Нефтешламы — опасные отходы нефтедобычи, содержащие углеводороды, тяжелые металлы и химикаты. При добыче 500 тонн нефти образуется одна тонна шлама, угрожающего экосистемам. Пермские ученые предложили перерабатывать их через пиролиз, получая углеродсодержащий продукт. Добавление 15-20% этого материала в керамику делает ее легкой, пористой и прочной, одновременно снижая энергозатраты на производство. Из такой керамики можно делать строительные материалы или использовать в фильтрах для очистки воды.
Статья опубликована в журнале Glass and Ceramics. Исследование выполнено в рамках реализации программы стратегического академического лидерства «Приоритет-2030».
Керамику производят из глинистой смеси с различными добавками, которые повышают долговечность материала и улучшают качество его обжига. Например, эффективно добавление выгорающего сырья – угля, торфа и древесных опилок. Они делают материал более пористым, а также позволяют заменить часть глинистого сырья, тем самым удешевляя производство. Кроме того, в процессе обжига при попадании кислорода внутрь происходит процесс окисления продукта и дополнительное энергообразование, что позволяет экономить топливо.
Однако необходим тщательный подбор вида добавок и режимов термообработки, чтобы не допустить брака. При недостаточном окислении может произойти вздутие материала и образование черной сердцевины из-за несгоревших угольных частиц, что ухудшает свойства готового изделия.
Углеродсодержащий продукт, получаемый от термо-обезвреживания нефтешлама, может стать перспективным компонентом для производства керамики. Ученые ПНИПУ разработали технологию получения качественного, пористого керамического материала на его основе. Способ станет эффективным решением проблемы утилизации многотоннажных отходов нефтяной и нефтеперерабатывающей промышленности.
Для эксперимента исследователи использовали нефтешлам одного из нефтеперерабатывающих заводов России. Обычно на предприятии его обезвоживают и подвергают пиролизу – термической обработке в бескислородной среде. Полученный углеродсодержащий продукт представляет собой мелкие гранулы черного цвета, которые в настоящее время не находят применения.
Эксперты исследовали энергетический потенциал углеродсодержащего материала и выяснили, что каждый килограмм такого продукта позволяет сэкономить на обжиге керамики до 1,28 МДж энергии, а также заместить 762 грамма глинистого сырья. Это говорит о возможности сокращения затрат на топливо и глину при производстве керамических изделий.
Для определения оптимальных режимов изготовления ученые создали образцы керамики с глиной без добавок и с введением углеродсодержащего материала в количестве10-30%. Их выдерживали в печи в течение двух часов при различных температурах (900-1200 градусов).
– Эксперименты показали, что в сравнении с образцами из чистой глины присутствие в добавке остатков пиролиза нефтешлама позволяет снизить температуру обжига с 1150 до 1080 градусов. Это сокращает энергопотребление и делает процесс более экономичным. Также наиболее оптимально введение в глинистую смесь 15-20% продукта, что повышает пористость керамики и способствует образованию уникальной структуры с большим количеством стеклофазы, упрочняющей материал, – объясняет Елена Калинина, доцент кафедры «Охрана окружающей среды» ПНИПУ, кандидат технических наук.
Эксперты отмечают, что предложенное решение дает возможность использовать остатки пиролиза нефтешлама в создании товарных продуктов. В частности, полученные образцы керамики обладают высокой пористостью и при достаточной прочности могут применяться в виде керамзита – легкого строительного материала, а также в качестве носителя биомассы в системах биологической очистки вод.
Исследование ученых ПНИПУ доказало перспективность применения остатков пиролиза нефтесодержащих отходов в производстве керамики. Внедрение технологии в промышленность позволит значительно сократить объемы опасных многотоннажных отходов и при этом создать полезный качественный продукт.