Оценка эффективности олеофильных губок в процессе сорбции паров углеводородов
научный журнал «Актуальные исследования» #7 (10), апрель '20

Оценка эффективности олеофильных губок в процессе сорбции паров углеводородов

В статье осуществлен поиск и проведен анализ научно-технической литературы на русском и английском языке, посвящённой проблеме разработки сорбентов на основе полимерных материалов, произведен теоретический расчет эффективности сорбции паров бензина.

Аннотация статьи
сорбент
потери нефти и нефтепродуктов
сорбция
губка
Ключевые слова

Транспорт и хранение газа и нефти от мест их добычи и нефтепродуктов от нефтеперерабатывающих заводов сопровождаются значительными затратами ресурсов – материальными и энергетическими, сокращение которых – важная народнохозяйственная задача.

Кроме нормируемой естественной убыли углеводородов при их транспортировке, хранении и наливе ещё значительны их потери от аварий, нарушений требований эксплуатации, несовершенства технологических операций. Поэтому в трубопроводном транспорте углеводородов организационно-технические ресурсосберегающие мероприятия учитывают два основных направления – это сокращение потерь нефти и нефтепродуктов.

Выбор определённых методов борьбы с потерями нефтепродуктов ведётся по технико-экономическим расчётам, основой которых является величина годовых потерь для каждого из сравниваемых вариантов. Одним из способов сокращения потерь от испарений является угольно-вакуумная сорбция. На сегодняшний день роль сорбентов для углеводородов выполняют в большей части активированные угли. Они позволяют эффективно извлекать сырье из паровоздушной смеси, но имеют недостатки: частая замена угля, неоправданно завышенное соотношение цена/качество при высоких концентрациях углеводородов, сложность процесса десорбции.

Авторы статей [1-5] разрабатывают губки, способные поглощать углеводороды с поверхности водоемов в случае аварийных разливов нефти и нефтепродуктов. В данной статье рассматривается альтернативна их применению – сокращение потерь нефти и нефтепродуктов от испарений. Рассматриваемые губки в сравнении с активированным углем обладают большей статической емкостью и более простым механизмом регенерации – обычным отжимом.

Авторы [1] представили пористый материал, эффективно впитывающий масла и нефть, разлитые на поверхности воды. Экспериментаторы из университетов Райса и Пенсильвании вырастили макроскопические губки из углеродных нанотрубок, многократно пересекающихся между собой. Достижение эффекта удалось за счет добавления бора на стадии выращивания нанотрубок, методом химического осаждения пара. Обычно трубки растут прямо и независимо друг от друга. Но включения бора заставляют их многократно изгибаться, переплетаться и скрещиваться, а главное – соединяться в самых различных точках за счёт создания ковалентных связей. Авторы указывают, что полученные губки способны сохранять эластичность даже после 10 тысяч циклов сжатия. Нанотрубочные блоки получились олеофильными, их способность поглощать нефть достигает значений до 100 г/г. За счет упругости и эластичности губки, процесс ее регенерации довольно прост, чтобы достать содержимое необходимо просто ее выжать. Второй способ освободить губку от адсорбата – поджечь ее. Нефть или нефтепродукты сгорят, а сама губка останется целой.

В статье [2] авторы разрабатывают новую сверхгидрофобную губку путем нанесения покрытия и термообработки товарной меламиноформальдегидной губки с полидиметилсилоксановыми смесями. В ходе изучения полученной губки была определена поглощающая способность губки – до 163 г/г. Меламиновая губка имеет пористую, объёмную структуру с размерами пор в диапазоне 100-150 мкм. Авторы отмечают, что в процессе нанесения PDMS-SP-покрытия пористая структура губки не разрушается, однако трехмерный скелет губки становится более шероховатым. Полученная губка показывала высокий показатель рециркулируемости после 1000 циклов.

Авторы статьи [3] описывают разработанные ими многоразовые масляные губки с поглощением нефти – до 40 г/г. За основу губки ученые взяли образцы самого легкого дерева Бальса. Разработчики разрушили клеточные стенки дерева и удалили полимеры: лигнина и гемицеллюлозы, что привело к пластинчатой структуре с волнообразными уложенными слоями. Далее ученые нанесли на волокна полученной губки специальное покрытие, которое придало свойства гидрофобности и олеофильности. В ходе опытов губки впитывали от 10 до 41 грамма масел и нефти на 1 грамм собственного веса. Что касается эластичности, они выдерживали более 10 циклов сжатия.

В статье [4] рассматриваются полиуретановые губки, покрытые оксидом графена и изготовленные поверхностным методом. Полученные губки так же гидрофобны, олеофильны и показывают хороший показатель абсорбции органических жидкостей. По результатам опытов показатель нефтеемкости вышел более 80 г/г. Более того показатель абсорбции сохранялся после 50 циклов сжатия, что является хорошим показателем перерабатываемости.

В статье [5] представлена губка, разработанная учеными Томского политехнического университета вместе с коллегами из Университета Лилля. В качестве основы нового сорбента была взята обычная бытовая губка из полиуретана. Для получения олеофильности использовались соли диазония. Губку нагревали до 60 градусов Цельсия в водном растворе с солями. Абсорбционная способность материала варьируется от 40 до 75 г/г для различных жирных жидкостей. Материал сохранял эффективную адсорбцию после пяти циклов рециркуляции.

Так как предполагается использование вышеуказанных губок в роли сорбентов на резервуарах, был произведен расчет эффективности применения меламиновой губки [2]. Кроме способности извлекать пары углеводородов из паровоздушной смеси, важным параметром является возрастающий перепад давления на сорбенте, так как расположение сорбента предполагается до дыхательного клапана. Примем в качестве допущения снижение давления срабатывания дыхательного клапана от избыточного давления с 1500 Па до 500 Па, это позволит получить запас перепада давления на губке до 1000 Па. Далее определим теоретическую динамическую активность сорбента, так как в статье отсутствует указанный параметр, то в таких случаях допускается принимать динамическую емкость в размере 45-90% от статической.

Расчет эффективности извлечения углеводородов сорбентом приводился для паров бензина при заполнении резервуара РВС-5000. Габариты сорбента были подобраны со следующими параметрами: высота h = 1 м, диаметр d = 0,7 м. Степень очистки паровоздушной смеси определяется по формуле материального баланса сорбционных процессов:

где G – масса сорбента, кг;

Q – расход паровоздушной смеси, м3/ч;

C0 – начальная концентрация адсорбата, кг/м3;

C1 – концентрация адсорбата на выходе из адсорбента, кг/м3;

τ – время процесса адсорбции сорбции, ч;

aд – динамическая поглотительная емкость адсорбента, кг/кг.

Время процесса адсорбции было определено из условия, что по мере насыщения пор губки бензином, максимальное допустимое давление может достигать 1000 Па. В ходе расчетов были определены следующие параметры: масса губки G = 12 кг время сорбции τ = 2, расход паровоздушной смеси через адсорбент Q = 200 м3, динамическая поглотительная емкость была принята как 10 % от статической aд = 16 кг/кг, начальная концентрация паров бензина C0 = 0,75 кг/м3 концентрация паров на выходе из сорбента C= 0,26 кг/м3.

Таким образом, теоретическая эффективность сорбции составила 65%. Учитывая длительность закачки бензина длительностью в 4,59 ч, его износ от десорбции составил 0,23%. Для точных расчетов необходимо в первую очередь экспериментально определить динамическую активную емкость материалов и определить наглядно, влияние насыщения рассматриваемых губок адсорбатом на изменение перепада давления до и после адсорбента.

Текст статьи
  1. Liu Y., Ma J., Wu T., Wang X., Huang G., Liu Y., Qiu H., Li Y., Wang W, Gao J. Cost-effective reduced graphene oxide-coated polyurethane sponge as a highly effi cient and reusable oil-absorbent // ACS Appl. Materials & Interfaces. 2013. Vol. 5, № 20. P. 10018–10026.
  2. Pham V. H., Dickerson J. H. Superhydrophobic silanized melamine sponges as high effi ciency oil absorbent materials // ACS Appl. Materials & Interfaces. 2014. Vol. 6, № 16. P. 14181–14188.
  3. Hashim, D., Narayanan, N., Romo-Herrera, J. et al. Covalently bonded three-dimensional carbon nanotube solids via boron induced nanojunctions. Sci Rep 2, 363 (2012). https://doi.org/10.1038/srep00363
  4. Hao Guan, Zhiyong Cheng, Xiaoqing Wang. Highly Compressible Wood Sponges with a Spring-like Lamellar Structure as Effective and Reusable Oil Absorbents. ACS Nano, 2018; 12 (10): 10365 DOI: 10.1021/acsnano.8b05763
  5. Магнитная полиуретановая губка для эффективной адсорбции масла и отделения масла от эмульсий масло-в-воде / О. Гусельникова, А. Баррас, А. Аддад и др. // Технология разделения и очистки, том 240, 1 июня 2020 г.
Список литературы
Ведется прием статей
Прием материалов
c 17 мая по 31 мая
Осталось 3 дня до окончания
Препринт статьи — после оплаты
Справка о публикации
БЕСПЛАТНО
Размещение электронной версии
04 июня
Загрузка в elibrary
04 июня
Рассылка печатных экземпляров
08 июня