Модификация серы нефтесодержащим отходом

Размещено на http://www.allbest.ru/

Оренбургский государственный университет

Модификация серы нефтесодержащим отходом

Горбик Г.О.

Актуальной экологической проблемой в ряде регионов России является утилизация серы, образующейся в больших количествах в результате переработки нефти и газа. Одним из направлений, достаточно широко развивающимся в настоящее время, стало её использование в строительстве. Сера, имея ряд присущих ей свойств, нашла применение в изготовлении материалов и изделий, к которым предъявляются повышенные требования по стойкости в агрессивных средах, морозо- и атмосферостойкости, непроницаемости.

Материалы на основе серы являются сложными многофазными системами, состоящими из заполнителей, наполнителей и модифицированной серы как вяжущего или его части. Свойства таких материалов, их эксплуатационные характеристики зависят во многом от молекулярной структуры и строения серы. Применение различных модифицирующих добавок позволяет направленно изменять и регулировать её свойства. Так, ввод в серу стабилизирующих добавок позволяет улучшить её прочностные и деформативные характеристики, стойкость к действию агрессивных сред за счет стабилизации некоторой её части в полимерном состоянии. Добавками могут служить как органические, так и минеральные материалы, вводимые в состав серного расплава. Многие из них хорошо изучены и классифицированы по механизму взаимодействия с серой [1].

Последние годы ведутся исследования побочных продуктов промышленных производств, в состав которых входят вещества, способные эффективно модифицировать серу. Такими материалами, в основном, выступают отходы химических, нефте- и газоперерабытывающих производств. Их обоснованное использование позволяет не только целенаправленно регулировать свойства материалов, но и в некоторой степени снизить экологическую нагрузку на территории их хранения.

Целью данной работы явилось исследование возможности использования в качестве модифицирующей добавки нефтяного кека - высокодисперсного органосодержащего материала, получаемого в результате обезвоживания нефтяного шлама. Исследования группового состава кека методами избирательной растворимости его компонентов в органических растворителях позволили выделить в его составе следующие группы: минеральная составляющая, твердые углеводороды - 57,45%, асфальтены - 1,46, мальтены - 41,09%.

Химический состав минеральной части кека: SiO2 - 18.1%; СаО - 34%; MgO - 2.0%; CO2 - 23.8%; SO3 - 1.6%; ППП - 9.1%; Cl- - 0.45%; R2O3 - 10.8%, в том числе Fe2O3 - 3.44%, Al2O3 - 4.72%. Размер частиц минеральной составляющей - менее 0,071 мм.

Рассматривая микроструктуру нефтяного кека с точки зрения адсорбционно-молекулярной теории и представлений о строении высокомолекулярных соединений, можно предположить, что в его составе присутствуют активные функциональные группы, химически не связанные с поверхностью минеральной части. К таким группам, прежде всего, можно отнести асфальтогеновые кислоты и их ангидриды, активные структуры асфальтенов и непредельные соединения смол

Процесс полимеризации серы по свободно-радикальному механизму и присутствие в составе кека активнных групп позволяют предположить о возможности модифицирования серы нефтяным кеком [2, 3, 4].

Исследование влияния добавки кека в расплав серы на содержание полимерной модификации проводилось по следующей методике. Кристаллическая сера нагревалась в емкости скоростного смесителя до температуры 1600С. Затем при постоянном перемешивании в расплав вводилось расчетное количество добавки. После одного часа изотермической выдержки при температуре 1600С из расплава изготавливались серные отливки, охлаждаемые до комнатной температуры в естественных условиях.

Определение содержания полимерной модификации основывалось на её нерастворимости в ароматических углеводородах. Проба материала растворялась в горячем бензоле с последующим отфильтровыванием на плотном фильтре нерастворимого остатка. Количество полимерной модификации рассчитывалось с учетом остатка на фильтрах минеральной части кека, его твердых углеводородов, масел и смол.

В результате исследования был построен график (рисунок 1), показывающий зависимость содержания полимерной серы от количества модифицирующей добавки. сера газ нефтяной шлам

Анализируя полученные данные, можно сделать вывод, что при выбранном режиме модификации увеличение содержания кека в составе серного вяжущего до 4.8 % приводит к повышению в нем до 1,8% количества полимерной модификации

Используя для модификации серы продукты нефтепереработки или нефтесодержащие отходы, особое внимание необходимо уделять режиму приготовления вяжущего: температуре и времени изотермической выдержки, скорости охлаждения. Так, увеличение времени изотермической выдержки повышает содержание нерастворимой серы, делая процесс полимеризации более полным. В то же время, высокие температуры

и присутствие кислорода приводят к окислению активных составляющих углеводородов, увеличению их молекулярного веса и потере реакционной способности.

Опираясь на предыдущие результаты, было проведено исследование влияния количества нефтяного кека в составе серного вяжущего и времени изотермической выдержки расплава на содержание полимерной модификации. Исследование проводилось методом математического планирования эксперимента. Был использован двухфакторный композиционный эксперимент с квадратичной моделью. Содержание нефтяного кека в составе серного вяжущего варьировалось от 3,2 % до 4,8 %; время изотермической выдержки расплава серы с добавкой - от 1 до 6 ч. Температура изотермической выдержки составила 1600С. Определение содержания полимерной модификации серы в образцах-отливках исследуемых составов проводилось спустя 14 суток после формования.

В результате обработки данных эксперимента была получена регрессионная зависимость (1) - функция количества полимерной модификации серы от времени изотермической выдержки серного расплава (Х2) и содержания в нем нефтяного кека (Х1). На рисунке 2 отображены графические зависимости изменения содержания полимерной модификации серы от времени изотермической выдержки и количества нефтяного кека.

Рис. 2 Зависимость содержания полимерной модификации серы от времени изотермической выдержки и количества нефтяного кека

Поиск экстремума данной функции при максимальном значении вводимой добавки и минимальном времени изотермической выдержки проводился методом Гаусса-Зайделя, используя ЭВМ. Экспериментально было определено содержание полимерной модификации серы в нескольких контрольных составах. Анализ полученных результатов позволил сделать вывод об адекватности полученной модели исследуемой системы.

Анализируя результаты проведенного исследования, можно сделать следующие выводы. Нефтяной кек, являясь отходом нефтепереработки, имеет в своем составе активные группы, способные стабилизировать полимерную модификацию серы при выбранном режиме модификации. Влияние времени изотермической выдержки расплава серы с кеком на содержание полимерной модификации имеет экстремальный характер. Снижение её содержания связано, видимо ,с деструктивными процессами, происходящими в связи с переокислением активных групп углеводородов. При выбранном режиме модификации максимальное содержание полимерной серы (1,75 %) достигается при изотермическом выдерживании серы с нефтяным кеком (4.64 %) в расплаве в течение 230 минут.

Список литературы

1.Королев Е.В Серные композиционные материалы для защиты от радиации. , А.П.Прошин, В.И.Соломатов. -Пенза: ПГАСА, 2001. -208 с.

2. Колбановская А.С. Дорожные битумы / А.С. Колбановская, В.В. Михайлов. -М.: Транспорт, 1973. - 264 с.

3. Вернигорова В.Н. Физико-химические основы строительного материаловедения / В.Н. Вернигорова, Н.И.Макридин, И.Н.Максимова, Ю.А.Соколова. -М.: Изд-во АСВ, 2003. - 136 с.

4. Новый вид химической продукции-полимерная сера. - М.:. НИИТЭИ, 1982.- 38 с.

Размещено на Allbest.ru