Активированный комплексный сорбент Российский патент 2022 года по МПК C09K8/28 B01J20/12 B01J20/22 

Изобретение относится к переработке отходов бурения с применением комплексного сорбента с активированным компонентом, обеспечивающим изоляцию нефтепродуктов и ионов солей тяжелых металлов в буровых шламах.

Известен сорбент природного растительного происхождения для очистки почвы от нефтепродуктов, в состав которого входят нестерильный верховой сфагновый мох или верховой слаборазложившийся сфагновый торф и экстракт лечебной грязи, полученный экстрагированием мелкодисперсной торфяной грязи со степенью разложения растительных остатков 50% и более гидрокарбонатно-натриевой минеральной водой при содержании компонентов, вес. %: нестерильные верховой мох или верховой слаборазложившийся сфагновый торф 85-89, водный экстракт лечебной грязи 11-15 (RU 2318592, «Сорбент для очистки почвы от нефтепродуктов», патентообладатель - Чаков В.В., (RU), опубл. - 10.03.2008). Известный сорбент обеспечивает улучшение структуры почвогрунтов с улучшенными водно-физическими свойствами, обеспечивающими поселение и рост различных видов растений.

Недостатком известного сорбента является ограниченность его производства ввиду недостаточного количества лечебной грязи и сложности ее добычи.

Известен гранулированный модифицированный наноструктурированный сорбент для очистки водных сред от техногенных загрязнителей, содержащий (масс. %) глауконит - 20-50, интеркалированный графит, представляющий собой бисульфат графита, - 1-5, бентонитовую глину - 40-70, модификатор, выбранный из NaHCO3, - 10, или KMnO4 - 5, или NaCl - 8, и воду (RU 2503496 С2, «Гранулированный модифицированный наноструктурированный сорбент, способ его получения и состав для его получения», патентообладатель - Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Саратовский государственный университет имени Н.Г. Чернышевского" (RU), опубл. - 10.01.2014). Известный сорбент обладает высокими показателями сорбции и фильтрующей способностью.

Недостатком известного сорбента является ограниченность области его применения. Сорбент применяется только для очистки загрязненной воды, но не для твердых или пастообразных отходов.

Также, известна грунтошламовая смесь для рекультивации нарушенных земель, в состав которой входит торфопесчаная смесь, буровой шлам, активные обезвреживающие и мелиорирующие добавки, используют буровой шлам плотностью 1,5-1,85 г/см³ и влажностью в пределах 30-60%, при этом содержание компонентов смеси составляет, масс. %: буровой шлам 35-50, песок или супесчаный грунт 25-30, торф марки А, Б 25-30, активные обезвреживающие и мелиорирующие добавки - остальное, (патент RU 2631391 С2, «Смеси грунтошламовые для рекультивации нарушенных земель и способ рекультивации земель с использованием смесей грунтошламовых», патентообладатель - Общество с ограниченной ответственностью "Сибпромсервис" (RU), опубл. - 21.09.2017).

Недостатком известной смеси является большой расход компонентов, а также отсутствие компонента, связывающего ионы тяжелых металлов (ТМ), что оставляет возможность проникновения экотоксикантов в почву и грунтовые воды.

Известные составы сорбентов, применяемые в сорбционных технологиях переработки буровых шламов, не обладают достаточной сорбционной емкостью к загрязнителям различного вида, в первую очередь, нефтепродуктам (НП) и ТМ из-за недостаточно развитой поверхности, что приводит к необходимости увеличения количества вносимого в шлам сорбента ввиду его недостаточной эффективности. Указанный недостаток приводит к достаточно высокой стоимости утилизации и большим объемам утилизированных отходов, подлежащих дальнейшей переработке или захоронению.

Технической задачей, на решение которой направлено заявленное техническое решение, является устранение недостатков известных сорбентов и создание активированного комплексного сорбента (КС), посредством которого обеспечивается изоляция нефтепродуктов и солей тяжелых металлов в буровых шламах.

Технический результат, на достижение которого направлено заявленное техническое решение, состоит в повышении экологической безопасности и экономической эффективности утилизации отходов бурения, содержащихся в накопителях на скважинных площадках за счет снижения стоимости и объема используемого сорбента.

Заявленный технический результат достигается за счет разработки активированного комплексного сорбента, в состав которого входят торф, глинопорошок ПБМБ, Цеостимул и зола березовая при следующем соотношении компонентов (масс., %):

Торф 18-20 Глинопорошок ПБМБ 10 Цеостимул 60-62 Зола березовая остальное,

при этом используют торф, предварительно просеянный через сито диаметром 1,25 мм, обработанный 2%-м раствором щелочи в 3%-м растворе перекиси водорода и высушенный при температуре не выше 130°С.

Используемые для приготовления заявленного активированного комплексного сорбента компоненты обладают следующими характеристиками.

1. Торф (может быть использован торф различной степени разложения, в частности верховой торф из района Вяткино, Владимирская обл.) При этом проводится его термическая активация и каталитическая модификация поверхности для повышения его сорбционной емкости за счет окисления функциональных групп и увеличения размеров пор. Для этого торф просеивается через сито диаметром 1,25 мм, обрабатывается 2% раствором щелочи в 3% растворе перекиси водорода, далее обработанный торф сушится при температуре не выше 130°С.

Установлено, что сорбционная емкость исходного торфа по НП (нефтепродукт - керосин) составила - 2,5 мл/г, торфа после окислительной модификации - 4,7 мл/г.

Определено, что окислительная модификация торфа позволила увеличить содержание в нем карбоксильных групп, а также повысить степень дисперсности, что положительно влияет на сорбционную емкость, при этом, обработка щелочью и перекисью водорода катализировала процесс окисления.

2. Глинопорошок ПБМБ представляет собой порошок бентонитовый модифицированный группы "Б".

3. Зола березовая в составе КС необходима для замещения протонов карбоксильных групп торфа на соответствующие катионы металлов K или Са, что ускоряет последующий обмен указанных катионов на катионы ТМ, т.е. для нейтрализации гуминовых и фульвокислот в составе органического вещества торфа и перевода их в активное состояние.

Наличие в составе заявленного комплексного сорбента глинопорошка в сочетании с золой обеспечивает диспергирование бентонитовой составляющей сорбента и создание максимальной удельной поверхности концентрированной суспензии породообразующего слоистого силиката (монтмориллонита) для высокой сорбции ТМ. Процесс сорбции катионов ТМ (в т.ч. поливалентных металлов) на частицах бентонита носит ионообменный характер с частичным образованием малорастворимых карбонатов.

4. "Цеостимул" (ТУ 2163-005-55353725-201) представляет собой продукт переработки природных алюмосиликатов. Материал обладает уникальными сорбционными, ионообменными, молекулярно-ситовыми и каталитическими свойствами, в нем содержится около 40 минеральных элементов. Поставляется в виде тонкодисперсного порошка или мелкозернистой крошки светло-желтого или серого цвета.

Таким образом, использование в качестве компонентов комплексного сорбента (КС) торфа, подвергнутого окислительной каталитической модификации поверхности и термической активации, золы березовой, глинопорошка ПБМБ и Цеостимула, приводит к получению как экологического (использование природных материалов в качестве компонентов комплексного сорбента), так и синергетического эффекта за счет взаимного действия при совместном использования указанных компонентов, при этом, полученная композиция обладает высокой сорбционной емкостью по отношению к загрязнителям различного вида (НП и ТМ) и является эффективной при утилизации буровых шламов (таблицы 1, 2). Синергетический эффект заключается как в увеличении степени окисленности торфа, так и в замещении протонов его карбоксильных групп на катионы щелочных и щелочноземельных металлов, что приводит к эффективной хемосорбции катионов ТМ.

Приготовление сорбента заключается в последовательном и тщательном перемешивании всех компонентов.

Заявленный активированный комплексный сорбент состоит из недорогих природных материалов минерального и органического происхождения с высокой степенью дисперсности и сорбционной емкости.

Под термином «сорбционная емкость» подразумевается количество адсорбированного вещества (в моль/г, г/г или мл/г), которое определяется по предельной адсорбции загрязнителя (нефти, дизельного топлива, керосина, ионов тяжелых металлов и пр.) к 1 г сорбента.

Для выбора оптимальной рецептуры КС была изучена сорбционная емкость по отношению к ионам ТМ и НП различных рецептур, отличающихся по содержанию компонентов (см. таблицу 1). По результатам исследования сорбционной емкости сорбентов оптимальными выбраны рецептуры №2, №4 и №5. В качестве ТМ были выбраны медь и цинк, как встречающиеся в буровых шламах в значительном количестве.

Примеры использования сорбента для утилизации бурового шлама Брали 1000 г бурового шлама (шлам получен после применения полимер-глинистого бурового раствора на Уренгойском НГКМ), к нему добавляли 300 г КС по рецептуре №2, перемешивали до однородного состояния и оставляли полученную массу на 30 суток. В итоге получали продукт утилизации -техногенный грунт.После чего сравнивали физико-химические характеристики исходного шлама и полученного продукта утилизации. Аналогично изучали смеси 1000 г шлама с 300 г КС по рецептурам №4 и №5. Результаты представлены в таблице 2.

Из таблицы 2 видно, что указанные рецептуры КС, добавляемые к буровому шламу, значительно сокращают содержание подвижных форм ТМ (ниже ПДК) и НП в водной вытяжке, так содержание ТМ в среднем сократилось на 60%, а содержание нефтепродуктов, в водной вытяжке на 68%. Полученные результаты позволяют использовать полученный продукт утилизации в качестве техногенного грунта для отсыпки различных объектов и при строительстве.

Создание заявленного активированного комплексного сорбента делает возможной эффективную изоляцию нефтепродуктов и солей тяжелых металлов в буровых шламах за счет его состава, а также позволяет разработать экологически безопасную и экономически эффективную технологию утилизации отходов бурения, содержащихся в накопителях на скважинных площадках, снижения количества и себестоимости КС, а также эффективной сорбции экотоксикантов, содержащихся в буровых шламах. Экономический эффект заключается в уменьшении площадей, отводимых под шламонакопители, уменьшении количества вносимого сорбента для утилизации шлама и, как следствие, затрат на перевозку сорбента, а также в получении полезного продукта - техногенного грунта, который может быть использован для различных хозяйственных нужд.

Изобретение относится к переработке отходов бурения с применением комплексного сорбента с активированным компонентом, обеспечивающим изоляцию нефтепродуктов и ионов солей тяжелых металлов в буровых шламах. Активированный комплексный сорбент содержит 18-20 мас. % торфа, 10 мас. % глинопорошка ПБМБ, 60-62 мас. % Цеостимула и золу березовую – остальное. При этом используют торф, предварительно просеянный через сито диаметром 1,25 мм, обработанный 2%-ным раствором щелочи в 3%-ном растворе перекиси водорода и высушенный при температуре не выше 130°С. Техническим результатом является повышение экологической безопасности. 2 табл.

Активированный комплексный сорбент, в состав которого входят торф, глинопорошок ПБМБ, Цеостимул и зола березовая при следующем соотношении компонентов, мас. %:

Торф 18-20 Глинопорошок ПБМБ 10 Цеостимул 60-62 Зола березовая остальное,

при этом используют торф, предварительно просеянный через сито диаметром 1,25 мм, обработанный 2%-м раствором щелочи в 3%-м растворе перекиси водорода и высушенный при температуре не выше 130°С.