Магнитный сорбент для сбора нефти, масел и нефтепродуктов Российский патент 2018 года по МПК B01J20/24 B01J20/26 B01J20/06 

Изобретение относится к области производства сорбентов для удаления нефти и нефтепродуктов из воды, других жидких сред, а также с поверхностного слоя почвы или грунта.

Известен способ получения сорбента, предназначенного для удаления нефти и нефтепродуктов, обладающего плавучестью, высокой поглощающей способностью, включающего вулканизат на основе изопренового каучука и вулканизирующую систему, а также - латексную пенорезину (RU 2104780, опубл. 20.02.1998). Однако этот сорбент не обладает магнитными свойствами, что затрудняет сбор и утилизацию уже поглощенных нефти и нефтепродуктов.

Известен пористый магнитный сорбент (RU 2241537, опубл. 10.02.2014), включающий полимерную пористую матрицу и магнитный материал. В качестве полимерной матрицы он содержит пористый сшитый или сверхсшитый полимер со степенью сшивки не менее 60%, удельной поверхностью 800-1900 м²/г и содержанием открытых пор 60-100% от суммарного объема пор, а в качестве магнитного материала содержит магнитный наполнитель с размером частиц от 1 мкм при следующем соотношении компонентов, мас.%:

вышеуказанный сшитый или сверхсшитый пористый полимер со степенью сшивки не менее 60% 35-85 вышеуказанный магнитный наполнитель 15-65

Недостатком указанного сорбента является сравнительно сложная технология его изготовления с использованием веществ - экологических загрязнителей.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению является порошкообразный магнитный сорбент для сбора нефти, масел и других углеводородов (RU 2462303, опубл. 27.09.2012).

Указанный порошкообразный магнитный сорбент для сбора нефти, масел и других нефтепродуктов, представляющий собой продукт горнообогатительных комбинатов, содержит ферромагнетики железной руды в виде Fe₃O₄ и/или Fe₂O₃ и неорганическое связующее в виде диоксида кремния SiO₂ из той же руды при следующем соотношении (мас.%):

Fe₃O₄ и/или Fe₂O 5-59 SiO₂ 41-95

При этом поверхность сорбента гидрофобизирована высокомолекулярным органическим реагентом, состоящим из углеводородного раствора изобутиламина или гексиламина, или аминового реагента, использованного при флотационном обогащении железной руды.

Технология получения сухого железорудного концентрата включает последовательно процессы дробления железной руды, магнитной сепарации, обратной флотации катионными поверхностно-активными веществами, фильтрации и сушки. В процессе обратной флотации от руды отделяют не оксиды железа, а примесь кварц. Флотацию кварца проводят в щелочной среде с применением ацетатных солей эфиров первичных моно- и диаминов при депрессии минералов железа щелочным крахмалом. Оставшаяся пульпа обогащается минералами железа. Пульпу фильтруют, полученную пасту сушат для получения сухого концентрата. Сухой железорудный концентрат и хвосты после обратной флотации содержат амины.

Недостатком выбранного прототипа является сравнительно сложная технология изготовления, относительно высокая стоимость гранул и сравнительно низкая плавучесть уже поглотивших нефть гранул из-за большого их удельного веса.

Технической проблемой, решаемой заявляемым изобретением, является повышение плавучести магнитного сорбента, поглощающей способности по отношению к нефти и нефтепродуктам, а также снижение экологических и технологических затрат на его изготовление.

Для решения указанной проблемы заявляемый в качестве изобретения магнитный сорбент для сбора нефти, масел и нефтепродуктов выполнен в виде гранул диаметром 1-3 мм и содержит порошок Fe₃O₄, окисленный атактический полипропилен и низинный торф. Низинный торф предварительно подвергнут последовательной трехступенчатой сушке: при 105°С в течение двух часов, при 120°С в течение одного часа и при 150°С в течение 30 минут.

Соотношение компонентов (мас.%) в составе заявляемого сорбента следующее:

порошок Fe₃O₄ 8-12 окисленный атактический полипропилен 8-17 низинный торф 75-80

Размер частиц порошка Fe₃O₄ (магнитного наполнителя) при смешивании компонентов в частном случае составляет 5-10 мкм, возможно применение иного размера. Так как размеры торфяного порошка находятся в диапазоне от нескольких мкм до нескольких мм, то выбор размера частиц магнитного наполнителя осуществляется согласно соотношению их удельных поверхностей.

Чтобы торф обладал высокой поглощающей способностью, необходимо, чтобы он был достаточно сухим, но при этом имел строго определенную влажность, не меняя некоторой пороговой величины, которая по литературным данным составляет не более 0,05 мас.%. Установлено, что превышение температуры сушки 120°С приводит к избыточному удалению влаги из массы торфа, поскольку после 120°С резко снижается влажность, а следовательно, пористость и поглощающая способность торфа. Данная техническая проблема решается тем, что для получения пористого магнитного сорбента низинный торф, согласно изобретению, подвергают последовательной ступенчатой сушке при 105, 120 и 150°С в течение двух, одного и получаса соответственно. В ходе экспериментов было установлено, что с повышением температуры по ступенчатому механизму поглощающая способность торфа, как сорбента, существенно увеличивается. После того, как ступенчато высушенный низинный торф в количестве 75-80% смешивают с порошком Fe₃O₄ в количестве 8-12% и с окисленным атактическим полипропиленом в количестве 8-17%, а затем высушивают и гранулируют в виде шариков-сфер диаметром 1-3 мм, полученный сорбент наряду с магнитными свойствами обладает повышенной плавучестью и поглощающей способностью. Процентное соотношение компонентов получено экспериментальным путем. В таком соотношении обеспечивается наилучший результат по удалению нефти и нефтепродуктов.

При очистке загрязненной поверхности сначала устраивают ограждающие боны, поверхность которых покрывается магниточувствительным материалом. После включения внешнего электромагнитного поля, ограждающие боны удерживаются на воде, при необходимости сталкиваются в нужном фокусе и не дают расплываться нефтяному пятну, что особенно важно при аварийных ситуациях.

В качестве магниточувствительного материала можно использовать окисленный атактический полипропилен (как связующее), смешанный с порошком Fe₃O₄, что в значительной мере упрощает процесс сбора и утилизации нефтепродуктов.

Получение и применение сорбента показано на конкретных примерах.

Пример 1

Низинный торф Орловского месторождения Томской области последовательно высушивают при 105, 120 и 150°С в течение 2, 1, 0.5 часа соответственно, смешивают с порошком Fe₃O₄ размером частиц 5-10 мкм и гидрофобным связующим - окисленным атактическим полипропиленом и формируют гранулы-шары диаметром 1 мм.

Поверхность ограждающих бонов также покрывается смесью окисленного атактического полипропилена с порошком Fe₃O₄ любым способом, например, распылителем-краскопультом, кистью и т.д. После этого в воду, объемом 10 литров, заливают нефть объемом 1 литр, которая расплывается по поверхности. Нефтяное или масляное пятно в воде ограничивается магнитными бонами. Затем в воду с нефтяным пятном засыпают предлагаемый магнитный сорбент на основе торфа в количестве 100 г/м² поверхности площади пятна. Поглощающая способность гранул очень высокая, их плавучесть сохраняется в течение месяца. Данный состав, как сорбент, обладающий магнитными свойствами, был испытан не только для извлечения нефтепродуктов из воды, но и из грунта или почвы.

После включения источника внешнего электромагнитного поля магнитные ограждающие боны стягиваются в сторону уменьшения площади пятна разлива нефтепродукта, магнитные гранулы сорбента собираются в агрегаты с той силой и в той мере, которая необходима и которая контролируется величиной внешнего магнитного поля. После этого их легко удалять (извлекать из среды: воды или почвы) и утилизировать. Гранулы после центрифугирования могут подвергаться регенерации и подготавливаться к повторному многократному использованию.

Приведенный состав магнитного сорбента с размером гранул 1 мм для примера 1 отвечает следующему содержанию ингредиентов (в мас.%):

низинный торф 75 порошок Fe₃O₄ 8 окисленный атактический полипропилен 17

Пример 2

Сорбент на основе торфа, обладающий магнитными свойствами, выполненный по примеру 1, но с размером гранул 2 мм и содержанием ингредиентов следующего состава (в мас.%):

низинный торф 77 порошок Fe₃O₄ 10 окисленный атактический полипропилен 13

Пример 3

Магнитный сорбент по примеру 1, выполненный с размером гранул

диаметром 3 мм при следующих соотношениях ингредиентов (в мас.%):

низинный торф 80 порошок Fe₃O₄ 12 окисленный атактический полипропилен 8

Полученные свойства и характеристики сорбента для составов, указанных в примерах 1-3, отражены в таблицах 1, 2.

Для сравнения подобные испытания были проведены для сорбента по прототипу с содержанием 8% Fe₃O₄, 92% SiO₂ и следами амина. Полученные данные также приведены в таблицах 1, 2.

Свойства сорбента для извлечения нефти и нефтепродуктов из воды и водных растворов

Свойства сорбента для извлечения нефти и нефтепродуктов из почвы

Состав магнитного сорбента по примеру 2, как в таблице 1 (для воды), так и в таблице 2 (для почвы) является оптимальным.

При этом, по сравнению с прототипом, предложенный магнитный сорбент, как видно из таблиц, превосходит по своей эффективности. Изготовление сорбента превосходит прототип по технологической простоте и экономическим затратам на его создание. Огромные запасы торфа, как местного сырья, отходов магнитного наполнителя и атактического полипропилена позволяют широко варьировать состав сорбента.

Использование клея на основе окисленного атактического полипропилена, смешанного с порошком Fe₃O₄, для покрытия поверхности ограждающих бонов позволяет управлять процессом очистки среды от нефти и нефтепродуктов с помощью предлагаемого сорбента, как при загрязнении водной среды, так и почвы или грунта.

Изобретение может быть использовано для удаления нефти, масел и нефтепродуктов с поверхности воды и поверхностного слоя почвы или грунта. Сорбент выполнен гранулированным. Диаметр гранул составляет 1-3 мм. В состав сорбента входят магнитный наполнитель в виде металлического порошка из оксидов Fe₃O₄ с размером частиц 5-10 мкм, в количестве 8-12%, низинный торф в количестве 75-80% и атактический полипропилен в количестве 8-17%. Низинный торф предварительно перед смешиванием высушен при температурах 105, 120 и 150°С в течение двух, одного и получаса соответственно. Сорбент обладает магнитными свойствами, высокой поглощающей способностью и плавучестью. 1 з.п. ф-лы, 2 табл., 3 пр.

1. Магнитный сорбент для сбора нефти, масел и нефтепродуктов, выполненный в виде гранул диаметром 1-3 мм, содержащий порошок Fe₃O₄, окисленный атактический полипропилен и низинный торф, предварительно подвергнутый последовательной трехступенчатой сушке: при 105°С в течение двух часов, при 120°С в течение одного часа и при 150°С в течение 30 минут, при этом он содержит компоненты при следующем соотношении (мас.%):

порошок Fe₃O₄ 8-12 окисленный атактический полипропилен 8-17 низинный торф 75-80

2. Магнитный сорбент по п. 1, отличающийся тем, что размер частиц порошка Fe₃O₄ составляет 5-10 мкм.