CC BY
56
УДК 628.381.1
А. А. Шайдуллина, С. В. Степанова, И. Г. Шайхиев
ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ТЕРМООБРАБОТАННЫХ ОБОЛОЧЕК ЗЕРЕН ОВСА ДЛЯ ОЧИСТКИ ВОД ОТ НЕФТЯНЫХ ЗАГРЯЗНЕНИЙ
Ключевые слова: плодовые оболочки овса, термообработка, нефть, очистка воды.
Исследована возможность применения нативных и термообработанных плодовых оболочек зерен овса в качестве сорбционных материалов для очистки модельных вод, загрязненных нефтью. В качестве образца сравнения использовался активированный уголь. Показано, что термическое воздействие при 160 0С в течение 15 минут способствует увеличению максимальной нефтеемкости исследуемого сорбционного материала с 2,5 до 6 г/г и некоторому снижению водопоглощения. Степень удаления нефти с водной поверхности с использованием термообработанных оболочек зерен овса составила 99,45 %.
Keywords: oats fruit shell, heat treatment, petroleum, water treatment.
The possibility of using native and heat-treated fruit coats of corns in the capacity of sorbtion materials for cleaning model waters which are roily oil, was researched. In the capacity of an example of comparison absorbent carbon was used. It was shown that thermal influence of100 0C during 15 minutes encourages an increase of maximal oil capacity of the researched sorbtion material from 2.5 to 6 g/g and some decrease of water adsorption. The removal rate of oil from water surface using heat-treated hulls of oat grain was defined as 99.45%.
В современную эпоху нефть добывается на 15 % поверхности земного шара, в том числе, более чем на 1/3 поверхности суши. Загрязнением окружающей среды углеводородами всегда сопровождаются процессы переработки, транспортировки и хранения нефти [1].
Наибольшую экологическую опасность представляют разливы нефти на поверхности морей, водоемов и рек, так как при этом в течение нескольких часов тонкая пленка нефтепродуктов может покрыть десятки и сотни квадратных километров водной поверхности, перемещаясь с течением воды, и разливы нефти довольно сложно локализовать. Образующаяся при этом на водной поверхности пленка углеводородов препятствует поступлению кислорода в воду, нарушается воздухообмен. Кроме того, часть вредных углеводородов растворяется в воде и пагубно воздействует на обитателей гидросферы [2].
Очистка нефтезагрязненной воды является одной из основных экологических проблем современности [3].
Нефтепродукты удаляют с помощью различных методов и технических средств, обеспечивающих локализацию загрязнения. Сбор нефти
осуществляют с помощью механических средств, поглощение ее сорбентами, рассеивание нефтяных пленок химическими или биологическими препаратами, применяют сжигание нефти и другие методы. Как показывает мировая практика, наиболее перспективным и экономичным способом очистки от органических загрязняющих веществ является сорбционные методы [4], которые весьма эффективны для извлечения из водных сред, как тонко эмульгированных в воде и несмешивающихся с ней углеводородов, так и ценных растворенных веществ с их последующей утилизацией. К тому же появляется возможность использования очищенных сточных вод в системе оборотного водоснабжения промышленных предприятий [5].
В настоящее время в мировом сообществе интенсивно развивается инновационное
направление в практике водоочистки: использование отходов промышленного и сельскохозяйственного производства в качестве реагентов для удаления поллютантов из водных сред [6-10].
В качестве сорбционных материалов растительного происхождения для удаления нефти и продуктов ее переработки, в частности, исследовались: лузга гречки и подсолнечника, шелуха овса и риса, чёрная скорлупа грецкого ореха, кукурузные початки (отходы), отходы переработки трав, опавшая листва, солома, камышовая сечка, соцветия тростника, опилки и другие целлюлозосодержащие реагенты [11, 12]. Использование всех этих материалов, являющихся потенциальным местным сырьем для производства сорбентов, позволяет увязать ликвидацию отходов сельскохозяйственного производства с
природоохранной деятельностью.
В настоящей работе в качестве сорбционных материалов нефти исследовались термически обработанные плодовые оболочки зерен овса (ТОПОЗО). Нативные оболочки зерен овса (ПОЗО) ранее исследовались в качестве сорбционных материалов для удаления нефти карбоновых и девонских отложений [13-15]. Однако, сорбционные характеристики ПОЗО оказались не высоки. Для увеличения сорбционных характеристик сорбционных материалов применяются различные способы обработки исходного растительного материала -механические, физические, химические и физико-химические методы, включая термическую обработку сырья [16].
При термической обработке отходов происходит изменение исходных характеристик сорбента (цвет, насыпная плотность, микроструктура) [17].
В состав оболочек зерен овса входят: лигнин -29,16 %, пентозаны - 21,18 %, С - 42,39 %, в
небольшом количестве Н - 5,77 % и N - 1,93 %. Оболочки не представляют пищевой ценности и в процессе переработки удаляются [18]. Исходя из литературных данных о химическом строении этих веществ и их сорбционной активности, можно предположить, что усиление сорбционных свойств получаемого сорбента и его универсальность по отношению к различным загрязнителям может быть достигнута при термическом разложении, в результате чего образуется углерод, который обусловливает сорбционные свойства сорбентов [19]. Кроме углерода в состав ТОПОЗО могут входить и оксиды некоторых металлов. Так, в работе [20] приведен состав золы от сжигания шелухи овса, приведенный в таблице 1.
Таблица 1 - Состав золы шелухи овса [20]
Соединения, % ТОПОЗО
SiO2 74,5
СаО 2,8
MgO 8,6
К2О 9,9
№20 2,2
В качестве сорбата использовалась нефть девонского отложения Тумутукского месторождения (Республика Татарстан).
Сорбционная способность сорбентов во многом зависит от количества и размера пор. Определенная нами сорбционная емкость по йоду, характеризующая количество микропор размером ~ 1,0 нм, показала, что наибольшей величиной сорбционной емкости по йоду обладает АУ, наименьшей - ТОПОЗО. Данное обстоятельство свидетельствует об образовании на поверхности последнего пор и с другими размерами, то есть полипористых структур.
Первоначально определили значения
максимальной сорбционной емкости вышеназванных сорбционных материалов. Для этого в 7 чашек Петри наливалось по 35 см3 девонской нефти, далее опускалась навеска сорбционного материала массой 1 г в латунном коробе, которые выдерживались 1, 3, 5, 10, 15, 20 и 30 мин. По окончании указанных промежутков времени насыщенный нефтью образец взвешивался на лабораторных весах и определялась масса сорбированной нефти. По полученным данным строились графики зависимости, которые приведены на рисунке 1.
Проведенный термогравиметрический анализ данных отходов позволил установить, что их разложение и основная потеря массы происходят с экзотермическим эффектом, при температурах более 100 0С. При увеличении времени термообработки происходит уменьшение насыпной плотности и микропор. Исходя из вышеизложенного, проводилась термическая обработка ПОЗО при температуре 150-160 0С в течение 15 мин. Продукт термообработки представляет собой чешуйки черного цвета размером 3-6 мм, а процентное содержание от массы необработанных оболочек плодов овса составило 35 %.
Для исследования сорбционных показателей ТОПОЗО, первоначально определили основные характеристики последнего, которые сравнивались с нативными ПОЗО и активированным углем (АУ) марки МС, взятым в качестве эталона для сравнения (табл. 2).
Таблица 2 - Характеристики сорбционных материалов
Показатель ПОЗО ТОПОЗО АУ
Влажность, % 8,34 1,11 5,22
Зольность, % 1,43 1,01 99
Плавучесть, % 15,25 22,62 0
Насыпная плотность, г/см3 0,19 0,12 0,43
Суммарный объем пор по воде, см3/г 5,58 4,50 1,12
Сорбционная емкость по йоду (йодное число, см3/г) 3,52 2,87 5,07
Рис. 1 - Зависимость нефтеемкости сорбционных материалов от времени
По графикам зависимостей, приведенных на рисунке 1, очевидно, что основная масса нефти сорбируется в первые 3 минуты контактирования сорбционных материалов с сорбатом. Дальнейшее увеличение времени взаимодействия не приводит к сколь-либо значимому изменению искомого параметра. Также очевидно, что значение максимальной нефтеемкости ТОПОЗО (6,01 г/г) практически втрое превышает таковой показатель для ПОЗО и АУ. Данное обстоятельство объясняется, как говорилось выше, наличием на поверхности ТОПОЗО пор различных размеров, в которые сорбируются компоненты нефти различной молекулярной массы и, соответственно, размеров. В случае АУ, имеющего поры сопоставимых размеров, сорбируются только углеводороды узкого размерного ряда.
В последующем также оценивалось максимальное водопоглощения исследуемых
сорбционных материалов. Ход проведения экспериментов соответствовал описанному выше, только вместо нефти в чашки Петри наливалась дистиллированная вода. Графики зависимости изменения значения максимального
водопоглощения в зависимости от времени и типа сорбционного материала приведены на рисунке 2.
о
О 5 10 15 20 25 30
—Ф— ПОЗО -Ш-ТОПОЗО -±-АУ
Рис. 2 - Зависимость водопоглощения сорбционных материалов от времени
Как видно из графических зависимостей на рисунке 2, основная масса воды поглощается в начальный период контактирования с сорбционными материалами. Полное насыщение водой ПОЗО и АУ наступает после 15 мин от начала контактирования, а ТОПОЗО - после 20 мин. При анализе полученных данных видно, что способность всех сорбционных материалов поглощать воду довольно велика. Способность впитывать воду у ПОЗО больше на 0,71 г/г, чем у ТОПОЗО и на 2,94 г/г, чем у АУ.
Нефть, которая может находиться в воде в эмульгированном и растворенном виде, также часто образует на поверхности воды плавающий слой. При нанесении сорбционного материала на поверхность происходит поглощение поверхностью сорбционного материала, как нефти, так и воды, что уменьшает нефтеемкость реагента.
Следующий этап работы заключался в изучении эффективности удаления нефтяных пленок с водной поверхности. Процесс сорбции проводился с помощью имитации нефтяного загрязнения (1 см3) в определенном объеме воды (70 см3), сорбционный материал массой 1 г в латунном коробе опускали в воду и выдерживали 1, 3, 5, 10, 15, 20 и 30 мин. Количество остаточной нефти после сорбции определялось методом экстракции [21]. Изменение содержания нефти в воде от времени представлено в таблице 3.
При анализе полученных данных можно сказать, что минимальное остаточное содержание нефти в воде у всех сорбционных материалов наблюдается после 1 мин, а максимальное - через 15 мин контактирования.
Таблица 3 - Результаты экспериментов
Время, мин ПОЗО ТОПОЗО АУ
Остаточное содержание нефти в воде, г/дм3
0 11,31 11,31 11,31
1 0,02 0,06 0,47
3 0,18 0,11 0,59
5 0,31 0,21 0,61
10 0,33 0,27 0,69
15 0,49 0,32 0,91
20 0,28 0,21 0,71
30 0,25 0,17 0,70
Проведенные исследования показывают возможность использования ТОПОЗО в качестве нефтесорбента для очистки сточных вод. Степень удаления нефти ТОПОЗО составляет 99,45 %, ПОЗО - 99,85 %, АУ -95,88 %.
Проведенные исследования показывают не только возможность использования ТОПОЗО в качестве нефтесорбента для очистки сточных и природных вод, но и высокую эффективность очистки - 99,45 %.
Литература
1. Л.А. Марченко, Е. А. Белоголов, А.А. Марченко, О.Н. Бугаец, Т.Н. Боковикова, Журнал КубГАУ, 2012. № 10(84). С. 1-10.
2. Собгайда Н.А., Вестник ХНАДУ, 2011. № 52. С. 120124..
3. T.V. Girusov, М.: UNITY, 2000. 455 p
4. Е.Е. Уткин, В.Ф. Каблов, Н.У. Быкадоров, Фундаментальные исследования, 2011. № 8. С. 406409.
5. В.В. Трусова, Дис на соиск. учен. степ. канд. тех. наук Иркутский государственный технический университет, Иркутск, 2014. - 132 с.
6. J. Febrianto, A.N. Kosasih, J. Sunarso, Y.-H. Ju, N. Indraswati, S. Ismadji, Journal of Hazardous Materials, 162, 616-645 (2009).
7. N.T. Abdel-Ghani, G.A. El-Chaghaby, International Journal of Latest Research in Science and Technology, 3, 1, 24-42 (2014).
8. M.T. Yagub, T.K. Sen, S. Afroze, H.M. Ang, Advances in Colloid and Interface Science, 209, 172-184 (2014).
9. R.K. Gautam, A. Mudhoo, G. Lofrano, M.C. Chattopadhyaya, Journal of Environmental Chemical Engineering, 2, 239-259 (2014).
10. Н.А. Собгайда, Л.Н. Ольшанская, Ю.А. Макарова, Экология и промышленность России, 1,36-38 (2009).
11. Н.А. Собгайда, Вестник Харьковского национального автомобильно-дорожного университета, 52, 44-49 (2011).
12. Н.А. Собгайда, Л.Н. Ольшанская, Сорбенты для очистки вод от нефтепродуктов, СГТУ, Саратов, 2010, 108 с.
13. И.Г. Шайхиев, С.В. Степанова, В.В. Доможиров, И.Ш. Абдуллин, Вестник Казанского технологического университета, 12, 110-117 (2011).
14. С.В. Степанова, В.В. Доможиров, И.Г. Шайхиев, Вестник Казанского технологического университета, 17, 8, 228-231 (2014).
15. С.В. Степанова, В.В. Доможиров, И.Г. Шайхиев, И.Ш. Абдуллин, Технологии техносферной безопасности, 3(43), 19 (2012).
16. J. C. Igwe, A. A. Abia, Chemical Society of Nigeria, 2, 24-28 (2007).
17. И.В. Шевелева, А.Н. Холомейдик, А.В. Войт, Л.А. Земнухова, Химия растительного сырья, 4, 171-176 (2009).
18. Ю.А. Макарова Автореф. дис. на соис. учен. степ. канд. техн. наук , Казань, 2011. 20 с.
19. Е.Ю. Егорова, Р.Ю. Митрофанов, А.А. Лебедева, Ползуновский вестник, 2007, № 3. С. 35-39.
20. А.А. Осьмак, А.А. Серёгин, Восточно-Европейский журнал передовых технологий, 2014, № 2(8). С. 57-61.
21. Лурье Ю. Ю. Аналитическая химия промышленных сточных вод, М.: Химия, 1984.- 447 с.
© А. А. Шайдуллина - магистрант кафедры Инженерной экологии Казанского национального исследовательского технологического университета,aHashaidul@maiLru; С. В. Степанова - к.т.н., доцент кафедры инженерной экологии того же вуза; И. Г. Шайхиев - д.т.н., заведующий кафедрой Инженерной экологии того же вуза.
© A. A. Shaidullina - master's degree student of Engineering Ecology Department of Kazan National Research Technological University, aliashaidul@mail.ru; S. V. Stepanova - Ph. D, Associate Professor of Engineering Ecology Department of the same university; I. G. Shaikhiev - Ph. D, Head of Engineering Ecology Department of the same university.
Все статьи номера поступили в редакцию журнала в период с 20.06.16. по 10.11.16.
