Аль-Варис Яхья Абдулвахаб. Исследование и разработка способов утилизации силикагелей - экологически опасных отходов процессов подготовки газа к транспорту

Короткий опис

Аль-Варис Яхья Абдулвахаб. Исследование и разработка способов утилизации силикагелей - экологически опасных отходов процессов подготовки газа к транспорту : диссертация ... кандидата технических наук : 03.00.16 / Аль-Варис Яхья Абдулвахаб; [Место защиты: Кубан. гос. технол. ун-т].- Краснодар, 2009.- 135 с.: ил. РГБ ОД, 61 09-5/1567

Кубанский государственный технологический университет
На правах рукописи
104.2 0 0.9 0 5 2f6e
Аль-Варис Яхья Абдулвахаб
ИССЛЕДОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА СПОСОБОВ УТИЛИЗАЦИИ
СИЛИКАГЕЛЕЙ - ЭКОЛОГИЧЕСКИ ОПАСНЫХ ОТХОДОВ
ПРОЦЕССОВ ПОДГОТОВКИ ГАЗА К ТРАНСПОРТУ
Специальность: 03.00.16 - Экология
Диссертация на соискание ученой степени
кандидата технических наук
Научный руководитель: старший научный сотрудник, д-р хим. наук Косулина Т.П.
Краснодар - 2009 
Содержание
Введение 5
1 Исследование проблемы образования и утилизации отработанного
силикагеля 8
1.1 Отработанные адсорбенты — отходы, образующиеся при
осушке газа 8
1.1.1 Осушка природного газа силикагелями 8
1.1.2 Физико-химическая характеристика силикагеля 11
1.1.3 Избирательность адсорбции на силикагелях 13
1.1.4 Регенерация силикагеля в процессе осушки газа 14
1.1.5 Процессы, протекающие на силикагеле при
адсорбции-десорбции 15
1.1.6 Отходы процесса осушки газа 16
1.2 Термокаталитические превращения углеводородов 17
1.2.1 Каталитический крекинг. Превращение алканов 18
1.2.2 Превращение алкенов 20
1.2.3 Превращение аренов 21
1.3 Методы применения отработанного силикагеля в качестве
BMP 23
1.3.1 Отработанный силикагель — гидравлическая добавка в гипсоцементно-пуццолановых вяжущих (ГЦПВ). 23
1.3.2 Применение силикагеля в качестве компонента при
дорожном строительстве 26
1.3.3 Использование силикагеля в тампонажном материале 27
1.3.4 Отработанный силикагель в качестве стеклообразующего
материала 28
1.4 Цели и задачи работы 29
2 Обоснование необходимости обезвреживания отработанного
силикагеля и использования его в качестве BMP 31
2.1 Исследование физико-химических свойств и состава отработан-
ного силикагеля 33
2.2 О структуре загрязняющих силикагель веществ 45
2.2.1 РЖ спектры 45
2.2.2 Хромато-масс-спектрометрия 50
2.2.2.1 Масс-спектры смеси №1 и компонентов 1а-в 54
2.2.2.2 Масс-спектры ЗВ в водных вытяжках отхода УИТТ 62
2.2.3 Спектры *Н ЯМР 63
2.2.4 О термокаталитических превращениях углеводородов на
поверхности силикагеля 64
2.2.5 Изучение углеводородного конденсата 67
3 Расчет класса опасности отработанного силикагеля 70
4 Получение ГЦПВ с использованием отработанного силикагеля 76
4.1 Обоснование использования отработанного силикагеля
в качестве пуццолановой добавки 76
4.2 Определение активности силикагеля в реакции с СаО в строи¬тельных растворах 77
4.3 Разработка рецептуры ГЦПВ, изготовление и испытание опыт¬ных образцов бетона 80,
4.4 Термографический анализ отхода и продукта обезвреживания на 88
основе ГЦПВ
4.5 Экологическая безопасность бетона на основе ГЦПВ 96
5 Практическая реализация результатов исследования отработанного
силикагеля в качестве гидравлической добавки 100
5.1 Получение ГЦПВ в производственном цикле 100
5.2 Разработка линии по производству ГЦПВ и бетона 102
6 Экспериментальная часть 106
6.1 Используемые реактивы и материалы 106
6.2 Методы анализа и контроля 106
6.3 Получение материалов и продуктов обезвреживания 109
Выводы 112
Список использованных источников 113
Приложение 1. Состав элюентов для ТСХ 123
Приложение 2. Перечень показателей опасности загрязняющих ве¬ществ 124
Приложение 3. Акт внедрения результатов научных разработок в
учебный процесс 134
Приложение 4. Заключение-рекомендация внедрения способа получе-ния бетонов на основе ГЦПВ с применением отхода установки подготовки газа к транспорту в качестве гидравлической добавки 135
ВВЕДЕНИЕ
Актуальность работы. Силикагель широко используется на установке подготовки природного газа к транспорту (УПГТ). Промышленный силика¬гель Sorbead Н, WS (Germany) содержит некоторое количество примесей ок¬сидов металлов, которые как активные катализаторы способствуют процессу каталитических реакций при высокотемпературной регенерации сорбента. Известно, что легкие углеводороды полностью выделяются при регенерации силикагеля. Тяжелые углеводороды от С5 и выше более прочно удерживают¬ся силикагелем. При этом происходит их крекинг с образованием ненасы¬щенных углеводородов, которые превращаются в более сложные органиче¬ские соединения, снижающие активность поглотителя. Отработанный сили¬кагель — крупнотоннажный отход, содержащий около 5-8 % по массе углеро¬дистых отложений. При наземном складировании отходы образуют пыль, под действием осадков — загрязненные водные стоки. Проблемы негативного влияния на окружающую среду отходов при их хранении без обезвреживания для Краснодарского края и других территорий требуют безотлагательных решений. Однако проблема изучена недостаточно, в научно-технической ли-тературе мало работ, посвященных способам и разработке технологий обез-вреживания отработанного силикагеля. В связи с этим исследования состава загрязнений и способов обезвреживания отходов для снижения негативного воздействия на природные экосистемы являются своевременными и актуаль-ными.
Цель работы. Исследование технологических отходов процессов ад-сорбции-десорбции при подготовке газа к транспорту — отработанного сили-кагеля как источника загрязнения окружающей среды, научное обоснование степени его опасности и разработки способа его обезвреживания, обеспечи-вающего минимизацию воздействия образовавшихся загрязнений на живую природу.
В соответствии с поставленной целью определены основные задачи на-учного исследования:
1. Определение состава и количества загрязняющих веществ, обра-зующихся на поверхности силикагелей при подготовке природного газа к транспорту.
2. Научное обоснование экологической опасности отработанного сили-кагеля, разработка метода определения количества загрязняющих веществ, поступающих из отхода и продукта утилизации в водную среду.
3. Анализ общих тенденций использования отхода как вторичного ма-териального ресурса и определение универсального критерия применимости силикагеля при его обезвреживании.
4. Разработка метода применения отработанного силикагеля для полу-чения экологически безопасных материалов.
5. Разработка рекомендаций для проектирования технологических ли¬ний по утилизации отхода.
Методы исследования выбирались, исходя из постановок решаемых задач, с учетом особенностей исследуемых объектов и включают: экстрак¬цию отхода органическими растворителями и анализ состава и количества смеси загрязняющих веществ методами тонкослойной и колоночной хрома¬тографии, протонного магнитного резонанса ('Н ЯМР), инфракрасной (ИК) и хромато-масс-спектрометрии, дериватографии, испытание на прочность опытных образцов на сжатие и изгиб. Использовались стандартные и специ-ально разработанные алгоритмы и программы.
Научная новизна
1. Впервые предложен научно обоснованный метод выбора раствори-телей для экстракции загрязняющих силикагель веществ.
2. Разработан метод определения количества загрязнений, мигрирую¬щих в водную среду из отхода и продукта переработки отхода, на ос¬нове тонкослойной хроматографии (ТСХ).
3. Научно обоснован новый способ получения гипсоцементно- пуццоланового вяжущего (ГЦПВ) с отработанным силикагелем в качестве кремнеземсодержащей добавки.
4. Впервые установлены удерживание силикагелем алкилзамещенных бензолов в отходе и бетоне и миграция в водную среду преимущественно бо¬лее полярных сложных эфиров фталевой кислоты.
Практическая значимость
1. Разработаны основы технологии получения бетона с высокой водо-стойкостью на основе ГЦПВ без применения энергозатратной тепловой об-работки.
2. Получены опытные образцы ГЦПВ и водостойкого бетона на линии, которая является основой для проектирования производства бетонов, приме-няемых в строительстве влажных помещений.
3. Обосновано и практически реализовано использование отработанно¬го силикагеля в качестве кремнеземсодержащей добавки при разработке ли¬нии по производству бетона.
Достоверность полученных результатов и выводов диссертации опре-деляется корректностью поставленных задач, точностью показаний поверен¬ных измерительных приборов, используемых в экспериментальных исследо¬ваниях при регистрации параметров работы приборов при взвешивании, тит¬ровании, оценке физико-механических параметров образцов.
Апробация работы. Основные результаты работы докладывались на международной конференции «Перспективы развития химической перера¬ботки горючих ископаемых» в секции «Экология переработки горючих ис¬копаемых», 2006, Санкт-Петербург; ежегодных VI и VII конгрессах нефтега-зопромышленников России «Нефтегазопереработка и нефтехимия» в секции «Экология», 2006, 2007, Уфа; X Международной научно-практической кон-ференции «Промышленные и бытовые отходы: проблемы хранения, захоро-нения, утилизации, контроля», 2006, Пенза; IV Всероссийской конференции молодых ученых и студентов «Современное состояние и приоритеты разви¬тия фундаментальных наук в регионах», секция «Экология и природопользо¬вание», 2007, Анапа; 2-й Международной научной конференции «Фундамен¬тальные и прикладные проблемы современной химии», 2008, Астрахань.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 9 работ, в том числе, 2 статьи в журнале, включенном в список ВАК РФ, две статьи в сборниках «Фундаментальные и прикладные проблемы современной химии» и «Про-мышленные и бытовые отходы: проблемы хранения, захоронения, утилиза¬ции, контроля» и 4 тезиса доклада на российских и международных конфе¬ренциях. Получен патент РФ.
1 Исследование проблемы образования и утилизации отработанного силикагеля
Наличие огромного количества опасных отходов требует принятия неотложных и технологически эффективных мер для создания экологически безопасной ситуации на предприятиях отрасли. К сожалению, проблема ути-лизации отходов решается медленными темпами. В общем случае мероприя¬тия системы комплексного управления отходами в иерархическом порядке включают: сокращение отходов; повторное их использование; захоронение той части отходов, которою не удалось использовать в качестве BMP. Однако в настоящее время обезвреживание отходов превращением их в продукты утилизации, нашедшие своего потребителя, является наиболее приемлемым для стабилизации состояния природных экосистем [4].
Производственная деятельность предприятий газовой промышленно¬сти в силу объективных и субъективных особенностей технологических про¬цессов оказывает техногенное воздействие на окружающую среду. Рост объ¬емов образования отходов газовой промышленности отмечен только на тех предприятиях, где активно велась добыча и расширение сети трубопроводно¬го транспорта. Из основных видов отходов являются отработанные адсорбен¬ты, образующиеся при осушке природного газа. В литературном обзоре представлены материалы, характеризующие источник, условия образования отработанного силикагеля на установке по подготовке газа к транспорту (УПГТ) и пути утилизации отхода.

Список літератури

выводы
1. На основании исследования отработанного силикагеля как крупнотоннажного отхода при подготовке газа к транспорту получены данные о физико-химических свойствах отхода: водопоглощаемость, растворимость загрязняющих силикагель веществ и отложений в воде и органических растворителях, термоустойчивость.
2. Определено присутствие в отходе до 3,6 % сложной смеси экологически опасных органических веществ, извлеченных методом непрерывной экстракции хлороформом.
3. На основании исследования состава смеси экстрактов методом тонкослойной, колоночной, газожидкостной хроматографии и хромато- масс-спектрометрии предложены наиболее вероятные структуры веществ по данным 'Н ЯМР, ИК и масс-спектров в составе сложной смеси загрязнений силикагеля. С учетом выявленных вредных веществ в составе проведен расчет и установлен 3 класс опасности отхода, что обуславливает его экологическую опасность для окружающей среды.
4. Разработан метод определения количества загрязняющих силикагель веществ поступающих в окружающую природную среду из отхода и продукта его обезвреживания под воздействием атмосферной влаги, на основе ТСХ. Установлено надежное капсулирование вредных веществ при твердении бетона.
5. Разработан способ обезвреживания отработанного силикагеля экологически безопасным путем, используя его в составе гипсоцементно- пуццоланового вяжущего в качестве гидравлической добавки. Получены опытные образцы бетона с высокими показателями прочности и коэффициентом водостойкости (К = 0,98), что позволяет использовать такие бетоны не только в сухих, но и во влажных условиях.
6. Предложены основы технологии получения гипсоцементно- пуццоланового вяжущего, изготовления бетона и строительных конструкций, отвечающих экологическим требованиям.