СПОСОБ ОЧИСТКИ ВОДЫ, И/ИЛИ ВОДНЫХ ПОВЕРХНОСТЕЙ, И/ИЛИ ТВЕРДЫХ ПОВЕРХНОСТЕЙ ОТ НЕФТИ, НЕФТЕПРОДУКТОВ И ДРУГИХ УГЛЕВОДОРОДНЫХ ХИМИЧЕСКИХ ЗАГРЯЗНИТЕЛЕЙ (ВАРИАНТЫ) Российский патент 2001 года по МПК B01J20/20 B01J20/32 B01D39/00 C02F1/28 

Изобретение относится к области экологии, а именно к борьбе с загрязнением окружающей среды нефтью, нефтепродуктами, циклическими и ароматическими углеводородами, другими углеводородными загрязнителями.

Известны способы очистки водных и твердых поверхностей с использованием абсорбента "Праймсорб" (США). Это сорбционные процессы с применением дорогого вещества невысокой поглотительной способности.

Известен способ снятия нефтяной пленки с поверхности воды, включающий замкнутую систему образования сорбирующего материала (частиц угля, связанных полиэтиленом), находящегося на борту судна, диспергирование сорбирующего материала по поверхности воды и сбор его после сорбции нефти (патент US 37831296, кл. E 02 В 15/04, 1974 г.). Недостатками данного способа являются длительность процесса сорбции нефти и его низкая сорбционная способность (порядка 75%), что не позволяет иметь на борту судна достаточное для очистки больших водных поверхностей количество сорбента. Кроме того, способ не предназначен для удаления нефти и нефтепродуктов с поверхности суши.

Известен способ сбора разлившейся нефти и нефтепродуктов, включающий изготовление углеродной смеси высокой реакционной способности (УСВР), диспергирование УСВР по поверхности и/или в толщу воды, загрязненной разлившейся нефтью или нефтепродуктами, и сбор УСВР после насыщения (присоединения) нефти или нефтепродуктов (Патент RU N 2123086, кл. E 02 В 15/04, 10.12.98). В данном способе УСВР изготавливают из природного графита, обработанного кислотой, путем резистивного нагрева. Изготовление УСВР может производиться на судне-сборщике нефти. Данный способ значительно эффективнее, однако он является достаточно энергоемким и требует наличия сложной установки для производства УСВР.

Известен также способ очистки воды от углеводородных химических загрязнителей с использованием фильтра на основе углерода ("Некоторые аспекты технологии подготовки питьевой воды", под ред. проф В.Ф.Олонцева, Пермь, АЕН РФ, 1997, с. 33-38). Недостатком такого способа является недостаточная эффективность очистки воды.

Технической задачей изобретения является повышение эффективности очистки воды и сбора нефти и нефтепродуктов, а также обеспечение сбора других углеводородных химических загрязнителей, за счет присутствующих в составе смеси нанокристаллов углерода (углеродных нанотрубок), обладающих высокой поглотительной способностью по отношению к различным химическим веществам и соединениям.

Поставленная задача решается тем, что в способе сбора углеводородных химических загрязнителей, включающем изготовление промышленным низкотемпературным методом (методом холодной деструкции) углеродной смеси высокой реакционной способности (УСВР), диспергирование ее по водной и/или твердой поверхности и/или в толщу воды, загрязненной углеводородными соединениями, и сбор УСВР после сорбции углеводородных соединений. Изготовление УСВР производят путем химической обработки исходного графитсодержащего сырья по крайней мере одним галоген-кислородным соединением общей формулы МХО_n, где
М - одно из химических веществ ряда: H, NH₄, Na, К; X - одно из химических веществ ряда: Cl, Br, J; а n=1 - 4, с последующим взрывным разложением соединений, инициированным путем фотохимического, или электрохимического, или механического, или термохимического, или сонохимического, или прямого химического воздействия.

В качестве исходного графитсодержащего сырья используют или природный чешуйчатый графит, или графит в виде порошка.

Для обеспечения оптимального режима изготовления УСВР весовое соотношение исходного графитсодержащего сырья и галоген-кислородного соединения равно 2:1.

При сборе разлившейся нефти, нефтепродуктов и других углеводородных загрязнителей с поверхности воды изготовление УСВР можно производить на судне-сборщике нефти или на берегу.

После сбора насыщенной углеводородными загрязнителями, например, нефтью, УСВР собранную нефть можно удалить путем отжима.

УСВР можно использовать повторно.

Поставленная задача решается также тем, что в способе сбора углеводородных загрязнителей, включающем фильтрацию воды, загрязненной углеводородными соединениями, с использованием фильтра на основе углерода, в качестве материала фильтра используют углеродную смесь высокой реакционной способности (УСВР), изготовленную путем химической обработки исходного графитсодержащего сырья по крайней мере одним галоген-кислородным соединением, имеющим формулу МХО_n, где M - одно из химических веществ ряда: H, NH₄, Na, K; X - одно из химических веществ ряда: Cl, Br, J; a n=1 - 4, с последующим взрывным разложением соединений, инициированным путем фотохимического, или электрохимического, или механического, или термохимического, или сонохимического воздействия, или прямого химического воздействия.

В качестве исходного графитсодержащего сырья используют или природный чешуйчатый графит, или графит в виде порошка.

На фиг. 1 и 2 изображены варианты устройства для получения УСВР.

Способы очистки воды, водных или твердых поверхностей от нефти, нефтепродуктов и других углеводородных загрязнителей основан на изготовлении УСВР, представляющей собой углеродную смесь, обладающую огромной реакционной способностью по отношению к любым углеводородным соединениям. Реакционная способность углеродной смеси обусловлена тем, что при ее изготовлении из природного чешуйчатого графита, или графита в виде порошка, или другого графитсодержащего сырья происходит не только расслаивание кристаллитов на отдельные пакеты базисных плоскостей, как при известных способах изготовления расширенного графита, но и разрыв межгексагональных ковалентных связей. Это приводит к образованию энергетически напряженных атомарных соединений углерода. Кроме того, полученная УСВР является гидрофобным материалом, т.е. не впитывает воду и не соединяется с водой.

При изготовлении УСВР химическая обработка исходного графитсодержащего сырья (природного чешуйчатого графита или графита в виде порошка) производится галоген-кислородными соединениями общей формулы МХО_n, где М - одно из химических веществ ряда: H, NH₄, Na, K; X - одно из химических веществ ряда: Cl, Br, J; a n=1 - 4, с образованием инициирующих комплексов, способных в результате фотохимического, механического, термохимического, сонохимического или прямого химического воздействия к экзотермическому взрывообразному разложению с последующим инициированием автокаталитического процесса распада соединения. Инициирующие комплексы вводятся в межслоевые пространства графита, инициируется их взрывообразное разложение и происходит разрыв не только Ван-дер-Ваальсовых, но и ковалентных связей, что приводит к образованию углеродной смеси высокой реакционной способности (УСВР).

Процесс преобразования осуществляется в любой емкости (сосуде и т.п.), в том числе возможен и без доступа кислорода.

Процесс преобразования графита (разрыв Ван-дер-Ваальсовых связей) осуществляется под воздействием микро-взрывов вводимых в межслойные пространства графита взрывчатых веществ, в данном случае названных инициирующими комплексами. Взрывчатое вещество находится в межслойном пространстве на молекулярном уровне и химическим путем инициируется до взрыва. В результате энергий, высвобождаемых микро-взрывом, происходят разрывы не только Ван-дер- Ваальсовых связей, но и межатомарных связей с образованием не только свободных радикалов С, C₂, С₃, C₄, C₅, но и радикалов в виде гексагоналов (одного или нескольких) с присоединенными к ним радикалами вида С, C₂, С₃, C₄ и C₅, обеспечивающих в совокупности высокую реакционную способность получаемой углеродной смеси.

Устройство выполнено в виде герметичного корпуса 1, внутри которого в верхней части корпуса расположена загрузочная емкость 2, в которую загружается исходное графитсодержащее сырье 3 после соответствующей химической обработки. Под загрузочной емкостью размещается приемный сетчатый бункер 4, в который поступает готовый продукт 5 (УСВР).

После загрузки исходного сырья любым из вышеуказанных способов инициируется взрывообразный процесс. Блок, инициирующий данный процесс, на схемах устройства не показан. В результате преобразования графита и образования углеродной смеси высокой реакционной способности (УСВР) объем исходного вещества увеличивается в несколько сотен раз и готовая УСВР, поднимаясь, высыпается через край загрузочной емкости 2 и попадает в приемный сетчатый бункер 4. Образующиеся внутри устройства пары и газы через поглотитель 6 откачиваются компрессором 7. Поглотитель 6 паров и газов представляет собой молекулярное сито для улавливания вредных составляющих газовой смеси, например, паров соляной кислоты и хлора, и в виде уже безвредных паров воды, углекислого газа и др. выбрасываются в атмосферу. Для выхода газа из корпуса в его нижней части предусмотрен патрубок, снабженный клапаном.

Поглотитель 6 паров газов может быть расположен вне корпуса 1 (фиг. 1) или внутри корпуса 1 перед выходным патрубком (фиг.2).

После завершения процесса наружный корпус 1 раскрывается и готовый продукт 5 (УСВР) выгружается из приемного сетчатого бункера 4.

Описанная промышленная установка компактна, неметаллоемка и может быть размещена непосредственно на судне-сборщике нефти, на автомобильном шасси или прямо на земле (на берегу). Насыпная плотность УСВР значительно ниже насыпной плотности исходного сырья, кроме того, один грамм УСВР присоединяет к себе не менее 50 г углеводородных соединений. Таким образом, обеспечивается возможность обработки огромных загрязненных поверхностей моря за один выход судна, без его дозагрузки. При этом УСВР прочно удерживает собранные нефтепродукты или углеводородные соединения, оставаясь достаточно сухим, что позволяет использовать для их сбора наиболее дешевый сухогрузный флот.

При осуществлении способа выброс УСВР может производиться непосредственно в толщу воды под загрязненной поверхностью или прямо на поверхность, а благодаря малому удельному весу он легко всплывает и держится на поверхности, впитав в себя или присоединив к себе углеводородные загрязнители, например нефть.

УСВР, соединенная с углеводородными загрязнителями, например, с нефтью, может быть легко собрана с поверхности воды известными способами.

УСВР так же легко удаляется вместе с нефтью и другими углеводородными загрязнителями и с поверхности суши с использованием уборочной техники или после предварительного смыва водой насыщенной УСВР в отрытый канал или любой водоем с последующим сбором, как с поверхности воды.

Собранная при этом нефть или другие углеводородные загрязнители остаются пригодными для дальнейшего их прямого использования, а отжатая УСВР - для эффективного повторного использования, что имеет большое значение при стихийных бедствиях и экологических катастрофах, связанных с проливом нефти, нефтепродуктов, других опасных углеводородных соединений, особенно при их попадании в воду.

Изобретение позволяет получить высокую степень очистки, например, воды. Данные очистки воды с использованием фильтров из УСВР приведены в таблице 1.

В отличие от известных материалов аналогичного назначения, например, расширенного графита, частицы УСВР имеют размеры порядка десятков мкм и образуют гранулы, имеющие на поверхности вытянутую волокнистую структуру (подобную мочалу) с диаметром волокон порядка единиц и даже долей мкм. Основу УСВР составляют нанокристаллы углерода с присоединенными к ним радикалами вида С - C₅. Эти структуры имеют невыгодное энергетическое состояние и стремятся компенсировать его за счет присоединения к себе различных химических элементов и соединений. Присоединяемые соединения приведены в таблице 2.

Способ позволяет очищать загрязненные поверхности птиц (перья) и животных (шерсть) обсыпанием и обтиранием сухой УСВР с дальнейшей промывкой чистой водой. Никаких других очистительных мер при этом не требуется.

Способ очистки загрязненных поверхностей и воды в соответствии с данным изобретением является экологически безопасным: получаемый материал (УСВР) является чистым углеродом и не представляет опасности для живых организмов.

Изобретение относится к экологии, а именно к борьбе с загрязнением окружающей среды нефтью, нефтепродуктами, цикличными и ароматическими углеводородами, другими углеводородными загрязнителями. Способ очистки воды, и/или водных поверхностей, и/или твердых поверхностей от нефти, нефтепродуктов и других углеводородных загрязнителей включает изготовление углеродной смеси высокой реакционной способности (УСВР), диспергирование ее по водной и/или твердой поверхности и/или в толщу воды, загрязненной углеводородными соединениями, и сбор УСВР, насыщенной углеводородными соединениями. Изготовление УСВР производят путем химической обработки исходного графитсодержащего сырья (природного чешуйчатого графита или графита в виде порошка) по крайней мере одним галоген-кислородным соединением, имеющим формулу МХО_n, где М - одно из химических веществ ряда: Н, NH₄, Na, K; X - одно из химических веществ ряда: Cl, Br, J; a n = 1 - 4, с последующим взрывным разложением соединений, инициированным путем фотохимического, или электрохимического, или механического, или термохимического, или сонохимического, или прямого химического воздействия. Таким же образом может быть изготовлен сорбирующий материал фильтра для фильтрации воды. Технический результат: повышение эффективности очистки воды и сбора нефти и нефтепродуктов, а также обеспечение сбора других углеродных химических загрязнителей за счет присутствующих в составе смеси нанокристаллов углерода (углеродных нанотрубок), обладающих высокой поглотительной способностью по отношению к различным химическим веществам и соединениям. 2 с. и 6 з.п.ф-лы, 2 ил., 2 табл.

1. Способ сбора углеводородных химических загрязнителей, включающий изготовление углеродной смеси высокой реакционной способности из исходного графитсодержащего сырья, диспергирование ее по водной и/или твердой поверхности и/или в толщу воды, загрязненной углеводородными соединениями, и сбор углеродной смеси высокой реакционной способности, насыщенной углеводородными загрязнителями, отличающийся тем, что изготовление углеродной смеси высокой реакционной способности производят путем химической обработки исходного графитсодержащего сырья по крайней мере одним галогенкислородным соединением, имеющим формулу
МХО_n,
где М - одно из химических веществ ряда: Н, NH₄, Na, К;
Х - одно из химических веществ ряда: Cl, Br, J;
n = 1 - 4,
с последующим взрывным разложением соединений, инициированным путем фотохимического, или электрохимического, или механического, или термохимического, или сонохимического, или прямого химического воздействия. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве исходного графитсодержащего сырья используют или природный чешуйчатый графит, или графит в виде порошка. 3. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что весовое соотношение исходного графитсодержащего сырья и галогенкислородных соединений равно 2 : 1. 4. Способ по любому из пп.1 - 3, отличающийся тем, что изготовление углеродной смеси высокой реакционной способности производят на судне-сборщике нефти, или на автомобиле, или на земле. 5. Способ по любому из пп.1 - 4, отличающийся тем, что после сбора углеродной смеси высокой реакционной способности, насыщенной углеводородными загрязнителями, собранные углеводородные загрязнители удаляют путем отжима. 6. Способ по п.5, отличающийся тем, что после удаления углеводородных загрязнителей углеродную смесь высокой реакционной способности используют повторно. 7. Способ сбора углеводородных химических загрязнителей, включающий фильтрацию воды, загрязненной углеводородными соединениями, с использованием фильтра на основе углерода, отличающийся тем, что в качестве материала фильтра используют углеродную смесь высокой реакционной способности, изготовленную путем химической обработки исходного графитсодержащего сырья, по крайней мере, одним галогенкислородным соединением, имеющим формулу
МХО_n,
где М - одно из химических веществ ряда: H, NH₄, Na, K;
Х - одно из химических веществ ряда: Cl, Br, J;
n = 1 - 4,
с последующим взрывным разложением соединений, инициированным путем фотохимического, или электрохимического, или термохимического, или сонохимического, или прямого химического воздействия. 8. Способ по п.7, отличающийся тем, что в качестве исходного графитсодержащего сырья используют или природный чешуйчатый графит, или графит в виде порошка.