Study of the effect of ultrasonic technology on the extraction of bitumen from bituminous rocks

Full Text

Кіріспе

Қосымша құны бар және сапалы химиялық материалдар мен мұнай өнімдерін өндіруде көмірсутегі шикізатын кешенді әрі ұтымды пайдалану Қазақстан Республикасының басты басымдылықтарының бірі саналады. ҚазМұнайГаз ұлттық компаниясы мәліметі бойынша, 2023 жылы елімізде ірі таушайыр зауыттары шамамен 1 миллионнан артық тонна жол құрылысына қажетті таушайыр өндірген [1]. Алайда, елімізде жыл сайын жол таушайырының тапшылығы байқалады, бұл оның сұранысының өсіміне байланысты жаңа көздерді қарастырту қажеттігін тудырады. Қарастырылып отырған мәселені шешуге берден бір жолы – Қазақстанда едәуір қоры бар бейдәстүрлі көмірсутегі шикізаты ретінде мұнайбитумды жыныстарды пайдалану болып табылады. 50-ден астам кен орны, сондай-ақ дәлелденген мұнайбитумды жыныстар, Батыс Қазақстанда шоғырланған. Алғашқы мәліметтерге сәйкес, тереңдігі 120 м болатын мұнайбитумды жыныстардың қоры 15–20 млрд т бар деп болжануда. Сондықтан, қазіргі таңда, мұнайбитумды жыныстардан табиғи таушайырды алу әдістерін, сондай-ақ бөліп алу үдерістерін енгізу аса маңызды [2]. Осыған байланысты, табиғи таушайырды бөлу үшін ультрадыбыстық үдерістерді пайдалану үлкен үміт беріп отыр, себебі оның тазалығы, төмен құны және жоғары тиімділігі бар. Атап айтқанда, жоғары қуатты (20–100 кГц) ультрадыбыс мұнай-су орталарына жақсы енеді және жоғары меншікті тығыздықтағы (10–1000 Вт/см²) энергияны өндіре алады [3]. Мұндай кавитация әсерлері мұнайбитумды жыныстардағы құм мен таушайыр молекулалары арасындағы байланысты бұзып, таушайырдың кен жыныстарынан бөлінуін арттырады. Дегенмен, акустикалық кавитацияның күрделі физика-химиялық сипаттамалары экстракция үдерісінің әртүрлі кезеңдері үшін жоғары қуатты ультрадыбыстық механизмнің жұмысын түсінуді қиындатады, бұл жұмыс сипаттамаларын оңтайландыру және тиімділікті арттыру үшін қажет.

Қатты заттар бар суспензияларда ультрадыбыстық кавитация бөлшектердің жойылуына әкелетін микроағындарды тудыратыны келесі зерттеулерде көрсетілген [4, 5]. Ультрадыбыс қатты-сұйықтық арасындағы шекарада сұйықтықтың қатты бөлшектердің тесіктеріне енуін жақсартады. Осылайша, авторлар [6] қос әдістерді, ультрадыбыстық кавитация мен химиялық, үйлестіріп, перспективалы гетерогенді қоспаларды алудың әдісі ретінде қарастырып, мұнайбитумды жыныстардан табиғи таушайырларды экстракциялаудың дәстүрлі үдерісіне тиімді балама бола алады деп есептейді. Зерттеулерде натрий силикаты (Na₂SiO₃), натрий гидроксиді (NaOH) мен натрий карбонаты (Na₂CO₃) сияқты әртүрлі сілтілік реагенттермен бірге ультрадыбыстық әдісті қолданумен мұнайбитумды жыныстардан таушайырды экстракциялау мүмкіндігі қарастырылған. Сілтілі реагенттің концентрациясының 0,5%-дан 1% дейін арттыруы таушайырды бөлуді төмендетсе, одан жоғары 2%-дан концентрацияның артуы таушайырды экстракциялау тиімділігін арттыратыны анықталды. Реагенттің өте төмен концентрациясында таушайырдың құммен экстракциясы байқалды. Окава және оның әріптестері жиілігі 28 және 200 кГц-те ультрадыбыстың мұнайбитумды жыныстарға әсерін зерттеді [7]. Жоғары ультрадыбыстық жиіліктерде кавитация құбылыстарының артуы байқалған. Зерттеу нәтижесінде, H₂O₂ төмен концентрациясы 28 кГц жиіліктегі ультрадыбыспен табиғи таушайырды бөліп алу жылдамдығын арттырғаны анықталды. Осындай нәтижелерге Моңғолия мұнайбитум жыныстарын зерттеулер қол жеткізген [8].

Бұл ғылыми жұмыстың мақсаты – Қазақстандағы таушайыр тапшылығын жою мақсатында ультрадыбыстық технология бөліп алу әдісін одан жетілдіру арқылы мұнайбитумды жыныстардан табиғи таушайырды тез әрі өндірістік мақсатта пайдалану мүмкіндігін зерттеу және алынған өнімдердің физикалық-химиялық сипаттамаларын анықтау.

Эксперименттік бөлім

Жұмыста зерттеудің нысаны ретінде Атырау облысындағы Иманқара тауының солтүстік-шығысында орналасқан Жылыой ауданына тиесілі мұнайбитумды жыныстар кенорны Мұнайлы Мола зерттелді. Кенорын қалыңдығы 0,2 м-ден 1 м-ге дейін жететін қара-сұр түсті тығыз қатайған қыртыспен сипатталады. Оның астында қалыңдығы 1 м-ден 10 м-ге дейінгі жартылай қатты қара-қоңыр салмақ түріндегі борпылдақ жыныстардың қабаттары орналасқан-ды.

Мұнайлы Мола мұнайбитумынан органикалық еріткіштермен алынған табиғи таушайырының негізгі физикалық-химиялық көрсеткіштері 1-кестеде көрсетілген.

 

Кесте 1. Мұнайбитумды жыныстың табиғи таушайырының физикалық-химиялық көрсеткіштері

Table 1. Physicochemical parameters of natural bitumen of bituminous rocks

Атауы Parameter	Өлшем бірлігі Unit of measurement	Мұнайлы Мола Munaily Mola
Табиғи таушайыр мөлшері / Bitumen content: асфальтендер / asphaltenes; майлар / oils; шайырлар / resins	масс.%	22–25 14,5 48,2 37,3
Тығыздығы / Density	кг/м3	992,0
Жылу сыйымдылығы / Heat capacity	кДж	23440
Күлділік дәрежесі / Ash content	масс.%	0,9
Морт сыну температурасы / Brittleness temperature	°С	-11,0
Механикалық қоспалар / Mechanical impurities	масс.%	0,71

 

Мұнайбитумды жыныстан органикалық еріткішпен экстракциялау арқылы бөліп алынған табиғи таушайырдың шығымы 99...100 %. Бөлініп алынған табиғи таушайырының тығыздығы мен құрамындағы асфальтендердің жоғары болуымен ерекшеленеді. Хроматографиялық интрументалдық әдісімен анықталған құрамындағы қаныққан және ароматты көмірсутектердің мөлшері 48,2 масс.%-ды құрайды. Табиғи таушайырдың жылу сыйымдылығы жоғары, құрамындағы механикалық қоспалардың массалық үлесінің төмендігімен сипатталады.

Алынған мәліметтердің [9] басқа зерттеулерден ерекшелігі: біріншіден, экстракциялау мен үлгілерді бөліп алу әдістері; екіншіден, мұнайбитумды Мұнайлы Мола кенорында жыныстың шоғырлану тереңдігіне сәйкес табиғи таушайырдың үлес салмағы мен құрамының өзгеретіндігінде, атап айтқанда, қабат тереңдігіне қарай таушайырдың үлесінің де артуы.Мұнайбитумды жыныстардан табиғи таушайырды ультрадыбыстық әдіспен алу зертханалық қондырғыда (МЛУК-3/22-ОЛ) 1-суреттегі сызбанұсқаға сәйкес жүргізілді. Толық ақпарат келесі ғылыми жұмыста келтірілген [9].

 

Сурет 1. Мұнайбитумды жыныстан табиғи битумды бөліп алу қондырғысының сызбанұсқасы

Figure 1. Schematic diagram of the unit for separation of bitumen from bituminous rocks

1 – ультрадыбыстық генератор / ultrasonic generator; 2 – толқын шығарғыш / waveguide; 3 – химиялық стакан / chemical beaker; 4 – мұнайбитумды жыныс / bituminous rocks; 5 – көтеріліп жатқан битум тамшылары / rising bitumen drops; 6 – битум қабаты / bitumen layer

 

Мұнайбитумды жыныс 1-ден 10 мм-ге дейін ұсақталып, өлшенгеннен кейін 500 мл химиялық стаканға салынады. Оған 200 мл су құйылып, қажетті сілтілі ортаны дайындау үшін тиісті реагенттің белгілі бір мөлшері қосылды. Ультрадыбыстық бөлу әдісі натрий немесе калий гидроксидінің (NaOH, KOH) сулы ерітіндісінде, рН деңгейі 12 немесе одан жоғары болғанда жүзеге асырылады. Тәжірибе нәтижелеріне сәйкес, мұнайбитумды жыныс пен ерітіндінің оңтайлы қатынасы 1 : 2 (50 г мұнайбитумды жыныс және 100 г ерітінді). Ультрадыбыстық бөлу үдерісі 15 мин ішінде аяқталып, таушайыр ерітіндінің бетіне қалқып шығады, ал ауыр минералды бөлігі түбіне шөгінеді. Ерітіндідегі қалған органикалық б-бөлігі мен шөгінген бөлігі, минералдар, қағаз сүзгісінен өткізіліп, салмағы тұрақталғанша дейін кептірілді, содан соң өлшенеді. Материалдық баланс үдеріс аяқтағаннан соң жасақталды.

Зерттеу нәтижелері

Төменде (2-кесте) ультрадыбыстың қуат көзі 320 Вт-та Мұнайлы Мола кенорынына ультрадыбыстық жиіліктің табиғи битумның шығымына әсері ету нәтижелері көрсетілген.

 

Кесте 2. Тұрақты қуатта (320 Вт) ультрадыбыс жиілігінің табиғи битумды экстракциялау дәрежесіне әсері

Table 2. Effect of ultrasound frequency at ultrasound power (320 W) on the degree of natural bitumen extraction

Ультра-дыбыс жиілігі, кГц Ultrasound frequency, kHz	NaOH ерітіндісі қатысында With NaOH solution	KOH ерітіндісі қатысында With KOH solution	Таза су қатысында Clean water
	Битумды бөліп алу дәрежесі, масс.% Degree of bitumen extraction, mass. %
22	0,1	0,1	0,0
33	0,3	0,3	0,0
40	0,5	0,5	0,1
59	0,6	0,6	0,3
80	0,6	0,6	0,4

 

Зерттеу барысында 320 Вт ультрадыбыстық қуатымен мұнайбитумды жыныстан алынатын битум мөлшері төмен екені анықталды. Ультрадыбыс жиілігін арттыру үдеріске айтарлықтай әсер етпейді, тек ғана калий мен натрий гидроксиді ерітінділерінде лайлану байқалады. 80 кГц ультрадыбыстық жиілікте табиғи битум шығымы 0,7 масс.% ғана құрады. Табиғи битум шығымының төмендігі жыныс пен табиғи битум арасында сазды қабаттың болуымен түсіндіріледі. Бұл сазды қабат пен табиғи битумының арасында берік химиялық байланыстардың болуы мүмкін екендігін көрсетеді. Ультрадыбыстық қуатты одан әрі арттыру табиғи битум шығымының өсуіне алып келеді (2-кесте).

3-кестеде ультрадыбыс қуаты 1500 Вт-та табиғи битумның шығымына ультрадыбыстық жиіліктің әсерін зерттеу нәтижелері көрсетілген. Натрий және калий гидроксидтерінің (NaOH, KOH) ерітінділерінде алынған нәтижелер барлық ультрадыбыстық жиілік диапазонында табиғи битум шығымы 98 масс.% екенін көрсетті. Табиғи битумды таза сумен бөліп алу (экстракция) кезінде табиғи битумдың шығымы ультрадыбыстық жиіліктің жоғарылауымен артатыны анықталды. 80 кГц ультрадыбыстық жиілікте таза сумен табиғи битумдың шығымы 98 масс.% құрайды. Әрі қарай зерттеу үшін 22 кГц ультрадыбыстық жиілік таңдап алынды, өйткені бұл мұнайбитумды жыныстардан битум алу әдісінің энергоресурс сыйымдылығын азайтуға мүмкіндік береді.

 

Кесте 3. Ультрадыбыс қуаты 1500 Вт кездегі ультрадыбыс жиілігінің табиғи битумды бөліп алу дәрежесіне әсері

Table 3. Effect of ultrasound frequency at 1500 W ultrasound power on the degree of natural bitumen extraction

Ультра-дыбыс жиілігі, кГц Ultrasound frequency, kHz	NaOH ерітіндісі қатысында With NaOH solution	KOH ерітіндісі қатысында With KOH solution	Таза су қатысында Clean water
	Битумды бөліп алу дәрежесі, масс.% Degree of bitumen extraction, mass. %
22	98,0	98,0	80,0
33	98,0	98,0	80,5
40	98,0	98,0	92,1
59	98,0	98,0	96,1
80	98,0	98,0	98,0

 

4-кестеде мұнайбитумды жыныстардан табиғи битумды бөліп алу дәрежесіне ультрадыбыстық жиілігі 22 кГц болған жағдайда ультрадыбыс қуатының өзгеру әсері бойынша мәліметтер келтірілген.

 

Кесте 4. Табиғи таушайырды бөліп алу дәрежесіне ультрадыбыс қуатының әсері

Table 4. Effect of ultrasound power on the degree of natural bitumen extraction

Ультра-дыбыс қуаты, Вт Ultrasound frequency, kHz	NaOH ерітіндісі қатысында With NaOH solution	KOH ерітіндісі қатысында With KOH solution	Таза су қатысында Clean water
	Битумды бөліп алу дәрежесі, масс.% Degree of bitumen extraction, mass. %
180	8,3	9,2	0,2
320	43,8	47,6	0,6
800	49,4	54,1	1,1
1000	95,5	96,0	2,3
1500	98,0	98,0	80,1

 

Алынған нәтижелер ультрадыбыс қуатының артуымен табиғи битумның шығымының да артатынын көрсетті. Табиғи тайшайырының мұнайбитумынан бөліну дәрежесі ультрадыбыс қуаты 180 Вт-нда төмен екендігі анықталды, ал 9,2 масс.% табиғи таушайыр шығымы калий гидроксиді (КOH) ерітіндісінде бөлінді. Ультрадыбыс қуатын 320 Вт-қа артуы екі ерітіндіде 43 масс.%-дан жоғары болатынын көрсетті. Қуат көзі 800 Вт табиғи битумдың калий гидроксиді (KOH) ерітіндісіндегі экстракция дәрежесі 54,1 масс.%-ға дейін артты, ал таза су жағдайында не бары 1,1 масс.% құрады. Таза суды қолдану арқылы табиғи таушайырды бөліп алу жоғары экстракциялау дәрежесін көрсетпейді, өнімділігі 80 масс.% ультрадыбыстың 1500 Вт қуатында ғана көрсетеді. Ол табиғи таушайырының құрамындағы сазды қосылыстарының және асфальтенді-шайырлы заттардың болуына байланысты болса керек.

Әдеби деректерден мұнайбитумды жыныстардың минералды бөлігінде кальций иондары табиғи табиғи битумының карбоксил топтарымен әрекеттесіп, саз минералдары мен табиғи битум арасында берік байланыс түзетін кальций карбоксилатын құрауы мүмкін. Бұл байланысты бұзу үшін беттік белсенді заттарды қолдану қажет, өйткені олар минералды құрамның табиғи таушайырмен байланысын әлсіретеді. Сондай-ақ, табиғи таушайыр шығымына ультрадыбыс қуатының әсері ерітіндідегі кавитациялық көпіршіктердің концентрациясымен байланысты: неғұрлым ультрадыбыс қуаты артқан сайын соғұрлым ерітіндідегі көпіршіктердің концентрациясы да артып, нәтижесінде табиғи таушайырдың минералды бөліктен бөліну дәрежесі де жоғарылайды.

Мұнайбитумды жыныстан табиғи таушайырды ультрадыбыспен бөліп алғаннан кейін оның физикалық-химиялық қасиеттері зерттелді (5-кесте).

 

Кесте 5. Ультрадыбыспен әсер ету үдерісінің көрсеткіштері

Table 5. Process parameters of ultrasound irradiation

Көрсеткіштердің атауы Name of parameter	Өлшем бірлігі Unit of measurement	NaOH ерітіндісі қатысында With NaOH solution	KOH ерітіндісі қатысында With KOH solution
Табиғи таушайыр сипаттамалары / Characteristics of natural bitumen: тығыздығы / density құрамындағы механикалық қоспаның мөлшері / mechanical impurity content	г/см3/g/cm³ масс.%/ %mass	0,92 8,7	0,91 9,1
Үдеріс сипаттамалары / Process description: үдеріс уақыты / process time оңтайлы концентрация / optimum concentration ультрадыбыс қуаты / Ultrasonic power ультрадыбыс жиілігі / ultrasonic frequency ерітінді pH ортасы / pH of solution medium	мин./min моль/л/mol/l Вт/W кГц/kHz	15 0,25 1500 22 ± 2 12–14	15 0,18 1500 22 ± 2 12–14

 

Мұнайбитумына ультрадыбыстың әсері нәтижесінде механикалық қоспалардың массалық үлесі натрий гидроксиді (NaOH) ерітіндісінде 8,7 масс.% құраса, бұл көрсеткіш калий гидроксиді (KOH) ерітіндісінде 9,1 масс.% құрады.

Қорытынды

Мұнайлы Мола кенорнының мұнайбитумды жыныстарынан табиғи битумды ультрадыбыспен әсер ету арқылы бөліп алу тәжірибелік түрде зерттелді. Тәжірибе барысында ультрадыбыспен бөліп алу үдерісінің көрсеткіштерінің сипаттамалары: үдерістің уақыт созылымы 15 мин-қа дейін, оңтайлы натрий гидроксиді (NaOH) ерітіндісінің концентрациясы 0,25 моль/л, калий гидроксиді (KOH) ерітіндісінікі–0,18 моль/л.

Ультрадыбыс қуатының тиімділігі зерттеу нәтижесінде зерттелген нысаны мен пайдаланылған натрий гидроксиді (NaOH) мен калий гидроксиді (KOH) еріткіштеріне байланысты анықталды. Тәжірибелік зерттеу жұмыстарының қорытындысына сәйкес 100%-ға дейін табиғи таушайыры экстракцияланды, және де ультрадыбыстың әсері барысында оның 2%-ға жуығы минералды құрамдас бөлікпен тұрақты суспензия түзді. Оны бұзу үшін қосымша органикалық еріткіштерді пайдалануды талап етіледі.

ҚОСЫМША

Қаржыландыру көзі. Зерттеу жұмысы Қазақстан Республикасы Ғылым және жоғары білім министрлігі Ғылым комитетінің бағдарламалық-нысаналы қаржыландыру бойынша №BR21882255 жобасымен қаржыландырылды.

Мүдделер қақтығысы. Авторлар осы мақаланы жариялауға байланысты айқын және ықтимал мүдделер қақтығысының жоқтығын жариялайды.

Авторлардың қосқан үлесі. Барлық авторлар өздерінің авторлығының ICMJE халықаралық критерийлеріне сәйкестігін растайды (барлық авторлар тұжырымдаманы әзірлеуге, зерттеу жүргізуге және мақаланы дайындауға айтарлықтай үлес қосты, жарияланғанға дейін соңғы нұсқасын оқып, мақұлдады). Ең үлкен үлес келесідей бөлінді: Иманбаев Е.И. – деректерді түсіндіру, қолжазбаны жазу және өңдеу; Оңғарбаев Е.К. – нәтижелерін тексеру, қолжазбаны өңдеу; Мылтықбаева Ж.К. – жұмыс түсінігі, мәліметтерді түсіндіру; Серикказинова А.К. және Малаев А.Қ. – эксперименталды жұмыстарды жүргізу; Мұқталы Д. және Тілеуберді Е. – жұмыстың орындалуын бақылау; Аяпбергенов Е.О. – алынған мәліметтерді талдау, түсіндіру.

ADDITIONAL INFORMATION

Funding source. The research was financed under the project No. BR21882255 of program-targeted financing of the Science Committee of the Ministry of Science and Higher Education of the Republic of Kazakhstan.

Competing interests. The authors declare that they have no competing interests.

Authors’ contribution. All authors made a substantial contribution to the conception of the work, acquisition, analysis, interpretation of data for the work, drafting and revising the work, final approval of the version to be published and agree to be accountable for all aspects of the work. The greatest contribution is distributed as follows: Yerzhan I. Imanbayev – interpretation of data, writing and editing of the manuscript; Yerdos K. Ongarbayev – checking the results, editing the manuscript; Zhannur K. Myltykbaeva – study design, interpretation of data; Akbota K. Serikkazinova & Aldiyar K. Malayev – conducting experiments; Dinara Muktaly & Yerbol Tileuberdi – supervision of study conduct; Yerbolat O. Ayapbergenov – analysis and interpretation of obtained data.

About the authors

Yerzhan I. Imanbayev

Institute of Combustion Problems

Author for correspondence.
Email: erzhan.imanbayev@mail.ru
ORCID iD: 0000-0001-8273-0020

PhD, Associate Professor

Kazakhstan, Almaty

Yerdos K. Ongarbayev

Institute of Combustion Problems; Al-Farabi Kazakh National University

Email: erdos.ongarbaev@kaznu.edu.kz
ORCID iD: 0000-0002-0418-9360

Doct. Sc. (Chemistry), Professor

Kazakhstan, Almaty; Almaty

Zhannur K. Myltykbaeva

Al-Farabi Kazakh National University

Email: jannur81@mail.ru
ORCID iD: 0000-0003-4336-3920

Doct. Sc. (Chemistry), Associate Professor

Kazakhstan, Almaty

Akbota K. Serikkazinova

Al-Farabi Kazakh National University

Email: akbota.serikkazinova@mail.ru
ORCID iD: 0009-0009-2554-1616
Kazakhstan, Almaty

Aldiyar K. Malayev

Al-Farabi Kazakh National University

Email: mattafix544@gmail.com
ORCID iD: 0009-0004-6906-5037
Kazakhstan, Almaty

Dinara Muktaly

Al-Farabi Kazakh National University

Email: dinara.muktaly@mail.ru
ORCID iD: 0000-0002-1139-5488

PhD

Kazakhstan, Almaty

Yerbol Tileuberdi

Abai Kazakh National Pedagogical University

Email: er.tileuberdi@gmail.com
ORCID iD: 0000-0001-9733-5015

PhD, Associate Professor

Kazakhstan, Almaty

Yerbolat O. Ayapbergenov

Branch of KMG Engineering “KazNIPImunaigas”

Email: e.ayapbergenov@kmge.kz
ORCID iD: 0000-0003-3133-222X
Kazakhstan, Aktau

References

Supplementary files