Технічні вимоги до обладнання з вироблення сорбенту на базі графіту
Нафта і нафтопродукти є одним з найсильніших забруднюючих факторів навколишнього середовища. Споживаючи щодня близько 14 млн тонн нафти, людство у процесі її транспортування і переробки, за рахунок витоків і екологічних подій різного рівня щорічно вкидає в довкілля кілька сотень тисяч тонн цієї сировини.
Тому, видалення нафтопродуктів та інших токсичних рідин на вуглеводневій основі з навколишнього середовища є актуальним питанням. Застосування сорбентів – найпростіший спосіб ліквідації забруднень навколишнього середовища, пов’язаних з аварійними розливами нафтопродуктів та інших токсичних рідин.
Серед широкого спектра сорбентів терморозщеплений графіт
(далі – ТРГ), завдяки своїм властивостям може здійснити справжню революцію в екології. Його здатність до поглинання нафтопродуктів й інших забруднень оцінюється до 120 г на 1 г сорбенту (у кращих сорбентів цей показник становить 4–12 г/г). Він гідрофобний, хімічно інертний, екологічно чистий, поглинає нафтопродукти у розчиненому, стійкому емульгованому і в газоподібному стані. Тривала плавучість ТРГ виключає при його застосуванні появи донних опадів, а також дає можливість використовувати заповнені сорбентом бони у запобіжних цілях при можливих розливах нафти в околицях морських платформ, нафтоналивних терміналів, споруджуючи з них загороджувальні перешкоди. Висока швидкість сорбції: плівка нафти товщиною 3 мм адсорбується на 99,5% за 10 сек. Висока термостійкість дозволяє використовувати сорбент у разі займання нафтової плями, а також працездатність при мінусових температурах.
Унікальні властивості ТРГ дозволяють переглянути підходи до технологій очистки забірних, стічних та інших вод, відкрити інші можливості для рекультивації земельних ділянок і проводити регулярні очисні заходи на територіях промислових підприємств, автогосподарств, підприємств, пов’язаних з виробництвом і переробкою антропогенних токсичних рідин на вуглеводневій основі.
ТРГ отримують, як правило, термічною деструкцією гідролізованих інтеркальованих з’єднань графіту з кислотами Бренстеда. На першому етапі вихідний кристалічний графіт окислюють. Окислення зводиться до введення молекул й іонів сірчаної або азотної кислоти у присутності окислювача (перекис водню, перманганат калію та ін.) між шарами кристалічної решітки графіту. Окислений графіт відмивають і сушать. На другому етапі окислений графіт піддають термообробці – нагріванню зі швидкістю 400–600° С/с (термоудару). Завдяки надзвичайно високій швидкості нагріву відбувається різке виділення газоподібних продуктів з кристалічної решітки графіту. В результаті міжшарова відстань збільшується приблизно у 300 разів, і маленька луска графіту стає волокном довжиною до 6–10 мм. В отриманому матеріалі залишається деяка кількість оксидів сірки чи азоту в залежності від застосовуваної технології.
Найвідомішими способами отримання високої швидкості нагріву є нагрів за рахунок дії:
– високотемпературних процесів згорання вуглеводневого палива;
– резистивного нагріву;
– ІК-випромінювання;
– НВЧ-випромінювання;
– електричного пробою.
Отримання ТРГ для використання в якості сорбенту при ліквідації наслідків аварійних розливів нафти визначає основні вимоги до обладнання для отримання ТРГ. Обладнання повинно забезпечувати вироблення ТРГ безпосередньо на місці розливу нафти. Ця вимога обумовлена малою насипною густиною ТРГ. Один кубічний метр ТРГ має масу приблизно 1,8 кг. Це робить транспортування ТРГ на далекі відстані не рентабельним. Виходячи з цього можна стверджувати, що найраціональнішим для отримання сорбенту при ліквідації наслідків аварійних розливів нафти є використання мобільних установок.
На даний час в УкрНДІЦЗ розроблено та випробувано ряд зразків мобільних установок для отримання ТРГ. При розробці цих установок за основу була взята технологія створення термоудару за рахунок високотемпературних процесів згорання вуглеводневого палива. На фото показаний дослідний зразок мобільної установки на дизельному паливі.
До складу типової мобільної установки, як правило, входять:
– реакційна камера;
– пальник;
– система живлення паливом;
– система електроживлення;
– шасі.
В якості палива може використовуватися газова суміш пропан-бутану або дизельне пальне. Як показали дослідження, досвід проектування та випробування мобільних установок доцільнішим є використання дизельного палива у порівнянні з пропан-бутановою сумішшю, оскільки:
дизельне паливо завжди є в наявності у будь-яких районах, у тому числі, й в місцях ліквідації аварійних розливів нафтопродуктів;
пальники на дизельному паливі набагато простіші за газові, внаслідок чого більше, ніж удвічі, дешевші;
дизельне паливо при низьких температурах легко модифікувати в «зимове» за допомогою домішки гасу, якщо використовувати газ, то необхідна спеціальна «зимова» суміш пропан-бутану.
Основним технологічним і конструктивним елементом установки є реакційна камера, в якій і проходить процес термічної деструкції гідролізованих інтеркальованих з’єднань графіту (розщеплення). Матеріали, з яких виготовлена камера, повинні витримувати тривалу дію високої температури (до 1200º С), бути стійкими до вогневої ерозії, легкими та витримувати динамічні навантаження при транспортуванні установки.
Як було відзначено раніше, в якості сировини для вироблення ТРГ використовується окислений графіт. У мобільних установках процес завантаження окисленого графіту має особливе значення, повинна бути забезпечена максимальна експлуатаційна зручність та надійність процесу завантаження. Окислений графіт повинен зберігатися та завантажуватися в одній і тій же упаковці. Розмір упаковки залежить від потужності установки. Подача упаковки повинна здійснюватися ручним способом, це забезпечить надійність процесу та економію енергії автономного джерела енергії. В якості упаковки можна використовувати контейнери (пакети), які можуть виготовлятися із поліетилену, крафт-паперу або із інших горючих, механічно та хімічно стійких матеріалів.
Дуже важливою особливістю мобільної установки є можливість автономної роботи без зовнішніх джерел енергії. Установка повинна мати власне джерело енергії, яке б забезпечувало її безперебійну роботу впродовж робочої зміни. Як правило, в якості такого джерела енергії використовується електричний акумулятор з комплектом обладнання для заряджання та перетворення енергії. Водночас повинна бути забезпечена можливість підключення установки до мережевого електроживлення.
При проведенні робіт із ліквідації наслідків розливу нафти дуже важливим є фактор часу, оперативність доставки установки, можливість легкого переміщення у зоні розливу нафти. Розміри, маса та міцність конструкції установки повинні забезпечити легке транспортування установки розрахунком із двох чоловік у місцях ліквідації аварійних розливів, а також перевезення на будь-яку відстань автомобільним транспортом без будь-яких обмежень.
На даний момент у науково-дослідному центрі інноваційних технологій Українського науково-дослідного інституту цивільного захисту розроблено та виготовлено ряд мобільних установок для вироблення ТРГ, які за результатами випробувань показали свою високу ефективність та підтвердили правильність вибраних концептуальних технічних рішень.
Олександр МОРОЗ, УкрНДІЦЗ
