Очистка гетерогенного материала от загрязнений с помощью сорбционного агента

 

Изобретение относится к области экологии. Описан способ очистки гетерогенного материала, в частности песка, гравия, почвы, нефтяного гравия, асфальта, буровой мелочи, от таких загрязнений, как нефть, РСВ, РАН, тяжелые металлы. Более конкретно изобретение относится к способу, который включает операции добавления сорбционного агента к материалу и смешивания/перемешивания материала и сорбционного агента, обеспечивающего экстрагирование из материала значительной части загрязнения, абсорбируемого сорбционным агентом, и последующего отделения сорбционного агента от материала на основании различия их плотности/размера частиц посредством подачи потока газа таким образом, чтобы отводить сорбционный агент потоком газа и собирать в виде отдельной фракции. Изобретение позволяет эффективно провести очистку различных сред. 13 з. п. ф-лы.

Изобретение относится к способу очистки гетерогенного материала, в частности песка, гравия, почвы, нефтяного гравия, асфальта, буровой мелочи ("кексов"), сточных шламов и т. п. от таких загрязнений, как нефть, РСВ, РАН, тяжелые металлы, липиды.

Загрязнения различных материалов, связанные, в частности, с промышленным оборудованием, размещением свалок или с пляжами, которые загрязнены, например, разливом нефти, являются хорошо известной и постоянно возрастающей проблемой, при этом для поиска способа очистки таких масс привлекаются большие ресурсы. Необходимо найти практичное и экономичное решение. В некоторых отчетах описываются серьезные экологические проблемы, вызванные такими загрязненными материалами. В этой связи часто упоминают различные углеводородные соединения, в частности нефтеподобные соединения, углеводороды, содержащие группы хлора или брома (РСВ), или различные типы ароматических соединений (РАН). Все указанные соединения растворимы в неполярных растворителях. Иначе говоря, они слабо растворяются в воде, причем в ассоциации, для которой энергетически выгодно исключение воды. Благодаря водоотталкивающим свойствам эти вещества обладают хорошей адгезией к твердым поверхностям, в частности к камню, гравию и почве. Кроме того, вода, которая проходит сквозь такие материалы, не смывает и не разбавляет указанные гидрофобные растворители.

Во многих регионах такие загрязненные материалы создают большую экологическую проблему.

Кроме компонентов, образующих гидрофобные загрязнения, они содержат также различные тяжелые металлы, которые также представляют собой экологическую проблему вследствие их токсичности.

В настоящее время обычной практикой "очистки" от таких отходов является выжигание загрязнений указанных пород. Однако эта операция является очень дорогостоящей, поскольку затраты на такое выжигание определяются массой материалов и теплотой сжигания, т. е. величиной энергии, которую можно использовать при таком сжигании. Материалы, поступающие с промышленных участков или со свалок, состоят главным образом из камня или гравия и, следовательно, их масса оказывается высокой, а теплота сжигания низкой.

В этой связи появляется необходимость в альтернативных решениях. Одно из таких решений описано, в частности, в патентной заявке PCT/N096/00185, которая относится к сорбционному агенту, содержащему растения из семейства Sphagnum, для поглощения гидрофобных соединений, при этом указанное растение практически полностью или частично высушено. Публикация описывает также применение растительного материала для удаления гидрофобных соединений из растворов и эмульсий путем непосредственного воздействия указанным материалом на вещества, загрязненные гидрофобными соединениями. В качестве примера указывается, что растительным материалом можно непосредственно протирать участки с разлитой нефтью, в частности в производственных помещениях.

Однако существуют и другие проблемы, которые необходимо решить для очистки от загрязнений гетерогенных материалов, в частности, камней и почвы. В таких материалах нефть оказывается составной частью материала, то есть она обволакивает разнородные компоненты материала, прилипает к ним, и материал при этом становится довольно клейким и липким. Кроме того, поскольку материал образован частицами относительно малого размера, невозможно воспользоваться мхом, чтобы высушить эти частицы, как, например, пол в мастерской.

Задачей настоящего изобретения является способ очистки указанных материалов. Если к загрязненному материалу добавить эффективный адсорбционный или абсорбционный агент и в течение определенного времени перемешивать их и галтовать в барабане, то загрязнения, представляющие собой гидрофобные загрязнения или, например, тяжелые металлы, перейдут из загрязненного материала в сорбционный агент при условии, что сорбционный агент имеет более сильные адсорбционные и/или абсорбционные свойства, чем загрязненный материал, и что указанные загрязнения отделяются от материала под действием трения, которое создается в процессе перемешивания/ галтования, или под действием воды/растворителей. Однако даже для эффективного сорбционного агента это оказывается невозможным, если загрязнения находятся в отвержденной форме и очень прочно связаны с частицами материала. Решение этой проблемы также является задачей настоящего изобретения.

Другая проблема очистки указанных материалов заключается в том, что такие материалы, как песок, гравий и почва, представляют собой гетерогенные смеси с точки зрения размера образующих их частиц и часто содержат значительную часть относительно мелких частиц с диаметром до нескольких микрон. Данную проблему, заключающуюся в отделении сорбционного агента от таких мелких частиц, нельзя разрешить с помощью указанного выше изобретения. Задачей настоящего изобретения является также решение этой проблемы.

Таким образом, настоящее изобретение описывает способ очистки различных типов материалов, в частности наполнителей, гравия, почвы и т. п. , путем удаления из указанных материалов различных загрязнений, в частности, гидрофобных загрязнений, например нефти, РСВ и РАН, а также тяжелых металлов.

При этом под термином "материал" понимается любой тип материала, в частности наполнитель, нефтяной гравий, асфальт, бурильные куски, сточный шлак, гравий, песок, земля и т. п.

Под термином "сорбционный агент" понимается агент, который обладает абсорбционными и/или адсорбционными свойствами, т. е. свойствами поглощения вещества, присоединения к поверхности и/или встраивания указанного вещества в структуру агента.

Под термином "прочные загрязнения" понимаются загрязнения, которые имеют относительно высокую адгезию к материалу. Обычно для отделения таких загрязнений от материала их приходится растворять полярным и/или неполярным растворителем.

Настоящее изобретение описывает способ, который отличается следующими операциями: с) добавление сорбционного агента к материалу и смешивание/ перемешивание материала и сорбционного агента, обеспечивающее экстрагирование значительной части загрязнения из материала и поглощение ее сорбционным агентом, а также е) последующее отделение сорбционного агента от материала в соответствии с плотностью/размером частиц посредством потока газа, в частности потока воздуха, подаваемого таким образом, чтобы сорбционный агент отводился потоком с возможным последующим сбором в виде отдельной фракции.

Другие модификации изобретения очевидны из следующих операций: a) добавление в материал неполярного растворителя, который растворяет "прочные" загрязнения материала и делает их растворимыми в жидкой фракции, с последующим отделением жидкой фракции от основного материала, например, путем фильтрации, декантирования, центрифугирования и т. п. , а также b) добавление в материал полярного растворителя, в частности воды с добавлением одного или нескольких моющих средств, который растворяет "прочные" загрязнения материала и делает их растворимыми в жидкой фракции с последующим отделением жидкой фракции от основного материала, например, путем фильтрации, декантирования, центрифугирования и т. п. , и d) сушка материала, например, путем подачи потока воздуха и/или нагрева материала.

Более конкретно технические решения и варианты реализации указаны в пп. 9-19 формулы изобретения.

Предпочтительным вариантом реализации изобретения является смешивание сорбционного агента и загрязненного материала таким образом, чтобы перевести загрязнения в сорбционный агент. Предпочтительно проводить эту операцию во вращающемся барабане. Для обеспечения эффективности смешивания/перемешивания предпочтительно, но не обязательно, чтобы барабан был оснащен рядом лопастей для тщательного смешивания материала и агента. После того, как достаточное количество загрязнений перейдет в сорбционный агент, две указанные фракции следует разделить. Согласно изобретению, это выполняют путем продувки через смесь потока воздуха. В одном из вариантов реализации барабан с лопастями вращается во время операции продувки. При этом лопасти поднимают материал, что делает разделение более эффективным. В альтернативном варианте поток воздуха можно, например, продувать непосредственно через смесь. Силу потока воздуха корректируют в соответствии с особенностями двух фракций, подлежащих разделению.

При этом можно использовать различные типы сорбционных агентов, в частности химические или биологические. Предпочтительным вариантом реализации является применение коры, торфа или мха, поскольку эти материалы обладают низкой плотностью, а также являются горючими и подвержены биологическому разложению. Чем больше разность между плотностью частиц материала и сорбционного агента, тем более эффективно проходит процесс разделения, т. е. тем меньшая сила потока воздуха требуется для удаления сорбционного агента и тем меньшая часть мелких частиц материала попадает во фракцию сорбционного агента. Наряду с плотностью размер частиц является важным параметром для процесса разделения и было установлено, что при малом размере частиц сорбционного агента разделение является более эффективным. Если в качестве сорбционного агента используется, например, мох, то его предпочтительно разрезать на мелкие куски.

Кроме непосредственного смешивания материала с сорбционным агентом в ряде случаев перед добавлением сорбционного агента предпочтительно вводить в материал растворитель для частичного растворения и удаления загрязнений. При этом можно использовать как неполярные, так и полярные растворители, а их последовательность определяется типом загрязнения, которое нужно удалить из материала. После того, как растворитель воздействует на материал, что обычно происходит при галтовании/перемешивании, в течение некоторого времени, длительность которого зависит от типа загрязнения и растворителя, жидкую фракцию отделяют от твердых частиц путем фильтрации, центрифугирования, декантирования или иным способом.

Часто для повышения растворимости загрязнений предпочтительным является нагревание смеси материала и растворителя. Это выполняют известным способом, не указанным далее.

После однократной или многократной обработки материала растворителем добавляют сорбционный агент. Смесь перемешивают/галтуют таким образом, чтобы сорбционный агент поглощал загрязнение и, возможно, сохранившиеся остатки растворителя. После этого может оказаться предпочтительным снижение содержания влаги в сорбционном агенте до начала процесса разделения. Это можно осуществить либо путем сушки воздухом, например, при вдувании в смесь потока воздуха, либо путем нагревания смеси, например, за счет оснащения барабана нагревательным элементом, либо путем комбинации обоих указанных способов.

Способ очистки согласно изобретению иллюстрируют несколько примеров, приведенных ниже.

Пример 1. 7962 г черного, клейкого и липкого нефтяного гравия, состоящего из частиц величиной 5-50 мм, перемешали/смешали в барабане (около 150 л) с 1952 г дизельного топлива. В использованном образце нефтяного гравия содержалось около 10 мас. % нефти. Задача заключалась в том, чтобы удалить нефть с частиц камня/гравия. Материал и дизельное топливо галтовали совместно в течение 5 мин со скоростью 27 об/мин. Жидкую фракцию (1598 г) слили (время отделения 3 мин). Затем добавили водный раствор, содержащий 102 г моющего средства / детергента (Zalo) и 985 г воды. Смесь галтовали в течение 5 мин, и водную фракцию (1152 г) отделили от фракции гравия (время отделения 3 мин).

Эти две операции позволили удалить большую часть нефти. Однако частицы гравия оставались покрытыми пленкой, состоящей из моющего средства /нефти/ воды. Если эту смесь высушить путем испарения воды, нефть сохранится в виде пленки на частицах гравия, таким образом, поставленная задача не будет решена удовлетворительно.

К указанной смеси (моющее средство /нефтяной гравий/ вода) с содержанием воды 1265 г добавили 1109 г высушенного мха Sphagnum. Мох был предварительно нарезан и состоял из частиц, имеющих размеры в диапазоне 0,1 - 10 мм. Смесь галтовали в течение 15 мин. После этого мох удалили продувкой, т. е. отделили от фракции гравия путем пропускания потока воздуха, при этом визуальный контроль частиц гравия показал почти полное удаление нефти. Остаток нефти не был заметен на частицах гравия.

Пример 2. Кюветный гравий (10026 г), представляющий собой частицы гравия/песка, имеющие размер в диапазоне 0,1 - 10 мм, с содержанием влаги около 10%, добавили в сырую нефть Troll (956 г). К этой смеси нефти и гравия добавили мох Sphagnum (735 г) в форме частиц (0,1 - 10 мм). Смесь галтовали в течение 15 мин. Частицы мха удалили продувкой и получили фракцию гравия, абсолютно чистую и не содержащую нефти и мха, при этом фракция мха не содержала частиц гравия. Однако фракция частиц гравия имела слабый запах нефти.

Пример 3. Кюветный гравий (10832 грамма), такого же типа, как описан выше, добавили в сырую нефть Troll (699 г). К этой смеси добавили смесь воды (1056 г) и моющего средства типа Zalo (101 г). Полученную смесь перемешивали/галтовали во вращающемся барабане в течение 10 мин. Затем воду удалили. Время удаления - 5 мин. К смеси добавили 684 г мха и галтовали ее в течение 10 мин. Фракцию мха удалили продувкой. Полученная смесь гравия была абсолютно чистой и на этот раз не имела запаха нефти. Мох не содержал частиц гравия.

По сравнению с примером 2 дополнительно введенная операция промывки обеспечила получение несколько более чистого мха. Причина этого заключается в том, что используемая смесь моющего средства и воды растворяет, т. е. делает водорастворимой нефтяную фракцию, которая обладает наиболее высокой адгезией к частицам гравия.

Пример 4. Бурую почву (11312 г), имеющую размер частиц в диапазоне 0,1 -10 мм и содержание влаги около 15%, добавили в сырую нефть Troll (953 г). К этой смеси добавили 794 г мха в форме частиц. Смесь галтовали в течение 20 мин, после чего мох удалили продувкой. Полученная фракция почвы была абсолютно чистой, имела только слабый запах нефти и состояла из сферических частиц (0,2 -1 см). Фракция мха не содержала частиц почвы.

Пример с почвой приведен для иллюстрации того, каким образом можно обработать, например, сточный шлам, чтобы удалить из него, например, тяжелые металлы. Примеры показывают, что способ согласно настоящему изобретению позволяет очищать материал, загрязненный соединениями различных типов. Однако очень часто такие материалы состоят из нефтеподобных соединений, поэтому в указанных примерах использовалась нефть. При визуальном контроле предполагалось, что фракции гравия/почвы содержат менее 0,1% нефти, т. е. было удалено более 99% нефти. При правильной настройке давления воздуха в процессе отделения фракция мха не загрязнялась частицами камня/почвы.

В настоящее время проводится химический анализ различных фракций. Эффект, который достигают настоящим способом, является просто поразительным и вносит особенно важный вклад в дело охраны окружающей среды за счет улучшения ее очистки от загрязняющих материалов.

Высушенный мох Sphagnum является материалом с очень низкой плотностью, и его плотность значительно меньше, чем плотность камня/гравия. Даже после поглощения мхом нефтяных загрязнений его плотность остается гораздо более низкой, чем плотность камня/гравия. Этот факт используют для отделения мха, содержащего нефть, от частиц гравия.

Поскольку содержание воды в сорбционном агенте понижается при сушке, определенный эффект достигается соразмерно компостированию и/или сжиганию сорбционного агента за счет того, что масса фракции, содержащей загрязнения, уменьшается. Затраты на компостирование и сжигание связаны с массой материала. Кроме того, затраты связаны с теплотой сгорания материала, а она также повышается, поскольку содержание влаги в материале уменьшается.

При использовании способа разделения согласно настоящему изобретению фракция гравия, которая остается в барабане после процесса очистки, является практически абсолютно чистой от нефти, дизельного топлива, воды и сорбента. Сорбент соответственно практически полностью поглощает нефть, дизельное топливо и воду, и, кроме того, данная фракция содержит незначительное загрязнение в виде частиц гравия.

Таким образом получают две фракции, которые можно обрабатывать различным образом. Фракцию гравия можно использовать как не содержащую загрязнений. Фракцию мха можно компостировать или сжигать. Большая прибыль достигается за счет того, что загрязнение переводят в значительно более легкую фракцию, которую можно обрабатывать гораздо проще, дешевле и лучше, чем фракцию загрязненного гравия.

Способ согласно изобретению можно также применять для очистки фракций гравия в буровой мелочи ("кексах") от тяжелых металлов и нефти. Буровая мелочь - это собирательный термин для фракции, которую получают при бурении новых скважин и которая в значительной степени состоит из частиц камня/гравия, содержащихся во фракции бурильной пульпы. Пульпу отделяют от буровой мелочи известными способами, однако проблема заключается в том, что мелочь содержит покрытие из соединений типа нефти и тяжелых металлов. Мелочь можно очищать от этих загрязнений, если использовать сорбционный агент и способ согласно настоящему изобретению. Для очистки буровой мелочи способ может также включать операцию (b) для того, чтобы растворять тяжелые металлы в водной фракции, а затем поглощать их сорбентом вместе с водой. После этого воду удаляют нагреванием/потоком воздуха, чтобы сконцентрировать тяжелые металлы в сорбенте. Таким образом, тяжелые металлы и нефтяные соединения отделяют от буровой мелочи, поэтому очистка буровой мелочи входит в объем и идею настоящего изобретения.

Формула изобретения

1. Способ очистки гетерогенного материала, в частности песка, гравия, почвы, нефтяного гравия, асфальта, буровой мелочи, сточных шламов, от таких загрязнений, как нефть, углеводороды, содержащие группы хлора или брома, различные ароматические соединения, тяжелые металлы, липиды, отличающийся тем, что указанный способ содержит следующие операции: с) добавление сорбционного агента, включающего растения sphagnum, к материалу и смешивание или перемешивание материала и сорбционного агента, обеспечивающее экстрагирование значительной части загрязнения из материала и поглощение ее сорбционным агентом, а также е) последующее отделение сорбционного агента от материала в соответствии с плотностью или размером частиц посредством потока газа, в частности потока воздуха, так, чтобы сорбционный агент отводился потоком с возможностью сбора в виде отдельной фракции.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что содержит также операцию (а), которая выполняется перед операциями (с) и (е) и включает а) добавление в материал неполярного растворителя, который растворяет "прочные" загрязнения материала и делает их растворимыми в жидкой фракции с последующим отделением жидкой фракции от материала.

3. Способ по п. 2, отличающийся тем, что включает также нагревание смеси материала и добавленного растворителя так, чтобы повысить растворимость "прочных" загрязнений.

4. Способ по п. 1, отличающийся тем, что содержит также операцию (b), которая выполняется перед операциями (с) и (е) и заключается (b) в добавлении к материалу полярного растворителя, в частности воды, предпочтительно содержащего одно или более моющих средств, которые растворяют "прочные" загрязнения таким образом, что последние становятся растворимыми в жидкой фракции, а жидкую фракцию отделяют затем от материала.

5. Способ по п. 4, отличающийся тем, что включает также нагревание смеси материала и добавленного растворителя так, чтобы повысить растворимость "прочных" загрязнений.

6. Способ по п. 2, отличающийся тем, что перед операциями (с) и (е) дополнительно включает операцию (b), где операция (b) заключается в добавлении к материалу полярного растворителя, в частности воды, предпочтительно содержащего одно или более моющих средств, которые растворяют "прочные" загрязнения таким образом, что последние становятся растворимыми в жидкой фракции, а жидкую фракцию отделяют затем от материала, при этом последовательность выполнения операций (а) и (b) является произвольной.

7. Способ по п. 6, отличающийся тем, что смесь материала и добавленного растворителя во время выполнения одной из операций (а) или (b) или обеих этих операций нагревают так, чтобы повысить растворимость "прочных" загрязнений.

8. Способ по одному из пп. 1-7, отличающийся тем, что содержит после операций (а), (b) и (с), но перед операцией (е) операцию (d), которая представляет собой (d) сушку материала и сорбционного агента, например, путем подачи потока воздуха или нагревания материала.

9. Способ по одному из пп. 1-8, отличающийся тем, что смешивание или перемешивание включает взаимодействие материала и агента (растворителя или сорбционного агента) во вращающемся барабане, при этом скорость и время вращения барабана выбирают в соответствии с очищаемым загрязненным материалом и используемым растворителем и/или сорбционным агентом.

10. Способ по п. 9, отличающийся тем, что барабан вращается со скоростью 5-100 об. /мин, предпочтительно 20-40 об. /мин, а время вращения барабана составляет 1-600 мин, предпочтительно 5-20 мин.

11. Способ по одному из пп. 1-8, отличающийся тем, что неполярный растворитель может представлять собой любой жидкий неполярный растворитель или смесь нескольких неполярных растворителей, в частности дизельное топливо, парафин, уайт-спирит, алканы, алкены, алкины, спирты, органические кислоты, ароматические соединения.

12. Способ по п. 11, отличающийся тем, что смесь, содержащую материал и неполярный растворитель, нагревают до температуры, которая зависит от точки кипения растворителя, при этом указанную температуру выбирают в диапазоне от 0^oС до температуры, несколько более низкой, чем точка кипения растворителя.

13. Способ по одному из пп. 1-8, отличающийся тем, что полярный растворитель может предпочтительно представлять собой любой полярный жидкий растворитель, в частности воду, содержащий одно или более моющих средств, в частности смеси, аналогичные мылу, моющие агенты и т. п. , или более специфические моющие средства, в частности катионные, анионные, амфионные или неполярные моющие средства.

14. Способ по п. 13, отличающийся тем, что материал и растворитель нагревают до 0-98^oС, предпочтительно 30-50^oС.