Электронный научный журнал
Современные проблемы науки и образования
ISSN 2070-7428
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 0,737

СОРБЦИОННОЕ ИЗВЛЕЧЕНИЕ ЙОДА И БРОМА ИЗ ПЛАСТОВЫХ МИНЕРАЛИЗОВАННЫХ ВОД ПРИ ПОМОЩИ ИОННООБМЕННЫХ СМОЛ

Самтанова Д.Э. 1
1 ФГБОУ ВПО "КалмГУ"
В данной статье были проанализированы пробы пластовых минерализованных вод Калининского, Курганного, Комсомольского, Состинского и Шахметского месторождений. В статье отражено распределение содержания йода и брома в пластовых водах исследуемых месторождений. По результатам анализа был посчитан хлорбромный коэффициент, который находится в прямой зависимости от содержания хлоридов в воде. В качестве сорбентов были использованы ионообменные смолы – АН-31 и АН-2ФН. В нашем исследовании сорбцию проводили в динамических условиях, на хроматографической колонке. Проанализирована кинетика сорбции при различных температурах: 278 К, 298К, 308К. Были посчитаны термодинамические характеристики сорбции по уравнению Ленгмюра. Эффективность сорбции была проанализирована по степени извлечения йода и брома. По результатам исследования было обнаружено, что для сорбции йода из пластовых минерализованных вод наиболее выгоднее применить анионит АН-31, а для сорбции брома – анионит АН-2ФН.
бромид-ионы.
иодид-ионы
анионит
кинетика
сорбция
пластовые минерализованные воды
1. Бабадзе А.Н. Геохимические особенности распределения рассеянных элементов (J и Br) в пластовых водах площади нефтчала // Труды молодых ученых. – №3 – 2010. – С.11-15.
2. Бочкарева В.А., Сыдыков Ж.С., Джангирьянц Д.А. Подземные воды Прикаспийской впадины и ее восточных обрамлений – Алма-Ата, Наука, 1973. – 216 с.
3. Король В.В., Позднышев Г.Н., Манырин В.Н. Утилизация отходов бурения скважин // Экология и промышленность России. – №1.– 2005. С. 40-42.
4. Пунанова С.А. Сопряженность процессов накопления микроэлементов в нефтях и пластовых водах //Нефтегазовая гидрогеология на современном этапе (теоретические проблемы, региональные модели, практические вопросы) – М.: ГЕОС, 2007. – С. 140-147.
5. Резников А.А., Муликовская Е.П., Соколов И.Ю. Методы анализа природных вод. – М.: Недра, 1970. – 488 с.
6. Самтанова Д.Э. Комплексное изучение химического состава пластовых вод нефтяных месторождений республики Калмыкия // Вестник Санкт-Петербургского университета, Серия Физика. Химия, Том 1, №1, 2014. С120-125.
7. Солнцева Н.П. Добыча нефти и геохимия ландшафтов. – М.: Изд-во МГУ, 1998. – 375 с.

Закономерности распределения микроэлементов в нефтях и пластовых водах раскрывают природу генезиса химических элементов в природных системах, то есть их источник, характер миграции, накопления и осаждения [130,131]. По литературным данным, хлоридно-натриевые воды и рассолы являются аккумуляторами микро- и макрокомпонентов, таких как йода, брома, бора, стронция, германия, цезия и другие элементы, позволяющие использовать их на практике [21].

Воды нефтяных месторождений и причины обогащения йодом интересовали многих ученых и посвящены многочисленные исследования. В пластовых водах концентрирование йода связано с накоплением йода в морских илах и воде [11,140].

Такой химический элемент как йод можно охарактеризовать как  подвижного эмигранта и рассеянного элемента в земной коре. В природе йод встречается в морской воде, в виде минералов и в минерализованных водах. Йодосодержащие минералы не имеют промышленного значения из-за своей редкости и малочисленности. Низкое содержание йода в морской воде объясняется тем, что из-за деятельности микроорганизмов не происходит накопление йода. Так как воды нефтяных месторождений попутно добываются попутно, то рационально было бы использовать в качестве бесплатного сырья [80].

При содержании йода не меньше 10 -18 мг/л, попутные воды считаются перспективными для добычи йода.

В нашем исследовании анализировались пробы пластовых минерализованных вод таких нефтяных месторождений как Калининское, Курганное, Комсомольское, Состинское, Курганное.

Для анализа содержания йода и брома применялись методы потенциометрии с ион-селективными электродами.

Бром и йод, относятся к рассеянным элементам. Наибольшая концентрация брома наблюдается в водах таких гидрогеологических зон, где существуют условия, благоприятные для сохранения нефти, поэтому содержание брома можно использовать при прогнозе нефтегазоносности как один из показателей гидрогеологической закрытости структур.

Наиболее четко это проявляется в значениях хлорбромного коэффициента. Большая минерализация вод и накопление хлоридов кальция и брома  в них характерно для структур, к которым приурочены залежи нефти, и по мере увеличения степени метаморфизма вод происходит обогащение вод хлоридами и бромом. Однако при определенных концентрациях это соотношение нарушается, и накопление брома опережает рост абсолютного содержания хлоридов, что связывается с достижением предела растворимости у хлоридов раньше, чем у брома (NaBr), и часть хлоридов удаляется из рассола.

В морской воде содержание брома составляет около 6 мг/дм3, и при процессах концентрирования вод в первой фазе содержание брома увеличивается пропорционально содержанию хлора, вследствие чего их отношение равно 290-300. Так как для вод моря эта величина является геохимической константой, ее значение предложено именовать показателем степени метаморфизованности вод. [149]. Отклонение значений хлорбромного коэффициента в сторону увеличения обусловливается процессами аномального накопления хлора, в частности, выщелачиванием залежей каменной соли.

Вторым по значению микрокомпонентом пластовых вод является йод.

Причины обогащения йодом вод нефтяных месторождений интересовали многих ученых и этому вопросы посвящены многие исследования. Установлено, что концентрирование йода в пластовых водах непосредственно связано с процессами накопления его в морских илах и содержащейся в илах воде. Устанавливается тенденция к уменьшению концентрации йода с глубиной, то есть с увеличением минерализации вод.

Таблица 1

Распределение содержания йода и брома и хлорбромного коэффициента

Месторождение

Содержание (мг/л)

Хлорбромный коэффициент (Cl/Br)

йода

брома

Калининское

9,52

215

346,26

Комсомольское

10,00

230,00

258,94

Курганное

10,50

221,70

528,42

Состинское

9,00

126,00

517,88

Шахметское

7,50

250,00

343,16

Содержание йода в пробах пластовых вод исследуемых нефтяных месторождений варьировало от 7,5 мг/л до 10,5 мг/л. Наименьшее содержание йода соответствовало пробе вода Шахметского месторождения, а наибольшее количество – пробе Курганного месторождения (табл.1).

Хлорбромный коэффициент представляет собой функцию глубины залегания вод, минерализации и степени закрытости недр. То есть можно отметить, что данный коэффициент не зависит от литолого-фациального характера пород. Если же данный коэффициент с глубиной уменьшается, то тогда увеличивается закрытость недр, а также уменьшается соляные залежи. По распределению данного коэффициента по пластовым водам исследуемых месторождений наблюдается следующее: наименьшее значение коэффициента соответствует пробе Комсомольского месторождения, а наибольшее значение – пробе Курганного месторождения. По распределению данного коэффициента можно сказать, что наименьшее содержание хлоридов будет отмечено в пробе пластовой воды Комсомольского месторождения.

Не остается незамеченным тот факт, что исследуемые пластовые воды являясь источником йода и брома, могут быть применены в качестве промышленного сырья данных микроэлементов.

Наиболее подходящим и более рентабельным является метод ионообменной сорбции. Перспективность этого метода разделения и концентрирования элементов в целях химического анализа. Сорбция в динамических условиях не требует разделения фаз и позволяет ускорить разделение и концентрирование и автоматизировать весь цикл анализа, включая отбор проб, концентрирование и определение элементов. Дополнительное преимущество сорбции – это селективность. Суть ионообменной сорбции заключается в обменной адсорбции.  В результате адсорбции лежит диффузия иона к активным центрам ионообменника и в раствор.

Для наших исследований возможность сорбции йода и брома из пластовых минерализованных вод оценивалась степенью извлечения микроэлементов. В ходе исследований применялись ионообменные смолы – аниониты АН-31 и АН-2ФН.

Таблица 2

Физико-химические показатели анионитов

Показатели

Марки анионитов

АН-31

АН-2ФН

Внешний вид

Зерна желтого цвета

Зерна кирпичного цвета

Размер зерен, мм

0,4 – 2,0

0,4-2,0

Коэффициент однородности

0,3

0,3

Содержание влаги, %

5

5

Влагоемкость,

В±0,02 г H2O/г

OH-форма

Cl-форма

OH-форма

Cl-

форма

1,21

1,45

0,70

0,95

Полная статическая обменная емкость

2,6

3,0

Обменная емкость (±0,03)

ммоль-экв/г

По сильным группам

ПОЕ

По сильным группам

ПОЕ

0,28

10,00

0,18

4,63

Анализировали сорбцию иода и брома в динамических условиях. Опыты проводили на хроматографических колонках с диаметром d=16 мм. Для исследований брали навеску 10 г анионитов.  Высота слоя сорбента в колонке составляла 16 см.

Исследования проводили при разных температурах, а именно 5°С, 25°С, 35°С. При помощи уравнения Ленгмюра были рассчитаны термодинамические характеристики, в частности ∆H, ∆G, ∆S и К.

Таблица 3

Термодинамические показатели (∆Н, ∆G, ∆S) и константы равновесия при различных температурах

Температура, К

∆Н,

кДж/моль

-∆G, кДж/моль

∆S,

Дж/моль∙К

Константа,К

278

9,77

13,002

8,19

0,1118

298

14,108

8,01

0,1437

308

14,946

8,02

0,1905

 

Из табл. 3 и табл. 4 следует, что полученные значения энергии Гиббса (∆G) с повышением температуры изменяются незначительно.

Таблица 4

Термодинамические показатели сорбции бромид-ионов

Температура, К

∆Н,

кДж/моль

-∆G, кДж/моль

∆S,

Дж/моль∙К

Константа,К

278

4,32

10,000

2,04

0,0132

298

10,270

2,00

0,0158

308

10,010

1,85

0,0199

 

 Значения энергии Гиббса подтверждают возможность самопроизвольного протекания процесса сорбции йода и брома на анионитах АН-31 и АН-2ФН.

Рис.1. Степень извлечения (%) йода и брома анионитами АН-31 и АН-2ФН.

По рис.1 видно, что для извлечения йода из пластовых вод имеет смысл применить анионит марки АН – 31, т. к его степень извлечения на 7 % больше, чем степень извлечения анионита АН – 2ФН. Для извлечения брома необходимо применять анионит 2 –ФН (рис.1).

С увеличением времени сорбции пластовых вод увеличивается степень извлечения йода и только при 80 мин происходит полное насыщение сорбента. Наиболее выгодным для извлечения йода является анионит АН-31 и при температуре 308 К (рис. 2).

Рис. 2. Кинетическая кривая сорбции йодид-ионов АН – 31.

Максимальная концентрация йодид-ионов на анионите марки АН–2ФН отмечается по истечению 1 часа и степень извлечения составляет 80%.

Рис.3. Кривые сорбции иодид-ионов АН-2ФН.

Оценивая степень извлечения анионитов двух марок, можно объективно сказать, что наиболее подходящим сорбентом для йодид - ионов служит ионообменная смола АН – 31 (рис.2, рис.3).

Рис.4. Кривые сорбции бромид-ионов АН-31.

По степени извлечения бромид - ионов обоих анионитов существенной разницы не отмечается. Так, например, степень извлечения АН – 31 составляет 87 %, а степень извлечения АН – 2 ФН – 75 %.

Рис. 5. Кинетическая кривая сорбции бромид – ионов анионитом АН – 2ФН.

Максимальное извлечение бромид – ионов для АН – 31 и для анионита АН – 2 ФН – характерно по истечении 60 мин (рис. 4, рис. 5).

Подведя итоги, можно сказать:

- пластовые воды значительные количества йода и брома, являясь высокоперспективным сырьем микроэлементов;

-по результатам анализов, кинетики сорбции извлечения йода видно, что наибольшее насыщение сорбента происходит при температуре 308 К;

- по кинетике сорбции  максимальное насыщение сорбента на АН-31 наблюдаем после 80 мин., на анионите АН-2ФН – 60 мин.

-по результатам анализа видно, что для извлечения йода из пластовых вод имеет смысл применить анионит марки АН – 31, т. к его степень извлечения на 7 % больше, чем степень извлечения анионита АН – 2ФН. Для извлечения брома необходимо применять анионит 2 –ФН.

 

Рецензенты:

Мойсейкина Л.Г., д.б.н., профессор Калмыцкого Государственного университета, г. Элиста;

Сангаджиева Л.Х., д.б.н., профессор Калмыцкого Государственного университета, г. Элиста.


Библиографическая ссылка

Самтанова Д.Э. СОРБЦИОННОЕ ИЗВЛЕЧЕНИЕ ЙОДА И БРОМА ИЗ ПЛАСТОВЫХ МИНЕРАЛИЗОВАННЫХ ВОД ПРИ ПОМОЩИ ИОННООБМЕННЫХ СМОЛ // Современные проблемы науки и образования. – 2014. – № 6.;
URL: http://science-education.ru/ru/article/view?id=16769 (дата обращения: 26.08.2019).

Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»
(Высокий импакт-фактор РИНЦ, тематика журналов охватывает все научные направления)

«Фундаментальные исследования» список ВАК ИФ РИНЦ = 1.252