Научная статья на тему 'Использование зоогумуса на основе личинок Musca Domestica в качестве сорбента нефтепродуктов'

Использование зоогумуса на основе личинок Musca Domestica в качестве сорбента нефтепродуктов Текст научной статьи по специальности «Науки о Земле и смежные экологические науки»

CC BY
309
70
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
Ключевые слова
НЕФТЕПРОДУКТЫ / СОРБЦИЯ / ЗООГУМУС / ОЧИСТКА / OIL PRODUCTS / SORPTION / ZOOHUMUS / PURIFICATION

Аннотация научной статьи по наукам о Земле и смежным экологическим наукам, автор научной работы — Зайцев Валерий Павлович, Клименко Мария Викторовна, Бочкарева Ирина Ивановна

Предложен новый способ использования зоогумуса на основе личинок Musca Domestica в качестве сорбента для очистки воды от нефтепродуктов. Экспериментальные исследования сорбционных свойств зоогумуса проводились на модельных растворах, насыщенных нефтепродуктами. Начальная концентрация дизельного топлива и машинного масла в воде составила 29,0 и 16,8 мг/дм3 соответственно. По результатам проведенной работы были построены изотермы адсорбции зоогумусом машинного масла и дизельного топлива. Анализ изотерм показал, что зоогумус по отношению к исследуемым нефтепродуктам обладает положительной адсорбционной активностью. Экспериментально полученные изотермы адсорбции дизельного топлива и машинного масла были промоделированы с помощью классических эмпирических уравнений Ленгмюра и Фрейндлиха. Линейные формы изотерм позволяют получить постоянные параметры уравнений Ленгмюра и Фрейндлиха. Для каждой из представленных зависимостей после обработки были получены величины достоверной аппроксимации. Показано, что зоогумус имеет наибольшую сорбционную активность по отношению к дизельному топливу, чем по отношению к машинному маслу.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Похожие темы научных работ по наукам о Земле и смежным экологическим наукам , автор научной работы — Зайцев Валерий Павлович, Клименко Мария Викторовна, Бочкарева Ирина Ивановна

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

A new method of using Musca Domestica larvae-based zoohumus as a sorbent for water purification from oil products has been proposed. Experimental study of sorption properties of zoohumus were carried out on model solutions saturated with oil products. The initial concentration of diesel fuel and motor oil in water were 29.0 and 16.8 mg/dm3, respectively. Adsorption isotherms of motor oil and diesel fuel by zoohumus were built on the results of the work. Analysis of the isotherms showed that zoohumus has a positive adsorption activity in relation to the studied oil products. Experimentally obtained adsorption isotherms of diesel fuel and motor oil have been modeled using the classical empirical Langmuir-Freundlich equations. Linear forms of the isotherms allow to obtain the constant parameters of Langmuir-Freundlich equations. The value of accurate approximation was obtained for each of the presented dependencies after processing. The article shows that zoohumus has the higher sorption activity in relation to diesel fuel compared to engine oil.

Текст научной работы на тему «Использование зоогумуса на основе личинок Musca Domestica в качестве сорбента нефтепродуктов»

ЭКОЛОГИЯ И ПРИРОДОПОЛЬЗОВАНИЕ

УДК 502.7

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ЗООГУМУСА НА ОСНОВЕ ЛИЧИНОК MUSCA DOMESTICA В КАЧЕСТВЕ СОРБЕНТА НЕФТЕПРОДУКТОВ

Валерий Павлович Зайцев

Сибирский государственный университет геосистем и технологий, 630108, Россия, г. Новосибирск, ул. Плахотного, 10, доктор химических наук, профессор кафедры экологии и природопользования, тел. (383)361-08-86, e-mail: kaf.ecolog@ssga.ru

Мария Викторовна Клименко

Сибирский государственный университет водного транспорта, 630099, Россия, г. Новосибирск, ул. Щетинкина, 33, инженер кафедры водных изысканий и экологии, тел. (383)211-11-67, e-mail: kvig@nsawt.ru

Ирина Ивановна Бочкарева

Сибирский государственный университет геосистем и технологий, 630108, Россия, г. Новосибирск, ул. Плахотного, 10, кандидат биологических наук, доцент кафедры экологии и природопользования, тел. (383)361-08-86, e-mail: kaf.ecolog@ssga.ru

Предложен новый способ использования зоогумуса на основе личинок Musca Domestica в качестве сорбента для очистки воды от нефтепродуктов. Экспериментальные исследования сорбционных свойств зоогумуса проводились на модельных растворах, насыщенных нефтепродуктами. Начальная концентрация дизельного топлива и машинного масла в воде составила 29,0 и 16,8 мг/дм3 соответственно. По результатам проведенной работы были построены изотермы адсорбции зоогумусом машинного масла и дизельного топлива. Анализ изотерм показал, что зоогумус по отношению к исследуемым нефтепродуктам обладает положительной адсорбционной активностью. Экспериментально полученные изотермы адсорбции дизельного топлива и машинного масла были промоделированы с помощью классических эмпирических уравнений Ленгмюра и Фрейндлиха. Линейные формы изотерм позволяют получить постоянные параметры уравнений Ленгмюра и Фрейндлиха. Для каждой из представленных зависимостей после обработки были получены величины достоверной аппроксимации. Показано, что зоогумус имеет наибольшую сорбционную активность по отношению к дизельному топливу, чем по отношению к машинному маслу.

Ключевые слова: нефтепродукты, сорбция, зоогумус, очистка.

Развитие топливной энергетики, промышленного производства, транспорта в современном мире сопровождается увеличением добычи нефти и потреблением нефтепродуктов. Нефть и нефтепродукты, попадая в окружающую сре-

ду, оказывают негативное влияние на все компоненты экосистемы. Самыми загрязненными объектами оказываются гидросфера и геосфера [1, 2]. Загрязнение экосистем происходит при добыче нефти, ее переработке, при транспортировке нефти и нефтепродуктов, в результате аварийных разливов и утечки.

Отдельного внимания требует проблема загрязнения гидросферы нефтью и нефтепродуктами. Своевременная и эффективная очистка водных источников от нефтяных загрязнений является основной экологической задачей нефтедобывающих и нефтеперерабатывающих предприятий, железнодорожного, водного и автомобильного транспорта, автозаправочных комплексов и станций.

В последнее время для удаления нефти и нефтепродуктов в воде большое значение приобретают адсорбционные механизмы с применением различных сорбентов. Наиболее перспективными сорбентами для ликвидации нефтяных загрязнений являются природные и органические сорбенты [3]. В связи с этим были исследованы возможности использования зоогумуса в качестве нового сорбирующего материала нефтепродуктов, полученного при обработке свиного навоза или куриного помета личинками Musca Domestica [4, 5]. Принципиальная схема биотехнологии получения зоогумуса приведена в работах [6, 7].

Экспериментальные исследования сорбционных свойств зоогумуса проводились на модельных растворах, насыщенных нефтепродуктами. В качестве нефтепродуктов использовались дизельное топливо марки ДТЛ-0,2-60 (р = 0,86 г/см ) и машинное масло марки М14В2 (р = 0,91 г/см ). Модельные растворы готовились путем перемешивания 1 мл нефтепродукта в 1 л дистиллированной воды. После перемешивания двухфазная система отстаивалась в течение суток, затем фазы разделялись и водный раствор, насыщенный нефтепродуктом, использовался для исследования сорбционных свойств зоогумуса. Начальная концентрация дизельного топлива и машинного масла в воде составила 29,0 и 16,8 мг/дм соответственно.

Адсорбционное равновесие в системе «нефтесодержащая вода - сорбент» изучалось следующим образом. В исходные растворы добавлялся в различном количестве зоогумус, от 0,05 до 1 г, затем раствор перемешивался не менее 15 минут с помощью магнитной мешалки. После осаждения взвешенных частиц сорбента, полученные растворы анализировали на приборе КН-2 по аттестованной методике [8]. Все опыты проводили при комнатной температуре 20±2 °С.

Величина равновесной адсорбции рассчитывалась по формуле

Ар = (С - С) • V/m, (1)

где Ар - емкость адсорбента, мг/г;

С0, С - начальная и равновесная концентрация нефтепродуктов в растворе соответственно, мг/л;

V - объем исследуемого раствора, л;

m - масса образца сорбента зоогумуса, г.

По результатам проведенной работы были построены изотермы адсорбции зоогумусом машинного масла и дизельного топлива, которые представлены на рис. 1.

Рис. 1. Изотермы адсорбции нефтепродуктов зоогумусом: 1 - дизельное топливо; 2 - машинное масло

Анализ изотерм показал, что зоогумус по отношению к исследуемым нефтепродуктам обладает положительной адсорбционной активностью: изотермы имеют выпуклую форму [9, 10].

Полученные изотермы адсорбции нефтепродуктов по классификации Гильса принадлежат к изотермам Ленгмюра [11]. Указанные изотермы по мере увеличения концентрации сорбируемого вещества стремятся к некоторому значению, соответствующему заполненному монослою нефтепродуктов на поверхности сорбента.

С учетом формы равновесных кривых были промоделированы экспериментальные результаты с использованием уравнения Ленгмюра

кь ■ С

Ар = АшТ~~т-Т" , (2)

р ш 1 + Кт ■ С'

имеющего вид в линейной форме

С 1 С

с 1 ь-С, (3)

Ар Кт ' А Ар

И т ш г

где Аш - адсорбционная емкость зоогумуса при насыщении, мг/г; Кт - константа сорбционного равновесия.

Линейная форма изотермы, представленная на рис. 2, позволяет получить постоянные параметры уравнения Ленгмюра (Аш и Кт).

Рис. 2. Изотермы адсорбции Ленгмюра в логарифмических координатах: 1 - дизельное топливо; 2 - машинное масло

Экстраполяция прямой линии до оси ординат дает отрезок 1/Ат К^, а тангенс угла наклона прямой tga = 1/Ат. Рассчитанные значения постоянных уравнения Ленгмюра приведены в таблице.

Для более полной оценки сорбционных свойств зоогумуса по отношению к нефтепродуктам изотермы адсорбции были проанализированы в соответствующих координатах линеаризации эмпирического уравнения Фрейндлиха [12]:

Ар = КЕ • С~п, (4)

где Кр - константа равновесия уравнения Фрейндлиха, относящаяся к адсорбционной емкости; п - параметр, характеризующий кривизну изотермы в начальной области концентраций и указывающий на интенсивность взаимодействия «адсорбент - адсорбат».

На рис. 3 представлены экспериментальные данные по адсорбции нефтепродуктов зоогумусом в координатах линейного уравнения

Щ = ^р + !с. (5)

а < О)

1 у/ 2

/

-2,5 -2 -1,5 -1 -0,5 0 0,5 1 1,5 2

ige

Рис. 3. Изотермы адсорбции Фрейндлиха в логарифмических координатах: 1 - дизельное топливо; 2 - машинное масло

Видно, что экспериментальные точки адсорбции нефтепродуктов зоогуму-сом хорошо укладываются на прямые линии - это свидетельствует о том, что данное уравнение может быть использовано для нахождения параметров уравнения Фрейндлиха (KF, n), которые приведены в таблице.

Таблица

Параметры уравнений Ленгмюра и Фрейндлиха для статической сорбции нефтепродуктов зоогумусом

Параметры уравнения Дизельное топливо Машинное масло

Уравнение Ленгмюра

Kl 0,72 0,50

А m 140 100

R2 0,98 0,94

Уравнение Фрейндлиха

KF 68,56 27,10

n 4,76 1,96

2* R2 0,958 0,994

*R2 - величина достоверной аппроксимации

Параметры К,, Кр, п позволяют сравнить активность сорбента по отношению к нефтепродуктам: чем больше параметры сорбционного равновесия, тем сильнее взаимодействие системы «адсорбент - адсорбат». Из сравнения данных таблицы можно сделать вывод, что зоогумус имеет наибольшую сорбционную

активность по отношению к дизельному топливу, чем по отношению к машинному маслу.

Для каждой из представленных зависимостей после обработки были получены величины достоверной аппроксимации, которые приведены в таблице. Сравнение коэффициентов аппроксимации при линеаризации изотерм показывает, что высокая корреляция для моделей Ленгмюра и Фрейндлиха дает основания использовать эти теории для интерпретации равновесных данных по адсорбции нефтепродуктов. Вычисленные таким образом параметры уравнений позволяют найти уравнение адсорбции, по которому можно вычислить количество адсорбированных нефтепродуктов в равновесных условиях.

Несмотря на то, что модели Ленгмюра и Фрейндлиха широко используются, они не дают полной информации об адсорбционном механизме. Исследования, проведенные в работах [13, 14], свидетельствуют о преобладании физической сорбции нефтепродуктов различной природы сорбентами. Необходимо отметить, что в состав сорбента входят до 15 % гуминовых кислот и их солей [6, 7]. Для полной оценки сорбционных свойств зоогумуса были исследованы ионообменные свойства сорбента для очистки воды от ионов тяжелых металлов [15].

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Шарикалов А. Г., Якутии М. В. Геоэкологический анализ состояния антропогенных систем // Вестник СГУГиТ. - 2011. - Вып. 3 (16). - С. 95-100.

2. Васильченко А. В., Воеводина Т. С. Проблема экологической оценки загрязнения почв нефтепродуктами. // Вестник ОГУ. - 2015. - № 10 (185). - С. 147-151.

3. Артемов А. В., Пинкин А. В. Сорбционные технологии очистки воды от нефтяных загрязнений // Вода: химия и экология. - 2008. - № 1. - С. 19-25.

4. Зайцев В. П., Клименко М. В., Голомянов А. И. Доочистка судовых нефтесодержа-щих вод зоогумусом // Научные проблемы транспорта Сибири и Дальнего Востока. - 2014. -№ 1-2. - С. 353-355.

5. Зайцев В. П. Клименко М. В. Исследование сорбции нефтепродуктов зоогумусом на основе личинок Musca Domestica // Интерэкспо ГЕ0-Сибирь-2016. XII Междунар. науч. конгр. : Междунар. науч. конф. «Дистанционные методы зондирования Земли и фотограмметрия, мониторинг окружающей среды, геоэкология» : сб. материалов в 2 т. (Новосибирск, 18-22 апреля 2016 г.). - Новосибирск : СГУГиТ, 2016. Т. 2. - С. 174-179.

6. Гудилин И. И., Кондратов А. Ф. и др. Биотехнология переработки органических отходов и экология / ред. И. И. Гудилина, А. Ф. Кондратова. - Новосибирск: Новосибирское книжное издательство. - 1999, 393 с.

7. Сороколетов О. Н. Технологические и экологические аспекты переработки отходов птицеводства и свиноводства личинками Musca Domestica : автореферат канд. дис. - Новосибирск : НГАУ, 2006. - 19 с.

8. Лурье Ю. Ю., Рыбникова А. И. Химический анализ производственных сточных вод. - М. : Химия, 1974. - 336 с.

9. Когановский А. М., Клименко Н. А. Адсорбция органических веществ из воды. -СПб. : Химия, 1996. - 256 с.

10. Фролов В. А. Процессы и аппараты химической технологии. - СПб. : Химиздат, 2003. - 608 с.

11. Парфит Г. Адсорбция из растворов на поверхности твердых тел: Пер. с англ. / Под ред. Г. Парфита, К. Рочерстера. - М. : Мир. 1986. - 488 с.

12. Фролов Ю. Г. Поверхностные явления и дисперсные системы. - М. : Химия, 1982. -

400 с.

13. Береза И. Г., Кучинская А. А., Петросян Е. И. Сорбционная доочистка судовых нефтесодержащих вод // Транспорт РФ. - 2012 . - № 2 (39). - С. 58-59.

14. Домрачева В. А., Трусова В. В. Использование углеродного сорбента АБЗ для очистки сточных вод от нефтепродуктов // Водоочистка. - 2013. - № 3. - С. 22-28.

15. Клименко М. В., Зайцев В. П., Голомянов А. Сорбция ионов тяжелых металлов зоогумусом // Сибирский научный вестник. - 2014. - № 18. - С. 171-172.

Получено 05.05.2016 г.

© В. П. Зайцев, М. В. Клименко, И. И. Бочкарева, 2016

THE USE OF MUSCA DOMESTICA LARVAE-BASED ZOOHUMUS AS OIL PRODUCTS SORPTION

Valerij P. Zaitsev

Siberian State University of Geosystems and Technologies, 630108, Russia, Novosibirsk, 10 Plakhotnogo St., D. Sc., Professor, Department of Ecology and Nature Management, tel. (383)361-08-86, e-mail: kaf.ecolog@ssga.ru

Maria V. Klimenko

Siberian State University of Water Transport, 630099, Russia, Novosibirsk, 33 Schetinkina St., Engineer, Department of Water Research and Ecology, tel. (383)211-11-67, e-mail: kvig@nsawt.ru

Irina I. Bochkareva

Siberian State University of Geosy stems and Technologies, 630108, Russia, Novosibirsk, 10 Plakhotnogo St., Ph. D., Associate Professor, Department of Ecology and Nature Management, tel. (383)361-08-86, e-mail: kaf.ecolog@ssga.ru

A new method of using Musca Domestica larvae-based zoohumus as a sorbent for water purification from oil products has been proposed. Experimental study of sorption properties of zoohumus were carried out on model solutions saturated with oil products._The initial concentration of diesel fuel and motor oil in water were 29.0 and 16.8 mg/dm3, respectively._Adsorption isotherms of motor oil and diesel fuel by zoohumus were built on the results of the work._Analysis of the isotherms showed that zoohumus has a positive adsorption activity in relation to the studied oil products. Experimentally obtained adsorption isotherms of diesel fuel and motor oil have been modeled using the classical empirical Langmuir-Freundlich equations. Linear forms of the isotherms allow to obtain the constant parameters of Langmuir-Freundlich equations. The value of accurate approximation was obtained for each of the presented dependencies after processing. The article shows that zoohumus has the higher sorption activity in relation to diesel fuel compared to engine oil.

Key words: oil products, sorption, zoohumus, purification.

REFERENCES

1. Sharikalov, A. G., & Yakutin, M. V. (2011). Geoecological analysis of the state of human systems. Vestnik SGUGiT[Vestnik SSUGT], 3(16), 95-100 [in Russian].

2. Vasil'chenko, A. V., & Voevodina, T. S. (2015). The problem of environmental assessment of oil pollution of soils. Vestnik OGU[Bulletin of OSU], 10(185), 147-151 [in Russian].

3. Artemov, A. V., & Pinkin, A. V. (2008). Sorbtion processes to treat oil contaminated water. Voda: khimiya i ekologiya [Water: Chemistry and Ecology], 1, 19-25 [in Russian].

4. Zaytsev, V. P., Klimenko, M. V., & Golomyanov, A. I. (2014). Marine oily water afterpurification by zoohumus. Nauchnye problemy transporta Sibiri i Dalnego Vostoka [Scientific Transport Problems of Siberia and the Far East], 1-2, 353-355 [in Russian].

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

5. Zaytsev, V. P., & Klimenko, M. V. (2016). Investigation of oil products sorption by Musca Domestica larvae-based zoohumus. In Sbornik materialov Interekspo GEO-Sibir'-2015: Mezhdunarodnoy nauchnoy konferentsii: T. 2. Distantsionnye metody zondirovaniya Zemli i fotogrammetriya, monitoring okruzhayushchey sredy, geoekologiya [Proceedings of Interexpo GEO-Siberia-2015: International Scientific Conference: Vol. 2. Remote Methods of Sensing Earth and Photogrammetry, Environmental Monitoring, Geoecology] (pp. 174-179). Novosibirsk: SGUGiT [in Russian].

6. Gudilin, I. I., & Kondratov, A. F. (1999). Biotehnologija pererabotki organicheskih othodov i jekologija [Biotechnology of processing of organic waste and ecology]. Novosibirsk Publishing House [in Russian].

7. Sorokoletov, O. N. (2006). Tehnologicheskie i jekologicheskie aspekty pererabotki othodov pticevodstva i svinovodstva lichinkami Musca Domestica [Technological and environmental aspects of waste processing of poultry and pork by Musca Domestica's larvae]. Extended abstract of candidate's thesis. Novosibirsk [in Russian].

8. Lur'e, Yu. Yu., & Rybnikova, A. I. (1974). Himicheskij analiz proizvodstvennyh stochnyh vod [Chemical analysis of industrial wastewater]. Moscow: Khimiya [in Russian].

9. Koganovskiy, A. M., & Klimenko, N. A. (1996). Adsorbcija organicheskih veshhestv iz vody [Adsorption of organic substances from water]. St. Petersburg: Khimiya [in Russian].

10. Frolov, V. A. (2003). Processy i apparaty himicheskoj tehnologii [The processes and apparatuses of chemical technology]. St. Petersburg: Khimizdat [in Russian].

11. Parfit, G. (1986). Adsorbcija iz rastvorov napoverhnosti tverdyh tel [Adsorption from solutions on solid surfaces]. Moscow: Mir. [in Russian].

12. Frolov, Yu. G. (1982). Poverhnostnye javlenija i dispersnye sistemy [Surface phenomena and disperse systems] Moscow: Khimiya [in Russian].

13. Bereza, I. G., Kuchinskaya, A. A., & Petrosyan, E. I. (2012). Sorption-based advanced treatment of marine oily waters. TransportRF[TransportRF], 2(39), 58-59 [in Russian].

14. Domracheva, V. A., & Trusova, V. V. (2013). The use of carbon sorbent PAR for wastewater treatment from oil products. Vodoochistka [Water Purification], 3, 22-28 [in Russian].

15. Klimenko, M. V., Zaytsev, V. P., & Golomyanov, A. (2014). Sorption of heavy metal's ions by zoohumus. Sibirskiy nauchnyy vestnik [Siberian Scientific Bulletin], 18, 171-172 [in Russian].

Received 05.05.2016

© V. P. Zaitsev, M. V. Klimenko, 1.1. Bochkareva, 2016

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.