CC BY
30
УДК 544.35+539.21
Широких С.А., Загоскин П.С., Вайнерман Е.С., Королёва М.Ю.
БИОРАЗЛАГАЕМЫЙ ПОРИСТЫЙ МАТЕРИАЛ ДЛЯ СОРБЦИИ НЕФТЕПРОДУКТОВ С ПОВЕРХНОСТИ ВОДЫ
Широких Сергей Александрович1, магистрант 2 года кафедры наноматериалов и нанотехнологии, e-mail: serega-teo@mail.ru
Загоскин Павел Станиславович1, студент 2 курса кафедры наноматериалов и нанотехнологии, Вайнерман Ефим Семенович2, д.х.н., в.н.с., НИИ детского питания,
Королёва Марина Юрьевна1, д.х.н., профессор кафедры наноматериалов и нанотехнологии Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева, Москва, Россия 125047 Москва, Миусская пл., д. 9
2 Научно-исследовательский институт детского питания, филиал Федерального государственного бюджетного учреждения науки Федерального исследовательского центра питания, биотехнологии и безопасности пищи, 143500, Московская область, г. Истра, ул. Московская, д. 48
В выполненной работе были исследованы скорость сорбции в начальный период времени и сорбционная ёмкость пористого материала из сшитого коллагена при сорбции трансмиссионного масла и бидистиллированной воды. Установлено, что скорость сорбции трансмиссионного масла в начальный период времени, а также сорбционная ёмкость масла, выше, чем воды (0,40 ± 0,03 и 0,03 ± 0,01 кг/(м2-с); 15,1 ± 0,5 и 8,8 ± 0,5 г/г соответственно). Сделан вывод об эффективности данного материала при использовании его в качестве сорбента нефтепродуктов с поверхности воды.
Ключевые слова: пористый сорбент, скорость сорбции, сорбция нефтепродуктов, сшитый коллаген
BIODEGRADABLE POROUS MATERIAL FOR OIL SORPTION FROM WATER SURFACE
Shirokikh S.A., Zagoskin P.S., Vainerman E.S., Koroleva M.Yu. D. Mendeleev University of Chemical Technology of Russia, Moscow, Russia
In this work, the sorption rate in the initial period of time and the sorption capacity of porous material from cross-linked collagen were studied during sorption of transmission oil and bidistilled water. It was established that the sorption rate of transmission oil in the initial period of time, as well as the sorption capacity of oil, is higher than that of water (0.40 ± 0.03 and 0.03 ± 0.01 kg/(m2-s); 15.1 ± 0.5 and 8.8 ± 0.5 g/g, respectively). The conclusion is made about the effectiveness of this material when used as a sorbent for oil products from the water surface.
Keywords: porous sorbent, sorption rate, oil sorption, cross-linked collagen
Одной из основных проблем, связанных с ликвидацией аварийных разливов нефтепродуктов является образование тонких нефтяных плёнок. Для их эффективного удаления предпочтительно использовать сорбционный метод, позволяющий полностью удалить подобные плёнки, а также использовать нефтепродукт после десорбции. В качестве эффективных сорбентов нефтепродуктов могут быть использованы высокопористые материалы различной природы, например, высокопористые полимерные материалы. Их структурой и, следовательно, сорбционными свойствами можно управлять в процессе их получения, они обладают естественной гидрофобностью матрицы, высокой сорбционной ёмкостью по нефтепродуктам [1-3].
В качестве сорбентов нефтепродуктов предпочтительно использовать биоразлагаемые материалы, например, пористые материалы из сшитого коллагена [4].
В выполненной работе были исследованы сорбционные свойства пористого материала из сшитого коллагена при сорбции нефтепродукта и воды. Коллаген был выделен из предварительно очищенной шкуры крупного рогатого скота. Сшитый коллаген был получен по методике, описанной в патенте [5].
Структуру пористого материала из сшитого коллагена изучали с помощью сканирующего электронного микроскопа JSM-6510LV, JOEL. На рисунке 1 представлена микрофотография полученного пористого материала.
Рис. 1. Структура высокопористого материала из сшитого коллагена
По полученным микроизображениям строилась зависимость распределения пор пористого материала по размерам, а также определялся средний размер пор материала, который составил 63 ± 5 мкм (рисунок 2).
Размер пор, мкм Рис. 2. Зависимость распределения пор сорбента из сшитого коллагена по размерам
Эффективный сорбент, использующийся для удаления тонких нефтяных плёнок с поверхности воды, должен быстрее и в больших количествах сорбировать нефтепродукт, чем воду. Поэтому, сорбционные свойства полученного материала исследовали при сорбции трансмиссионного масла, взятого в качестве нефтепродукта, и бидистиллированной воды.
Полученные образцы перед проведением процесса сорбции взвешивались, также определялись линейные размеры каждого образца.
После измерений массы и размеров образец опускался на поверхность нефтепродукта, при помощи секундомера определялось время контакта образца с нефтепродуктом. Через определённые промежутки времени образец извлекался из объёма нефтепродукта и взвешивался, при этом визуально контролировалось состояние образца, а также отсутствие вытекающего нефтепродукта из объёма сорбента после его извлечения. Таким образом, рассчитывались кинетические кривые сорбции, то есть зависимости количества поглощённого нефтепродукта от времени определённой массой или определённым объёмом сорбента, по которым и определялась предельная сорбционная ёмкость и скорость сорбции.
Сорбционная ёмкость рассчитывалась по формуле О = (то - т^/т0, где 0 - сорбционная ёмкость в определённый момент времени, кг/кг, т0 - масса сухого образца, кг, т1 - масса образца с поглощённой жидкостью в определённый момент времени, кг.
Скорость сорбции в начальный период времени рассчитывалась следующим образом: V = тж/(гБ), где V - скорость сорбции в начальный период времени, кг/(с-м2), тж - масса поглощённой жидкости за начальный период времени, кг, т - начальный период времени сорбции, с, Б - площадь поверхности сорбента, находящаяся в контакте с сорбатом в начальный момент времени.
Полученные кинетические кривые сорбции жидкостей представлены на рисунке 3.
Из полученных данных видно, что равновесное значение сорбционной ёмкости по трансмиссионному маслу достигается приблизительно за 40 секунд. Достичь предельного значения ёмкости по воде не удалось через 7 суток.
Для сравнения сорбционных свойств при сорбции воды и трансмиссионного масла использовались два основных параметра: сорбционная ёмкость, равная
количеству поглощенной жидкости за 3 мин, и скорость сорбции в начальный период времени, рассчитанная по начальным участкам кинетических кривых. Полученные данные представлены в таблице 1.
• Трансмиссионное масло ОБода
20
Г
8 £15 н
о и р -
ж t10 н ° §
£0
- 3
У ч с J
S % 5 ч
И
0 JgmnQOQO
о
-г-
О -1
0
1 2 3
Время, мин
Рис. 3. Кинетические кривые сорбции жидкостей пористым материалом из сшитого коллагена Таблица 1. Сорбционные свойства пористого материала из сшитого коллагена
Жидкость Сорбционная ёмкость, г/г Скорость сорбции в начальный период времени кг/(с-м2)
Вода 8,8 ± 0,5 0,03 ± 0,01
Трансмиссионное масло 15,1 ± 0,5 0,40 ± 0,03
Из полученных данных видно, что скорость сорбции в начальный период времени и сорбционная ёмкость трансмиссионного масла превышает соответствующие параметры для воды. Таким образом, можно сделать вывод, что пористый материал из сшитого коллагена является эффективным сорбентом нефтепродуктов с поверхности воды.
Список литературы
1. Щербаков В. А., Хасанова Л. Х., Салатова Ю. А., Королёва М. Ю. Изучение сорбционных свойств высокопористого поли(стирол-дивинилбензола), полученного на основе обратной высококонцентрированной эмульсии // Успехи в химии и химической технологии. — 2016. - Т. 30, № 12. - С. 40-42
2. Королева М. Ю., Щербаков В.А., Хасанова Л.Х., Ракитин А.И., Широких С.А., Юртов Е.В. устойчивость обратных высококонцентрированных эмульсий и структура высокопористого полистирола, полученного на их основе // Коллоидный ж. - 2018. -Т. 80. - №. 3. - С. 290-299.
3. Koroleva M.Yu., Shirokikh S.A., Khasanova L.Kh., Babusenko E.S., Yurtov E.V. Highly porous polymeric sponges for oil sorption // Mendeleev Communications. -2019. - Vol. 29. - P. 176-17
4. Dai G., Zhang Z., Du W., Li Z., Gao W., Li L. Conversion of skin collagen fibrous material waste to an oil sorbent with pH-responsive switchable wettability for high-efficiency separation of oil/water emulsions // J. Cleaner Production. - 2019. - Vol. 226. - P. 18-27.
5. Vainerman E. S., Portnaya I. B. Porous polymer material and process for production thereof: Pat. 5494939 USA. - 1996.
