Коагуляционная очистка отработанных технических масел

КОАГУЛЯЦИОННАЯ ОЧИСТКА ОТРАБОТАННЫХ ТЕХНИЧЕСКИХ МАСЕЛ,
ЗАГРЯЗНЕННЫХ РАДИОНУКЛИДАМИ
Волкова Т.С., Козлов П.В., Слюнчев О.М.
ФГУП «ПО «Маяк», г. Озерск
E-mail: cpl@po-mayak.ru
Нефтяные масла различных марок находят широкое и весьма разнообразное применение
при эксплуатации современной техники. Однако в процессе работы технологического
оборудования масло подвергается воздействию ряда факторов (окружающий воздух, температура,
давление, естественный свет и др.), изменяющих его физико-химические свойства [1]. Во-первых,
образующиеся при окислении продукты деструкции резко снижают качество масел. Во-вторых,
механические загрязнения в виде пыли и песка способствуют более интенсивному стиранию
металла с рабочих поверхностей и, следовательно, преждевременному износу аппаратов. Втретьих, влага, попадая в масло из атмосферы или вследствие протечек водяных охлаждающих
устройств, приводит к обводнению. Таким образом, нефтяные масла, с одной стороны,
претерпевают глубокое изменение химического состава, с другой стороны, загрязняются
посторонними веществами.
Кроме того, в силу специфики производства ФГУП «ПО «Маяк», масло загрязняется
радиоактивными нуклидами, поэтому отработанные технические масла (ОТМ) относят к
категории не промышленных отходов, а радиоактивных. Возникает ряд вопросов относительно
последующего обращения с ОТМ. В настоящее время ОТМ хранятся на территории предприятия,
однако, это временное решение проблемы, не обеспечивающее в полной мере экологической
безопасности.
На современном этапе развития российской промышленности важным и актуальным
является вопрос вовлечения в производство вторичного сырья. В связи с этим обстоятельством,
отработанные масла можно рассматривать как сырьевую базу для получения ценных
нефтепродуктов при надлежащей переработке, т.е. после удаления загрязняющих примесей и
восстановления масла до эксплуатационного качества, оно может быть использовано повторно.
Выбор метода регенерации ОТМ определяется характером содержащихся в них
загрязнений и продуктов старения [2]. Выделяют следующие способы регенерации ОТМ:
физические (отстаивание, фильтрация, центрифугирование, промывка водой); физико-химические
(коагуляция, адсорбция, ионный обмен) и химические (кислотная и щелочная очистка). Следует
заметить, что кислотный способ очистки можно рассматривать как физико-химический метод, т.к.
кислоты помимо чисто химического воздействия на некоторые продукты деструкции масла
являются также хорошими растворителями ряда соединений. На практике обычно для очистки
масел применяют комбинированные методы, обеспечивающие получение регенератов высокого
качества.
Коагуляция применяется для удаления из ОТМ растворимых в них продуктов окисления, а
также смолистых и асфальтовых веществ, которые находятся в масле во взвешенном (коллоидном)
состоянии и не могут быть удалены при помощи физических методов.
Сущность метода заключается в том, что в масло вводят электролиты, под действием
которых происходит укрупнение частиц загрязнений (коагуляция) в результате их слияния под
действием молекулярных сил сцепления. Продолжительность процесса составляет 20…30 мин.,
после чего можно проводить очистку масла от загрязнений с помощью отстаивания,
центрифугирования или фильтрования и удалять шлам.
В качестве коагулянтов при очистке ОТМ используются электролиты неорганического и
органического
происхождения,
поверхностно-активные
вещества
и
гидрофильные
высокомолекулярные соединения.
Действие коагулянтов не ограничивается только процессом коагуляции. Большинство из
перечисленных реагентов гидролизуется в воде с выделением щелочей или кислот. Продукты
коагуляции обладают высокой адсорбирующей способностью. Происходит также вымывание
некоторых примесей из масла раствором электролита.
Цель исследований заключалась в изучении возможности коагуляционной очистки ОТМ.
Эксперименты проводили на реальных ОТМ, загрязненных в основном альфа-излучающими
нуклидами (уран, плутоний).
Исследования, представленные в данной работе, проводили по следующей методике. В
отработанное масло вносили электролит, соблюдая фиксированное массовое соотношение
масло : коагулянт. Смесь тщательно перемешивали и выдерживали в течение 1 часа. Затем
проводили разделение фаз центрифугированием со скоростью 3000…5000 об/мин. в течение
10…15 мин. Эффективность разделения определяли визуально.
Далее измеряли объем отходов (коагулянт с осадком) и обработанного масла, отбирали
аликвоту масла, в которой определяли удельную активность альфа- и бета-излучающих нуклидов.
По результатам измерения исходной (А0) и остаточной (А) удельной активности масла
рассчитывали:
- коэффициент очистки, Коч:
Коч = А0 / А;
(1)
F = 100  Vос / V,
(2)
- долю осадка, F (% об.):
где Vос – объем осадка, мл; V – общий объем системы, мл.
Для проведения работы в качестве объекта исследования использовали масло марки ВМ-4,
удельная альфа-активность которого составила 278003100 Бк/кг, удельная бета-активность –
3700700 Бк/кг.
В качестве коагулянтов использовали растворы кальцинированной соды, триполифосфата
натрия и концентрированные неорганические кислоты.
Первую серию экспериментов проводили для всех исследуемых коагулянтов, задавшись
массовым соотношением масло : коагулянт, равным 5 : 1. Последующие испытания проводили с
варьированием массового соотношения масло : коагулянт для электролитов, использование
которых обеспечивало наиболее высокие коэффициенты очистки.
Установлено, что при использовании растворов соды (100 г/дм3) и триполифосфата натрия
(100 г/л) на границе раздела фаз масло-коагулянт происходит выпадение осадка белого цвета,
однако существенной очистки масла от радионуклидов не наблюдалось. Более перспективными в
этом отношении проявили себя неорганические кислоты, физические свойства которых приведены
в таблице 1.
Таблица 1 – Физические свойства коагулянтов [3]
Электролит
H2SO4
H3PO4
HNO3
HCl
Плотность, г/см3
1,826
1,687
1,387
1,170
Концентрация, моль/дм3
17,22
14,80
14,12
10,97
Результаты проведенных исследований по очистке ОТМ от альфа- и бета-излучающих
нуклидов представлены на рисунках 1 и 2 соответственно.
Как видно из представленных данных, наиболее высокие коэффициенты очистки от альфаи бета-излучателей достигаются при использовании серной кислоты и составляют 115 и 30,
соответственно (массовое соотношение масло : коагулянт равно 5 : 1). Применение фосфорной
кислоты несколько менее эффективно, коэффициенты очистки от альфа- и бета-излучателей
составляют 25. Азотная и соляная кислоты оказались неэффективными для очистки масла от
радионуклидов.
Данную закономерность можно объяснить следующим образом. Отработанное масло
всегда содержит некоторое количество влаги. Вероятно, серная кислота при введении в масло
лучше других реагентов поглощает влагу и растворенные в ней радионуклиды. Следует отметить,
что в результате поглощения воды концентрация кислоты снижается, ее реакционная способность
падает. Чтобы уменьшить влияние подобного эффекта, необходимо вводить кислоту в масло
порциями.
Действие серной кислоты как химического реагента в первую очередь направлено на более
реакционно-способные вещества, находящиеся в ОТМ, такие как смолы, асфальтены, карбоновые
и оксикарбоновые кислоты, фенолы и другие продукты окисления. При обработке масла серной
кислотой наблюдается образование кислого гудрона, представляющего собой вязкий продукт
черного цвета, находящийся в масле раздробленном состоянии, плохо отстаивающийся.
Коэффициент очистки
(от альфа-излучателей)
120
1
90
60
2
3
4
30
0
0
10
20
30
Масло : коагулянт, г/г
40
1 – H2SO4; 2 – H3PO4; 3 – HNO3; 4 – HCl
Рисунок 1 – Эффективность кислотной очистки ОТМ от альфа-излучателей
Коэффициент очистки
(от бета-излучателей)
40
30
1
2
20
3
4
10
0
0
10
20
Масло : коагулянт, г/г
30
40
1 – H2SO4; 2 – H3PO4; 3 – HNO3; 4 – HCl
Рисунок 2 – Эффективность кислотной очистки ОТМ от бета-излучателей
На рисунке 3 представлена зависимость объема вторичных отходов при кислотной очистке
масла от массы вводимого коагулянта. Для всех используемых неорганических кислот объем
вторичных отходов составляет менее 15 % об.
20
Доля отходов, % об.
3
2
15
4
10
1
5
0
0
10
20
Масло : коагулянт, г/г
30
40
1 – H2SO4; 2 – H3PO4; 3 – HNO3; 4 – HCl
Рисунок 3 – Объем вторичных отходов при кислотной очистке ОТМ
Главным недостатком кислотной регенерации масла является необходимость проведения
последующей щелочной или адсорбционной обработки с целью нейтрализации кислых продуктов,
недопустимых в условиях эксплуатации. Неоспоримым преимуществом данного способа является
высокая эффективность очистки от загрязнителей, находящихся в коллоидном состоянии.
Кислотная очистка используется в том случае, когда физические методы не позволяют получить
регенераты требуемого качества.
Экономическая эффективность регенерации масел заключается в следующем: во-первых,
восстановление ОТМ дает дополнительное количество масел без расходования нефти на их
изготовление, во-вторых, себестоимость восстановленного масла значительно ниже свежего.
Следует отметить, что большое значение имеет правильная организация сбора ОТМ: необходимо
соблюдать главный принцип - сортировать их по сортам и маркам.
Список литературы
128 с.
304 с.
1 Кожевникова Ф.А. Испытания масел в химических лабораториях. – М.: Энергия, 1967. –
2 Шашкин П.И. Регенерация отработанных нефтяных масел. – М.: Гостоптехиздат, 1960. –
3 Справочник химика. Т. III. Второе изд., перераб. и доп. – М.: Химия, 1964. – 1008 с.