Эффективность применения горючих сланцев и сланцезольных отходов для очистки воды от органических загрязнителей

Abstract

Актуальность работы объясняется большим количеством сланцезольных отходов и сланцевой мелочи, образующихся при переработке и добыче горючих сланцев, утилизация которых позволит повысить эффективность использования таких твердых горючих ископаемых, как горючие сланцы. Цель работы: изучение сорбционных и фильтрационных свойств горючих сланцев и сланцезольных отходов для очистки воды от органических загрязнителей (нефти и нефтепродуктов). Методы исследований. Использовалось современное лабораторное оборудование: энергодисперсионный ренгенофлуоресцентный спектрометр Epsilon PANanalitical, гранулометрический классификатор ASControl 200, рН-метр «Эксперт-рН», термостатирующий шкаф Shaking Incubator 3032-3033. Изучение физико-химических свойств сланцезольных отходов и горючих сланцев для определения их фильтрационных и сорбционных характеристик производилось по следующим методикам: пористость горючих сланцев определялась по результатам анализа действительной и кажущейся плотности; действительную плотность определяли взвешиванием пробы сланца в воздухе и в пикнометрической жидкости, кажущуюся плотность - по объему воды, вытесненной исследуемым образцом; удельная площадь определялась по методу MultiPoint BET; прирост сухого остатка (величина сухого остатка характеризует общее содержание растворенных в воде нелетучих минеральных и частично органических соединений), истираемость и измельчаемость определялись по ГОСТ Р 51641-2000 «Материалы фильтрующие зернистые» и ГОСТ 18164-72 «Метод определения содержания сухого остатка». Определение сорбционной емкости проводилось с материалом различной фракции (от <0,125 до 4 мм) при температуре 25 °С, масса пробы 3 г. Для определения сорбционной емкости использовались сырая нефть легкая, тяжелая высоковязкая нефть, дизельное топливо, тяжелый газойль каталитического крекинга. Навеска материала помещалась в емкость с нефтью или нефтепродуктом, после чего проба материала взвешивалась. Сравнением исходной массы материала до и после опыта определяли его сорбционную емкость. Результаты. Определено, что в минеральной части горючих сланцев в основном преобладают оксид кальция и оксид кремния. Проведен гранулометрический анализ сланцезольного остатка процесса газификации горючих сланцев. Содержание фракции более 4 мм - 52,56 %, 2-4 мм - 19,85 %, 1-2 мм - 13,27 %, 0,5-1 мм - 11,3 %, 0,25-0,5 мм - 1,76 и 1,26 % для фракции менее 0,25 мм. Установлено, что горючие сланцы и сланцезольный остаток удовлетворяют требованиям ГОСТ Р 51641-2000 «Материалы фильтрующие зернистые». Определено, что площадь удельной поверхности у горючих сланцев выше, чем у сланцевой золы и что в результате термического воздействия тонкопористая структура уплотняется - снижается удельная поверхность (Sу до термической обработки горючих сланцев - 12,93 см2/г, после - 2,29 см2/г). Полученные значения сорбционной емкости сланцезольного остатка выше значений сорбционной емкости горючих сланцев, песка и цеолита. Более высокие значения сорбционной емкости сланцезольного остатка по сравнению с горючими сланцами можно объяснить увеличением их пористости в 1,5 раза. Изучение фильтрационных свойств горючих сланцев через слой материала (горючие сланцы) осуществлялось при естественной разности давлений (разница давлений создавалась столбом жидкости над материалом).

The relevance of the work is caused by a large number ash-shale waste and oil shale fines formed in refining and oil shale mining, processing and utilization which will enhance the efficiency of using such solid fuels as oil shale. The main aim of the study is to assess the possibility of using oil shale and ash-shale waste for water treatment from organic pollutants (oil and oil products). The methods used in the study. The modern laboratory equipment (granulometric classificatory ASControl, X-ray energy dispersive spectrometer Epsilon PANanalitical, pH-meter «Expert-pH», temperature control Cabinet Shaking Incubator 3032-3033) was used. The authors have studied physic-chemical properties of ash-shale waste and oil shale to determine their filtration and sorption characteristics using the following methods: oil shale porosity was determined by the results of the analysis of actual and apparent density; actual density was determined by weighing a slate sample in the air and in pyncometer liquid and apparent density was defined by water volume, displaced by the studied sample; specific area was determined using MultiPoint BET; gain of dry residue (the amount of dry residue characterizes the total content of dissolved non-volatile mineral and partly organic compounds), abrasion and grindability were determined according to the GOST R 51641-2000 «Granular filter material» and GOST 18164-72 «Method for determining dry residue». Sorption capacity was defined with material of various fraction (from <0,125 to 4 mm), at 25 C, the sample mass is of 3 g. To determine sorption capacity the authors used: crude light oil; heavy high-viscosity oil; diesel fuel; heavy gas oil of catalytic cracking. Sorption capacity of the material before and after the experiment was determined by comparison of initial mass. The results. The authors determined that the mineral part of oil shale mainly contains calcium oxide and silicon oxide, and carried out the particle size analysis of oil shale ash residue of oil shale gasification. Content of fraction is higher than 4 mm - 52,56 %, from 2 to 4 mm - 19,85 %, from 1 to 2 mm - 13,27 %, from 0,5 to 1 mm - 11,3 %, from 0,25 to 0,5 mm - 1,76 % and 1,26 % less than 0,25 mm. It was ascertained that shale oil and ash - shale wastes meet the requirements of GOST R 51641-200 «Granular filter Material». The authors determined that the specific surface area of oil shale is higher than that of ash-shale and as a result of thermal exposure the thin porous structure is compacted - the specific surface area is reduced (Sy is 12,93 cm2/g before thermal processing of oil shale, it is 2,29 cm2/g after it). The obtained values of sorption capacity oil shale ash - shale wastes are higher than the values of sorption capacity of oil shale, sand and zeolite. Higher values of sorption capacity of ash - shale wastes compared to oil shale can be explained by the increased porosity by 1,5 times. Filtration properties of oil shale through a layer of material (oil shale) were studied under natural pressure difference (the pressure difference created by the fluid column above the material).