью 40-70 об. ед. до полной полимеризации, ведут измельчение сорбента до частиц размером 21-30 мм, сушат при температуре 65-75°С и затем вводят нефтеокисляющие микроорганизмы.

Сушку сорбента в сушилке периодического действия проводят в течение 22-24 часов.

Сушку в СВЧ-печи проводят 5-6 часов.

Суспензию нефтеокисляющих микроорганизмов готовят из биопрепаратов на основе моно- или поликультуры, например, дестройл, и др. или накопительной культуры, полученной из почв, ранее подвергнутых нефтяному загрязнению.

Суспензию нефтеокисляющих микроорганизмов готовят с содержанием 10⁷-10⁸ кл/мл на минеральной среде, содержащей микроэлементы и азот в нитратной и аммонийной форме.

Для получения сорбента используются:

Смола марки КФ-МТ-15 по ГОСТ 14231-88 или ТУ 6-06-12-88 и ТУ 2223-048-26161597-2000.

В качестве ПАВ используют алкилбензолсульфокислоту АБСФК (ТУ 2481-036-04689375-95).

В качестве неорганической кислоты используют ортофосфорную кислоту (ГОСТ 6552-80).

На первом этапе получения заявленного сорбента полимерного с иммобилизованными микроорганизмами осуществляют подготовку компонентов в предназначенных для этого специальных аппаратах-реакторах согласно регламенту:

- эмульсию карбамидоформальдегидной смолы КФМТ-15 в воде с содержанием смолы 25-35 мас.ч. гомогенизируют путем механического перемешивания или подачей сжатого воздуха в течение 20-25 минут;

- раствор разбавленной минеральной кислоты (ортофосфорной) концентрацией 9-15% - 15-20 об.ч. и ПАВ (алкилбензосульфокислота - АБСФК) - 3,5-5,0 об.ч. при температуре 45-55°С гомогенизируют воздушно-механическим способом в течение 20-30 минут до кратности пены не ниже 40 об.ед.;

- суспензию биопрепарата в водном растворе минеральных солей с титром 10⁷-10⁸ кл/мл активируют путем воздушно-механического перемешивания в течение 5-6 часов.

На втором этапе в камере смешения осуществляют строго дозированное смешение подготовленной на первом этапе смоляной эмульсии с раствором кислоты с ПАВ. Ввод компонентов осуществляется через специальные форсунки. Такой способ ввода компонентов обеспечивает равномерный контакт реагирующих веществ. Мочевино-формальдегидные олигомеры, находящиеся в смоляной эмульсии, под воздействием кислотного катализатора вступают в реакцию поликонденсации с образованием твердых полимеров ячеистой структуры, где на долю открытых пор приходится около 80%. Образующаяся в камере смешения частично отвердевшая хлопьевидная полимерная масса по специальному трубопроводу подается в емкость, где происходит полное отверждение сорбента.

Твердый сорбент подвергают измельчению до частиц размером 21-30 мм. Такой гранулометрический состав обеспечивает быструю сорбцию нефти за счет осмотических сил и распределение ее по всему внутреннему объему частиц.

После измельчения сорбент для удаления свободного формальдегида, содержащегося в исходной смоле (0,15%) и образующего в процессе полимеризации, сушат при температуре 65-75°С. Сушку в сушилках периодического действия проводят путем подачи горячего воздуха в течение 22-24 ч, в СВЧ-печи - 5-6 ч. Содержание свободного формальдегида в сухом сорбенте не более 0,015%.

Иммобилизацию нефтеокисляющей микрофлоры (внесение в сорбент) проводят путем орошения частиц сорбента через специальные распылительные устройства суспензией, приготовленной на основе биопрепарата (моно- или полимикробного) или накопительной культуры нефтеокисляющих микроорганизмов, выделенных из почв, ранее загрязненных нефтью, имеющей в своем составе микроэлементы и азот в аммонийной и нитратной форме. Суспензию вносят в таком количестве, чтобы содержание нефтеокисляющей микрофлоры в готовом сорбенте составляло 10⁸-10⁹ кл/г сорбента.

Полученный таким способом биосорбент содержит бигены (азот, фосфор) и другие минеральные вещества, гидрофилен имеет развитую пористую структуру, быстро поглощает нефть, которая внутри сорбента распределяется в виде тонкой пленки, что не ограничивает контакт микроорганизмов, внесенных в сорбент с кислородом воздуха, все это в целом создает благоприятные условия для их жизнедеятельности.

Практика подтвердила высокую эффективность использования полученного по заявляемому способу биосорбента для ликвидации нефтяных загрязнений. Он способен в течение одного сезона снизить уровень нефтяного загрязнения до уровня, не требующего проведения дополнительных очистных мероприятий, не зависимо от уровня первоначального загрязнения. Сорбент не требует уборки после нанесения, поскольку, имея развитую пористую структуру и биогенные элементы, он выполняет роль структурообразователя почв и служит дополнительным источником минеральных веществ, способствуя более быстрому восстановлению нарушенного биоценоза.

Пример 1. В реактор загружают 25 массовых частей карбамидоформальдегидной смолы марки КФ-МТ и расчетное количество воды. Смесь перемешивают до гомогенного состояния в течение 20 минут с помощью насоса. Для дополнительного перемешивания и вспенивания смоляной эмульсии в реактор подается сжатый воздух. Далее смоляная эмульсия поступает в камеру отверждения, где происходит взаимодействие ее с 20 массовыми частями кислотного отвердителя ортофосфорной кислотой 9%-ой концентрации, предварительно вспененной с 3,5 мас. частями пенообразователя марки АБСФК при температуре 45°С, впрыскиваемого в камеру с помощью форсунки. В камере отверждения в результате реакции поликонденсации компонентов смолы образуется хлопьевидная частично отвердевшая полимерная масса, кратностью 40 об. ед., которая по специальному пенопроводу поступает в емкость, где она полностью отвердевает. Далее твердый сорбент поступает на измельчение до частиц размером 21 мм и сушку в течение 24 часов в сушилке периодического действия при температуре 65°С. После сушки полимерный сорбент обрабатывают суспензией нефтеокисляющих микроорганизмов, содержащей 10⁹ кл/мл, приготовленной на минеральной среде из биопрепарата, например мономикробный - Дестройл, из расчета 1 л суспензии на 1 кг сорбента, которая подается через распылительное устройство. После подсушивания готовый биосорбент упаковывают в полиэтиленовые мешки.

Пример 2. В реакторе готовят эмульсию, состоящую из 35 массовых частей карбамидоформальдегидной смолы марки КФ-МТ, 2 массовых частей пенообразователя марки АБСФК и воды. Полученную смесь перемешивают до гомогенного состояния в течение 25 минут с помощью насоса. Далее, хорошо перемешанная эмульсия, с помощью насоса подается в реактор вспенивания. Для вспенивания эмульсии в реактор также подается сжатый воздух. В результате воздушно-механического воздействия в реакторе из эмульсии образуется высокократная стойкая пена. Далее пена поступает в камеру отверждения, где происходит взаимодействие ее с 15 массовыми частями кислотного отвердителя, ортофосфорной кислотой 15%-ной концентрации, предварительно вспененной с 3 массовыми частями пенообразователя марки АБСФК и нагретого до 55°С, который впрыскивается в камеру с помощью форсунки. Образующаяся в камере хлопьевидная, частично отвердевшая полимерная масса, кратность которой достигает 70 об/ед., по специальному пенопроводу поступает в емкость. Далее процесс осуществляется также, как в примере 1. Отличием является только то, что сорбент измельчают до частиц размером 30 мм, сушат его в течение 22 часов при температуре 70°С, а обработку проводят накопительной культурой нефтеокисляющих микроорганизмов, выделенных из почв, ранее загрязненных нефтью, содержащей 10⁸ кл/мл и минеральные компоненты (аммонийный и нитратный азот и микроэлементы).

Пример 3. Процесс ведут аналогично примеру 1. Отличием является то, что сушку сорбента ведут в СВЧ-печи в течение 5 часов.

Пример 4. Процесс ведут аналогично примеру 2. Отличием является то, что сушку сорбента ведут в СВЧ-печи в течение 6 часов

Использование предлагаемого способа получения полимерных сорбентов позволяет получать сорбенты с широким диапазоном функциональных, технологических возможностей с заданными физико-механическими свойствами.

Физико-механические свойства сорбентов приведены в таблице.

Способ получения сорбентов	Объемная масса, кг/м3	Сорбционная емкость, г неф/г. собр	Сбор и утилизация сорбата	Равновесная концентрация НСНО в воздухе, мг/дм3	Время полного биоразложения 100 г сорбата, сут	Степень биохимического окисления нефтепродуктов
Известный	12-18	42-57	Биоразложение	0,08	27-31	75-91
Предлагаемый	8-25	45-60	Биоразложение	0,01	14	88-94

1. Способ получения полимерного сорбента, включающий смешение эмульсии карбамидной смолы с раствором, содержащим поверхностно-активное вещество и кислотный катализатор отвержения, вспенивание смеси сжатым воздухом, отверждение, отличающийся тем, что после отверждения полимерный сорбент измельчают до частиц размером 21-30 мм, сушат при температуре 65-70°С и обрабатывают суспензией нефтеокисляющих микроорганизмов.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что сушку сорбента проводят в сушилке периодического действия в течение 22-24 ч.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что сушку сорбента проводят в СВЧ-печи в течение 5-6 ч.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что для приготовления суспензии нефтеокисляющих микроорганизмов используют биопрепараты на основе поли- или монокультуры, или накопительную культуру, полученную из почв ранее подвергнутых нефтяному загрязнению.

5. Способ по п.1, отличающийся тем, что суспензию нефтеокисляющих микроорганизмов готовят с содержанием 10⁸-10⁹ кл/мл на минеральной среде, содержащей микроэлементы и азот в нитратной и аммонийной форме.