ФЕРРОМАГНИТНЫЙ  СОРБЕНТ  И  УСТРОЙСТВО  ДЛЯ  СБОРА НЕФТЕПРОДУКТОВ  С  ВОДНОЙ  ПОВЕРХНОСТИ

 

Ершов О. Л. ¹, Жигалин Г.Я. ¹, Блохин Д. Ю. ², Иванов П. К. ²,

Филиппов В. И. ², Махлин Р. С. ³, Мошечков Н. Г. ³

 

1.      ФГУП РФ Государственный научно-исследовательский институт химии и технологии элементоорганических соединений. Москва, 111123, Шоссе Энтузиастов, дом 38. Телефон: 8 – (095) – 273 – 49 – 53. Телефакс: 8 – (095) – 273 – 13 – 23.                                 E – mail: EOS@INKOTRADE.RU

2.      ООО НПЦ «МедБиоСпектр». Москва, 115478, Каширское шоссе, дом 24.                Телефон: 8 – (095) – 324 – 22 – 49. Телефакс: 8 – (095) – 323 – 53 – 33.

3.      ФГУП РФ Центральный научно-исследовательский институт точного машиностроения.  г. Климовск, 142080, ул. Заводская, дом 2.

 

В настоящее время технологические процессы, связанные с нефтедобычей, нефтеперера­бот­кой, транспортировкой и хранением нефти и нефтепродуктов, представляют собой источ­ник повышенной опасности для окружающей среды. Аварии на морских нефтяных платфор­мах, крушения нефтеналивных судов, повреждения подводных участков нефтепроводов яв­ляются основной причиной масштабного загрязнения поверхностей водоёмов и значитель­ных участ­ков береговой зоны. При этом наибольшую опасность для окружающей среды представляют тяжёлые, смолистые фракции нефти, обладающие значительной вязкостью и не поддающиеся выветриванию.

Для сбора и удаления нефтяных плёнок с поверхности воды широко используются порис­тые материалы, способные адсорбировать значительные количества жидкости. Основные требования к подобным материалам – высокая впитывающая способность и плавучесть в воде. Используемые сорбенты должны легко отделяться от очищаемой жидкости. Создание ферромагнитных сорбентов, способных на поверхности воды взаимодействовать с нефтяной плёнкой и образовывать суспензии по типу магнитных жидкостей позволяет решить про­блему эффективного сбора нефтепродуктов с достаточно больших водных поверхностей при минимальном расходе сорбента.

В этом направлении были проведены работы по созданию порошков, содержащих ферро­магнетик и продукты пиролиза углеводородов [1]. Порошки такого типа получают плазмо­химическим методом за счёт распыления ферромагнитного материала в плазменной дуге с одновременной подачей в зону распыления углеводородов. Испытания порошков показали их высокую связующую способность по отношению к нефтепродуктам. Введение сорбента в водную фазу под плёнку нефти с последующим образованием на поверхности воды магнито­реологической суспензии упрощает технологию распределения порошка на водной поверх­ности.

Несмотря на превосходные потребительские качества порошков такого типа, их практиче­ская реализация на сегодняшний день не состоялась, что связано с высокой энергозатратно­стью производственного процесса и, как следствие, их высокой себестоимостью.

В настоящем исследовании мы предприняли попытку создать высокоэффективный магни­тоуправляемый сорбент по технологии, обеспечивающей при низких затратах создание кон­курентоспособной продукции.

В качестве ферромагнитной фазы сорбента были выбраны высокодисперсные порошки оксидов металлов (преимущественно – железа), которые оседают на фильтрах тонкой очи­стки доменных газов металлургических предприятий. В настоящее время эти порошки не утилизируются и являются отходом производства (шламом).

Проведённые исследования показали, что порошки состоят из частиц и их агрегатов раз­мером до 100 мкм, и обладают ферромагнитными свойствами. Однако использовать их в ка­честве сорбентов для очистки поверхностей водоёмов от углеводородов не представляется возможным, поскольку поверхность частиц является гидрофильной, и они не обладают пла­вучестью.

На первой стадии модификации поверхности частиц использовались органосилоксаны общей формулы:

R’ – [CH ₂] _n – Si – ( OR ) ₃,

 

где R представлено С _n H _{2 n + 1},  R ’ представлено С _n H _{2 n + 1},  – O С _n H _{2 n + 1},  NH ₂ и так далее. 

Соединения такого типа химически взаимодействуют с гидрофильной поверхностью порош­ков и применяются в качестве аппретов при обработке поверхностей материалов.

На второй стадии, аппретированные магнитные порошки обрабатываются водной эмуль­сией силиконовой жидкости общей формулы:

 

R ₁ – ( R Si – OR ) _n – R ₁

                                                                                

где R и R ₁ представлено С _n H  _{2  n  +  1},  – O С _n H _{2  n  +  1},  – С _n H _{2 n} NH ₂ и тому подобное.

Для магнитных порошков, содержащих окислы железа и никеля, были разработаны крем­нийорганические эмульсии на базе силиконовых олигомеров, выпускаемых в России и за ру­бежом.

 

Таблица 1. Физико-химические характеристики магнитоуправляемых сорбентов.

 

Размер частиц сорбента	Намагниченность  насыщения	Насыпной вес
10 ¸ 100 мкм	15 ¸ 80 еми / г	0,4 ¸ 0,95 г / см 3

 

Образцы испытаны в процессах очистки воды на демонстрационной установке, состоящей из резервуара, заполненного водой, вращающегося барабана, внутри которого расположены постоянные магниты, создающие на поверхности барабана неоднородное магнитное поле с напряжённостью 2000 ¸ 3000 Э, устройство для механического удаления собранной суспен­зии нефти и порошка, коллектора для сбора собранной смеси.

Частицы порошка, введённые в водную среду, вследствие своей гидрофобности, флоти­руют и равномерно распределяются в слое нефти. Микронный размер частиц используе­мого порошка обеспечивает большую удельную поверхность и, соответственно, высокую сорбционную ёмкость в отношении нефтепродуктов. Вращающийся барабан, на поверхности которого создаётся неоднородное магнитное поле, передвигается относительно поверхности суспензии нефти и порошка, контактируя с последней. На суспензию со стороны барабана действует магнитная сила, обеспечивающая фиксирование и перемещение смеси вместе с барабаном за счёт ферромагнитных свойств порошка и создаваемого магнитного поля. С противоположной стороны барабана собранная смесь механически удаляется и накаплива­ется в коллекторе.

 

Таблица 2. Результаты очистки водной поверхности образцами сорбента.

 

Тип нефтепродукта	Связывающая способность нефтепродукта (г / г)	Способ введения	Фазовое состояние нефтепродукта	Эффективность очистки, (%)
Дизельное топливо	1 / 50	В водную среду распылением	Поверхностная плёнка или эмульсия вода/ масло для всех типов нефтяных продуктов	90
Моторное масло	1 / 70			95
Сырая нефть	1 / 70			98

 

 

 

Эффективность очистки определяли по разности массы внесённых и собранных загрязне­ний. Результаты очистки представлены в таблице 2.

 

 

Рисунок 1. Устройство для сбора нефти с водной поверхности.

 

На базе лабораторных исследований разработана принципиальная схема устройства для сбора нефти с водной поверхности в реальных условиях (рисунок 1).

Устройство монтируется на плавающей платформе (позиция 8) типа «катамаран» (сцеп­лённые между собой два параллельно расположенных судна). Основной элемент – магнит­ный барабан (позиция 1) с длиной рабочей поверхности 1000 мм – касается поверхности раз­дела фаз вода-нефть и вращается со скоростью 0,1 – 0,3 оборотов в секунду. Скорость дви­жения платформы по водной поверхности не более 5 км / час.

На нефтяную плёнку перед носовой частью платформы распыляется гидрофобный маг­нитный порошок по всей ширине рабочей части барабана. Подача порошка осуществляется непрерывно из бункера (позиция 8) секторным питателем (позиция 7). При контакте магнит­ного сорбента с нефтью образуется магнитореологическая суспензия. Эта суспензия извлека­ется из водной фазы на поверхность барабана, вращающегося в неоднородном магнитном поле (позиция 1), движется вверх в немагнитную зону, где отделяется от поверхности бара­бана механическим скребком (позиция 2). Суспензия собирается в приёмную ёмкость (пози­ция 3) и периодически перекачивается грязевым насосом (позиция 4) в сборник (позиция 5).

Таким образом, в проведённой работе:

1.      Разработан способ получения магнитоуправляемого сорбента для сбора нефтепродуктов с водных поверхностей.

2.      Предлагается в качестве основы сорбента использовать неутилизируемые отходы металлургических производств.

3.      Разработаны составы на базе силиконов для обработки магнитных порошков с целью обеспечения водооталкивающих и флотационных свойств сорбента.

4.      Предложено устройство для сбора нефтепродуктов с поверхности водоёмов.

 

Библиографический  список:

 

Ершов О. Л. , Жигалин Г.Я. , Блохин Д. Ю. , Иванов П. К. , Филиппов В. И. , Махлин Р. С. , Мошечков Н. Г. Порошкообразный сорбент для нефти, масел и других углеводородов. Патент Российской Федерации № 2088534 от 04.11.1995 г.

ПРИМЕНЕНИЕ  КОММЕРЧЕСКИХ  МАГНИТОУПРАВЛЯЕМЫХ  КОМПОЗИЦИЙ

 

Данилов В. Д. ¹, Волобуев Н. К. ¹, Глухоедов Н. П. ², Ершов О. Л. ², Жигалин Г. Я. ²,

Степанов Г. В. ², Кирсанов Б. В. ³, Сулоева Л. В. ³, Матусевич Н. П. ³, Гульдина Н. В. ⁴

 

1.      Институт Машиноведения имени А. А. Благонравова РАН.

2.      Государственный научно-исследовательский институт химии и технологии элементоорганических соединений.

3.      НИИ физико-химических проблем Белорусского Государственного Университета.

4.      Институт органической химии РАН.

 

В результате научных и практических исследований коллективом авторов созданы ком­мерческие магнитоуправляемые композиции (МУК), физические и функциональные свой­ства которых целенаправленно регулируются при воздействии на них магнитных полей.

В зависимости от степени дисперсности используемой магнитной фазы и организации фи­зико-химической структуры, обратим внимание на следующие типы синтезируемых МУК:

1.      Магнитореологические суспензии (МРС), при синтезе которых в качестве дисперсной среды используют магнитную фазу с размером частиц до нескольких микрон;

2.      Магнитные жидкости (МЖ), синтезируемые с использованием жидкостей-носителей и ультрадисперсной магнитной фазы с размером частиц в несколько нанометров.

 

1. Коммерческие  магнитоуправляемые  композиции.

 

Указанные магнитоуправляемые композиции были синтезированы на кремнийорганиче­ских, фторооргнанических и углеводородных основах по специальной технологии. Стабиль­ность магнитоуправляемых композиций, например, на кремнийорганических основах, обес­печивается предварительной обработкой дисперсной фазы по специальной технологии оли­гомерными кремнийорганическими поверхностно-активными веществами с последующим компаудированием полученной системы различными добавками на базе кремнийорганиче­ских соединений, стабилизирующих структурные, термические и другие характеристики.

Магнитные и реологические свойства коммерческих МРС: плотность 2,1 – 4,1 г / см ³ ; вязкость 0,3 – 3,6 ^. 10 ⁴ Па ^. с при скорости сдвига 50 – 1200 с ^{– 1}; напряжение сдвига до 84 кПа ^. с; намагниченность насыщения от 270 до 796 кА / м; диапазон рабочих температур от   – 40 до + 180°С.

На основе этого типа магнитоуправляемых композиций в качестве рабочей среды созданы эффективные технологии нового поколения, разработаны принципиальные новые конструк­тивные решения механизмов, узлов и технических систем, реализованных в различных об­ластях деятельности человека. Режим течения МРС под давлением реализован в демпферах, амортизаторах, сервоклапанах, виброопорах и так далее. Примеры механизмов с режимом сдвига МРС: тормоза, муфты различного назначения, автомобильные муфты сцепления, при­вода вентилятора, компрессора и так далее.

В последние несколько лет значителен интерес к созданию исполнительного демпфера с непрерывным и динамическим изменением показателей демпфирования и жёсткости на основе магнитореологической суспензии. В таблице 1 представлены коэффициенты демпфирования Ka различных МРС. Изменение коэффициента демпфирования обеспечива­ется путём подачи тока на электромагнитную катушку, расположенную в поршне.  

 

Таблица 1. Значения КД [ Н/см] при скорости V = 0,2  м / c.

 

Сила тока I, A	МРС – 7	МРС – 13	МРС – 28
0	450	235	97
1	1775	2000	1710
2	3060	2800	2370
3	3560	3075	2780

По результатам этих исследований разработан управляемый магнитореологический аморти­затор (УМРА) применительно к требованиям, предъявляемым к среднему легковому автомо­билю. К числу этих требований относятся:

1.      Кратность (глубина) регулирования при демпфировании приведённой массы 30 кг ^. с /см должна соответствовать коэффициентам демпфирования К _{Д МИН}  = 20 ± 1 кг ^. с / см при токе управления I_У = 0 А; К _{Д МАКС} = 500 ± 20 кг ^. с /см при токе управления I_{У МАКС} = 5 А;

2.      Питание от борта U = 12 ± 0,5 В;

3.      Диапазон рабочих температур – 40°С … + 70°С;

4.      Предпочтительная линейная зависимость силы демпфирования P_P = j (V) в диапазоне скоростей – 1 м / с < V < 1 м / с в тактах сжатия и отбоя;

5.      Аналогичное требование по управляемой зависимости К_Д = j (I_У);

6.      Быстродействие не хуже 10 миллисекунд.

Однако, создание активной подвески на базе управляемого магнитореологического амор­тизатора (УМРА) помимо создания самого УМРА как исполнительного элемента подвески включает ряд направлений:

1.      Создание магнитореологической суспензии, используемой в качестве рабочего тела в УМРА;

2.      Разработка системы съёма и обработки первичной информации;

3.      Разработка алгоритмического обеспечения системы управления;

4.      Схематическая и приборная реализация блока управления.

Магнитореологическая суспензия при воздействии на неё магнитных полей изменяет свои свойства таким образом, что представляется возможность непрерывно изменять усилие F по ходу (скорости) штока (предрессорной массы).

Наиболее существенными преимуществами этих устройств являются: простота управле­ния, быстродействие и лёгкая сопрягаемость с электронными системами управления, обеспе­чивающими непрерывную (в отличие от известных систем управления) оптимизацию дина­мических характеристик автомобиля. Уровень демпфирующего воздействия, быстродействие и простота конструкции выгодно отличают УМПА от известных в мировой практике уст­ройств. Они позволяют существенно улучшить показатели эффективности работы подвески современных и перспективных автомобилей:

1.      Уменьшение длительности переходных процессов (на 50 – 70 %);

2.      Снижение амплитуд колебания кузова (до 30 %);

3.      Уменьшение величины ускорений центра масс автомобиля (до 40 %);

4.      Снижение вероятности «пробоя» подвески, то есть ударов об ограничители хода колеса;

5.      Снижение вероятности «отрыва» колеса от грунта.

Таким образом, создание УМРА как принципиально нового механизма управления быст­родействующего исполнительного механизма управления подвеской легкового автомобиля позволит, при использовании непрерывной замкнутой системы управления, резко улучшить его потребительские свойства, в частности:

1.      Обеспечить устойчивость и повышенную безопасность движения на трассах различных типов;

2.      Получить более высокие (по сравнению с существующими) показатели эффективности работы подвески для легковых автомобилей различных классов;

3.      Обеспечить эффективность подвески не только в штатных, но и в критических условиях работы, которые не рассчитаны применяющиеся в настоящее время системы.

 

2. Коммерческие  магнитные жидкости.

 

Указанные магнитные материалы были синтезированы на кремнийорганических, углево­дородных и фтороорганических основах по специальным технологиям. Их основные физиче­ские свойства: плотность 1,1 – 2,1 г / см ³ ; намагниченность насыщения 19,7 – 40,4   кА / м; начальная магнитная восприимчивость 1,1 – 3,25; вязкость 0,01 – 10 Па ^. с.

На основе этого типа МЖ рассмотрены теоретические и практические аспекты построения магнитожидкостных гасителей колебаний (МЖГК). Интерес к такого рода устройствам обу­словлен возможностью управления жесткостными и демпфирующими характеристиками, получением линейного и нелинейного законов, их изменения и, в конечном счёте, возможно­стью достижения требуемых амплитудно-частотных и фазо-частотных характеристик. 

Для МЖГК левитирующего типа жёсткостные характеристики определяются силами маг­нитной левитации. Они принимаются равными силами, действующими на магнитную жид­кость F_M = m_OMÑHdV, где M и H, соответственно,  намагниченность магнитной жидкости и напряжённость магнитного поля.

Как показали проведённые исследования, эффективными являются магнитные системы, набранные из постоянных магнитов призматической и цилиндрической формы с вектором намагниченности, периодически изменяющим направление. Конфигурация магнитных полей изучалась на основании уравнения магнитостатики Ñ B = 0, Ñ x H = 0 с граничными усло­виями: равенство нормальных составляющих магнитной индукции и тангенциальных со­ставляющих напряжённости магнитного поля. Рассмотрены магнитные системы, замкнутые по магнитной жидкости, и замкнутые по магнитопроводу с одной стороны и по магнитной жидкости с другой стороны. В сравнении с симметричными магнитными полями для асим­метричных полей характерна более высокая напряжённость поля. Её изменения в перпенди­кулярном к поверхности направлении описываются уравнением H = H_Oexp (– aX), где H_O – средняя напряжённость на поверхности магнитной системы.

Для нахождения демпфирующих характеристик привлекается магнитогидродинамическая теория течения магнитной жидкости поверхностью МЖГК. При этом рассматривается тече­ние жидкости, когда магнитная система (элемент-магнит) приближается к ограничивающей поверхности с некоторой скоростью. Совместное решение магнитогидродинамического уравнения и уравнения энергетического баланса даёт возможность установить скорости те­чения, магнитогидродинамические силы и их работу при уменьшении зазора, работу демп­фирующих усилий и величину последних, а, следовательно, коэффициентов демпфирования.

В ходе оптимизации параметров магнитной системы и магнитной жидкости обеспечива­ются требуемые для МЖГК жесткостные, демпфирующие и частотные параметры.

Приведём некоторые результаты теоретико-практических работ построения МЖГК коль­цевого типа. Магнитная система набрана из плоских призматических постоянных магнитов. Внешний радиус впадины МЖГК, где размещено кольцевое рабочее тело, равен  72 ^. 10 ^{– 3} м. Параметры магнитной системы оптимизируются в ходе совместного решения уравнений магнитостатики, магнитогидродинамического течения среды и энергетического баланса с целью достижения частоты собственных колебаний рабочего тела, коэффициентов жёстко­сти и демпфирования, равных соответственно 89 Гц, 63 кН/м и (10 – 60) Н ^. с / м.

Для этой задачи эффективной является магнитная система, набранная из шести блоков по­стоянных магнитов. Каждый блок состоит из четырёх магнитов с размерами 17 х 9 х 3 и двух магнитов с размерами 17 х 4 х 3 см. С одной стороны магнитная система замкнута через маг­нитопровод, с другой – через магнитную жидкость. При этом вектор намагниченности ме­няет направление через 180°. Напряжённость магнитного поля подчиняется экспоненциаль­ной зависимости с a = 0,17 ^. 10 ^{– 3} и H_O = 272 кА/м. Намагниченность насыщения магнитной жидкости составила 39 кА / м, а магнитная восприимчивость m = 2,1.