Моделирование процесса и характеристика осадка при электрокоагуляции для удаления эмульсий масло-в-воде и кальция из сточных вод нефтеперерабатывающего завода

Почему важно очищать воду на НПЗ

Современные нефтеперерабатывающие заводы превращают сырую нефть в топливо и смазочные материалы, которые мы используем ежедневно, но при этом они производят большие объемы загрязнённой воды, насыщенной масляными каплями и растворёнными минералами, такими как кальций. Если такая вода не очищается должным образом, она может выводить из строя оборудование, приводить к потерям ценных водных ресурсов и загрязнять реки и моря. В этом исследовании рассматривается перспективный электрический метод очистки, способный одновременно решать две основные проблемы — масляное загрязнение и минерализацию жесткой воды — при контролируемом энергопотреблении и затратах.

Электрический способ связать загрязнение в одном месте

Исследователи сосредоточились на процессе, называемом электрокоагуляцией: в реакторе установлены металлические пластины, подключённые к источнику постоянного тока. Когда через воду проходит электричество, с одной пластины растворяются микроскопические количества алюминия, которые взаимодействуют с водой и образуют пушистые, липкие частицы. Эти частицы захватывают масляные капли и растворённый кальций, слипаясь в более крупные агрегаты, которые либо всплывают на поверхность в виде пленки, либо оседают как осадок. В отличие от традиционной химической обработки, этот метод сам генерирует «очистные химикаты» из металла пластин, что снижает необходимость добавления внешних реагентов.

Подбор оптимальной «рецептуры» для очистки

Эффективность очистки зависит от множества регулируемых параметров: длительности подачи тока, силы тока, солёности воды, кислотно-щелочного состояния и начальных концентраций масла и кальция. Вместо метода проб и ошибок команда применила структурированный статистический подход для исследования этого многомерного пространства. Они создали синтетические сточные воды НПЗ с контролируемыми количествами смазочного масла и солей кальция, затем систематически варьировали шесть ключевых условий: время обработки, pH, плотность тока, уровень соли (хлорид натрия) и исходные концентрации масла и кальция. Специализированное программное обеспечение помогло им спланировать 84 эксперимента и подобрать математические модели, связывающие эти входные параметры с удалением масла и кальция, а также с энергопотреблением и эксплуатационными расходами.

Что показали эксперименты и модели

Анализ показал, что время обработки было наиболее важным фактором при удалении как масла, так и кальция: большее время обычно давало алюминиевым флокам больше возможностей сформироваться и захватить загрязнители. Плотность тока и уровень соли также играли значительные роли, но сложнее. Более высокий ток помогал при достаточном времени, улучшая удаление за счёт генерации большего количества флоков и газовых пузырьков, но при коротком времени он мог нарушать формирование флоков. Умеренные количества кальция и соли улучшали электрическую проводимость, однако их избыток приводил к образованию твёрдых минеральных налётов на электродах и побочным реакциям, которые расходовали алюминий и снижали эффективность. pH воды также имел значение: слегка щелочная среда около pH 9 способствовала образованию алюминиевых соединений, особенно эффективных при разрушении масляных эмульсий и связывании кальция.

Поиск компромисса между эффективностью и стоимостью

Комбинируя экспериментальные данные с моделированием поверхностей отклика, команда выделила набор рабочих условий, которые совместно оптимизируют удаление масла, удаление кальция и затраты. При этих условиях — pH 9, умеренно-высокая плотность тока, определённые начальные концентрации масла и кальция, умеренное добавление соли и время обработки около полутора часов — система устраняла более 91 процента масла и почти 73 процента кальция. При этом она потребляла примерно 12 кВт·ч электроэнергии на кубический метр воды и достигала суммарных эксплуатационных затрат порядка 0,21 доллара США за кубометр, что ниже, чем в некоторых ранних исследованиях по электрокоагуляции. Компьютерные моделирования в среде COMSOL подтвердили, что при этих настройках электрическое поле внутри цилиндрического реактора распределяется более равномерно, что способствует эффективному протеканию реакций по всему объёму воды.

Что происходит с захваченными отходами

После обработки захваченные загрязнители формируются в смесь осадка и плавающей плёнки. Авторы исследовали этот материал с помощью ИК-спектроскопии, рентгеновского элементного анализа и электронной микроскопии. Они обнаружили, что он содержит структуры гидроксида алюминия вместе с углеродом, происходящим из масла, а также солями кальция и натрия, образуя пористые, неправильной формы частицы с большой удельной поверхностью. Эти свойства позволяют предположить, что осадок может быть повторно использован, а не просто утилизирован — например, как поправка для почвы, где его минеральный состав может улучшать свойства почвы, или как источник алюминия, который можно извлечь и переработать в новые реагенты для очистки.

Чище вода при более простой системе

В целом исследование демонстрирует, что относительно простой реактор для электрокоагуляции, работающий на умеренных электрических токах и использующий доступные алюминиевые электроды, может одновременно удалять эмульгированное масло и кальций из сточных вод НПЗ при конкурентных затратах. Тщательная настройка рабочих параметров в сочетании со статистическим моделированием и компьютерным моделированием показывает, что эта технология способна преобразовать сильно загрязнённые промышленные воды в значительно более чистый поток, при этом создавая управляемый осадок, который может иметь вторичные применения. Для сообществ и отраслей, сталкивающихся с дефицитом воды и жёсткими нормами сброса, такая оптимизированная электрическая обработка предлагает практичный путь к более безопасному и устойчивому повторному использованию воды.

Цитирование: Mohamed, Y.E., El-Gayar, D.A., Amin, N.K. et al. Process modeling and sludge characterization of electrocoagulation for the removal of oil-in-water emulsions and calcium from petroleum refinery wastewater. Sci Rep 16, 7954 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-37854-8

Ключевые слова: сточные воды нефтеперерабатывающего завода, электрокоагуляция, эмульсия масло-в-воде, удаление жесткости воды, оптимизация очистки сточных вод