Исследование утиного пуха для удаления нефти и масел с твердой и водной поверхности Текст научной статьи по специальности «Энергетика и рациональное природопользование»

УДК 628.316.12

А. Н. Шмоткина, И. Г. Шайхиев, З. Т. Санатуллова

ИССЛЕДОВАНИЕ УТИНОГО ПУХА ДЛЯ УДАЛЕНИЯ НЕФТИ И МАСЕЛ С ТВЕРДОЙ И ВОДНОЙ ПОВЕРХНОСТИ

Ключевые слова: утиный пух, нефть, масло, сорбция.

Исследована возможность использования кератинсодержащего отхода птицеводства - утиного пуха в качестве сорбционного материала нефти и масел. Определены значения максимального масло- и нефтепоглощения образцов исходного и мытого утиного пуха по отношению к маслам марок ТП-22 и И-20А и нефтям карбоно-вого и девонского отложений Тумутукского месторождения. Определена эффективность извлечения нефтяных и масляных пленок с водной поверхности пуховыми перьями уток. Найдено, что по нефтям эффективность удаления последних составляет более 99 %, по маслам - 99 %.

Keywords: duck feathers, petroleum, oil, sorbtion.

There was investigated possibility of usage keratin comprising retreats in aviculture - these are duck feathers as sorption material ofpetroleum and oils. There were defined meanings of max level for oil's absortion and petroleum's absortion of initiated and washed samples in relation to oils brands of TP-22 and I-20A and petroleum of carbonian and devonian sediments of Tumutuk oilfield. It's defined extraction's efficiency of petroleum and oil skins from water surface by duck feathers. It's found out that removing efficiency for some kinds ofpetroleum is more than 99°%, for oils is 99 %.

В продолжение проводимых на кафедре Инженерной экологии работ по изучению возможности использования кератинсодержащих отходов различных производств, в частности, в качестве сорбционных материалов для удаления нефти и продуктов ее переработки [1-10], исследовались сорбционные показатели утиного пуха по названным поллютантам.

Ранее [11, 12] было показано, что отходы птицеводства, в основном куриные перья, являются хорошими сорбционными материалами для извлечения различных загрязняющих веществ из водных сред. Названные сорбционные материалы, так же как и овечья шерсть [13], имеют существенный недостаток - высокое водопоглощение. Исходя из вышеизложенного, вызывают интерес перья водоплавающих птиц, которые имеют на своей поверхности тонкий жировой слой, препятствующий проникновению воды.

Ранее [14] было показано, что гусиный пух, отход птицеводства, способствует эффективному извлечению нефти и масел с водной поверхности и позволяет рекомендовать его в качестве сорбцион-ного материала для удаления нефтепродуктов при аварийных разливах с поверхности воды и твердой поверхности. Применение последнего мотивировалось тем, что перья водоплавающих птиц имеют на своей поверхности тонкий слой гидрофобного материала, предотвращающий проникновение воды к кератину и способствующий высокому показателю сорбции по нефтепродуктам. В частности, в подтверждение названного предположения проведены исследования по использованию перьев таких экзотических птиц, как пингвины, в качестве сорбционных материалов для извлечения нефти [15]. Указывается, что максимальная нефтеемкость указанного сорбционного материала превышает 30 г/г при нулевом показателе водопоглощения.

В свете вышеизложенного, была исследована возможность использования кератинсодержащего отхода птицеводства - утиного пуха в качестве

сорбционного материала нефти и масел, который образуется в процессе ощипывания домашней птицы в малом фермерском хозяйстве Сафина А.И. (дер. Старый Минзелябаш, Сармановский район Республики Татарстан).

На рисунке 1 представлен внешний вид утиного пуха.

О 7 г 3 Ч 5 б 1 8 3 10 11

Рис. 1 - Внешний вид утиного пуха

Первоначально определялся фракционный состав исследуемого сорбционного материала. Бралось 100 частиц пуха и измерялась линейкой длина и ширина, а микрометром - толщина каждого образца. По результатам измерений построены гистограммы распределения частиц по вышеназванным показателям (рисунок 2). Установлены средние размеры частицы пуха: длина - 75,56 мм, ширина - 46 мм, толщина - 0,3 мм. Первоначально определялись некоторые физико-механические показатели названного сорбционного материала, которые приведены в таблице 1. Исследованиям подвергался как утиный пух в нативном виде, так и после мойки для удаления загрязнений с его поверхности.

Как следует из приведенных в таблице 1 данных, мытье утиного пуха способствует снижению показателя плавучести почти вдвое - с 91,08 до 49,4 %. По

всей видимости, при удалении загрязнении в процессе мойки сорбционного материала удаляется и жировой покров с поверхности пуха, что приводит к названному явлению.

Рис. 2 - Гистограммы распределения образцов утиного пуха по: а) длине; б) ширине; в) толщине

Таблица 1 - Некоторые физико-химические показатели нативного и мытого утиного пуха

Показатели мытый утиный пух утиный пух

Влажность W, % 5,91 3,76

Зольность З, % 0,76 0,86

Плавучесть Р, % 49,4 91,08

Первоначально определялась максимальная мас-лоемкость исследуемых сорбционных материалов по отношению к маслам марок «И-20А» и «ТП-22», некоторые показатели которых приведены в табл. 2.

Для определения значения максимального мас-лопоглощения в чашки Петри помещались заранее взвешенные латунные сетки и наливалось по 50 см3

того или другого исследуемого масла. Далее на поверхность НП вносился утиный пух в количестве 0,5 гр. По истечении установленных промежутков времени, образец сорбционного материала с поглощенным сорбатом снимался с помощью сетки и после стекания избыточного количества масла взвешивался на лабораторных весах.

Таблица 2 - Физико-химические показатели масел ТП-22 и И-20А

Марка масла

Наименование показателя ТП-22 И-20А

Норма по ГОСТу

Кинематическая вязкость при 40 0С, сП 28,8-35,2 29-35

Плотность, мг/см3, не более 900 890

Температура вспышки в открытом тигле, 0С, не ниже 260 200

Температура застывания, 0С, не выше -15 -15

Кислотное число, мг КОН/г, не более 0,07 0,03

Осадок (массовая доля), % 0,05 отс-е

Содержание (массовая доля), не более: - водорастворимых кислот и щелочей, % - мех. примесей, % - воды, % - серы, % - летучих низкомолекулярных кислот, мг КОН/г отс-е отс-е отс-е 0,5 0,02 отс-е отс-е следы 1,0 0,3

Сорбционная емкость по маслу (А, г) определялась по формуле:

А тпогл - тсорб тсорб>

(1)

где тпогл - масса поглощенного масла с сорбционным материалом, г; тсорб - масса сорбционного материала, г.

Графики изменения значения маслопоглощения в зависимости от времени контактирования приведены на рисунке 3.

Как следует из приведенных графических зависимостей, исходный пух имеет большее значение маслоемкости в сравнении с мытым образцом. Насыщение сорбционных материалов наступает в течение 5-10 минут и в дальнейшем практически не изменяется. Значения максимальной маслоемкости по маслам для мытого и исходного пуха по маслу ТП-22 составили 32,2 и 35,5 г/г, по маслу И-20А -29,8 и 33,8 г/г, соответственно.

Аналогичным образом проводились эксперименты по определению максимального значения нефте-емкости. Для проведения экспериментов использовалась нефть карбонового и девонского отложений Тумутукского месторождения (Республика Татарстан), добытая НГДУ «Азнакаевскнефть» с показателями, приведенными в таблице 3.

в

Ё 35 ^ ---•-»-♦-*

ф зо к ■-■-■-■

и //

§ 25 и

I 20 /

5

0 ■

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Время, мин

—Исходный пух -И-Мытый пух

а

40

0 -,-,-,-,-,-,-,-,-,-,-,—

О 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60

Время, мин —Исходный пух -И-Мытый пух б

Рис. 3 - Зависимости изменения маслоемкости от вида утиного пуха и времени контактирования: а) масла ТП-22, б) масла И-20А

Зависимости изменения показателя нефтепогло-щения подобны таковым, приведенным на рисунках 3а, б.

В результате проведенных экспериментов найдено, что значение максимальной нефтеемкости по нефти карбонового отложений составило 41,8 и

35.3 г/г, для нефти девонского отложений - 38,9 и

33.4 г/г для исходного и мытого утиного пуха, соответственно. Очевидно, что мытье пуха способствует снижению нефтеемкости за счет удаления жировой прослойки на поверхности реагента.

Нефть и масла при попадании в водные объекты при отсутствии турбулизации водного потока образуют на поверхности воды пленку, которая весьма негативно влияет на гидродинамический режим водоемов и органолептические показатели воды. В этой связи, в последующем моделировалось удаление масляных и нефтяных пленок с водной поверхности исследуемым сорбционным материалом. Для этого в чашки Петри помещалось предварительно взвешенное латунное сито и наливалось 50 см3 дистиллированной воды. Для имитации нефтяного или масляного загрязнения на водную поверхность приливалось по 3 см3 нефти или НП. Соответственно, масса нефти и масел составила: для нефти карбонового отложения - 2,711 г, нефти девонского отложения - 2,534 г; масла ТП-22 - 2,609 г, масла И-20А - 2,651 г. Затем на поверхность нефтяной или масляной пленки равномерным слоем помещалось по 0,5 г исследуемого пуха. Образцы последнего с сорбированными нефтью или маслами и водой с помощью сита через 30 минут от начала контактирования снимались и после стекания избыточного

количества поглощенных нефти и воды, взвешивались на аналитических весах.

Таблица 3 - Физико-химические показатели нефтей Тумутукского месторождения

Значения

Наименование показателя Нефть

Девон- Карбо-

ская новая

Плотность нефти при 15 °С, кг/м3 899,9 912,4

Плотность нефти при 20 °С, кг/м3 896,5 909,0

Массовая доля механических примесей, % 0,0046 0,0046

Массовая доля воды, % 0,06 0,06

Массовая доля серы, % 1,84 3,38

Массовая доля сероводорода, % менее 2 3,1

Давление насыщенных паров, кПа (мм. рт. ст.) 55,8 (419) 34,5 (259)

Суммарное водо- и нефте(масло)поглощение СМ определялось по формуле 1, приведенной выше. Остаточная концентрация масел и нефти в воде определялась методом экстракции. В делительную воронку сливалось оставшееся содержимое в чашке Петри и добавляли 6 мл четыреххлористого углерода. Далее воронку с пробой интенсивно встряхивали в течение 30 секунд и давали отстояться в течение 3 мин. В результате образовалось 2 слоя: верхний -вода и нижний - нефть (масло) с четыреххлористым углеродом. Верхний слой сливался в предварительно взвешенный тигель и последний ставился на плитку для испарения воды. Далее тигель с оставшимся маслом (нефтью) взвешивался на аналитических весах. Вычислялось значение оставшегося в воде масла, затем - количество сорбированного нефти или масла, а по разнице масс - масса сорбированной воды. Значения сорбированной нефти (масла) и воды после 60-ти минутного контактирования приведены в таблице 4.

Как следует из приведенных в таблице 4 данных, исходный утиный пух способствует меньшей сорбции воды по сравнению с мытым образцом пуха. Тем не менее, эффективность удаления нефти и масел с водной поверхности очень высока и превышает 99 %.

Таким образом определены значения максимальной масло- и нефтеемкости для образцов исходного и мытого утиного пуха. Показано, что названный сорбционный материал способствуют эффективному извлечению нефти и масел с водной поверхности и позволяют рекомендовать названный реагент в качестве сорбционного материала для удаления нефтепродуктов при аварийных разливах с поверхности воды и твердой поверхности.

Вестник технологического университета. 2017. Т.20, №3 Таблица 4 - Значения поглощения воды, нефтей и масел образцами утиного пуха

Поллютант Суммарное значение нефте- и водопоглоще-ния, г/г Нефтепогло-щение, г/г Водопо-глощение, г/г Степень удаления нефти, %

Исходный утиный пух

Нефть карбонового отложения 14,502 2,710 11,792 99,96

Нефть девонского отложения 10,214 2,5315 7,6825 99,90

Масло И-20А 10,866 2,6484 8,2176 99,90

Масло ТП-22 12,831 2,6064 10,2246 99,90

Мытый утиный пух

Нефть карбонового отложения 15,958 2,7065 13,2515 99,83

Нефть девонского отложения 11,361 2,5332 8,8278 99,97

Масло И-20А 12,758 2,6493 10,1087 99,93

Масло ТП-22 14,807 2,6069 12,2001 99,92

Литература

1. И.Г. Шайхиев, З.Т. Фазуллина, И.Ш. Абдуллин, И.Г. Гафаров, Вестник Казанского технологического университета, 19, 42-48 (2011).

2. И.Г. Шайхиев, Р.Х. Низамов, И.Ш. Абдуллин, С.В. Фридланд, Защита окружающей среды в нефтегазовом комплексе, 4, 24-27 (2010).

3. И.Г. Шайхиев, Р.Х. Низамов, С.В. Степанова, Экспозиция Нефть Газ, 4, 11-14 (2010).

4. И.Г. Шайхиев, З.Т. Фазуллина, И.Ш. Абдуллин, И.Г. Гафаров, Вестник Казанского технологического университета, 15, 4, 126-128 (2012).

5. И.Г. Шайхиев, дисс. докт. техн. наук, Казань, КГТУ, 2011. 357 с.

6. И.Г. Шайхиев, З.Т. Фазуллина, И.Ш. Абдуллин, И.Г. Гафаров, Вестник Казанского технологического университета, 15, 5, 107-109 (2012).

7. И.Г. Шайхиев, З.Т. Фасхутдинова, И.Ш. Абдуллин, С.В. Свергузова, Вестник Белгородского государственного технологического университета им. В.Г. Шухова, 1, 133-137 (2013).

8. З.Т. Фасхутдинова, И.Г. Шайхиев, И.Ш. Абдуллин, Вестник Казанского технологического университета, 17, 21, 220-222 (2014).

9. З.Т. Фасхутдинова, И.Г. Шайхиев, И.Ш. Абдуллин, Вода: химия и экология, 11 (65), 102-107 (2013).

10. И.Г. Шайхиев, З.Т. Фасхутдинова, И.Ш. Абдуллин, Ю.М. Ханхунов, ВестникВСГУТУ, 6 (45), 88-94 (2013).

11. И.Г. Шайхиев, К.И. Шайхиева, Вестник Казанского технологического университета, 18, 2, 445-449 (2015).

12. И.Г. Шайхиев, К.И. Шайхиева, Вестник технологического университета, 18, 5, 216-220 (2015).

13. И.Г. Шайхиев, Г.Р. Нагимуллина, Р.Х. Низамов, Все материалы, Энциклопедический справочник, 7, 19-27 (2008).

14. И.Г. Шайхиев, А.Н. Шмоткина, З.Т. Санатуллова, Вестник технологического университета, 14, 180-184 (2016).

15. Long-Tao Zhou, Guang Yang, Xue-Xia Yang, Zhang-Jun Cao, Mei-Hua Zhou, Environmental Science and Pollutant Research, 21, 5730-5736 (2014).

© А. Н. Шмоткина - магистр каф. инженерной экологии КНИТУ; И. Г. Шайхиев - д.т.н., зав. каф. инженерной экологии КНИТУ, ildars@inbox.ru; З. Т. Санатуллова - ассистент той же кафедры.

© A. N. Shmotkina - Master of the Department of Engineering ecology KNRTU; 1 G. Shaikhiev - Doctor of Engineering Sciences, Head of the Department of Engineering ecology KNRTU, ildars@inbox.ru; Z. T. Sanatullova - Assistant of the Department of Engineering ecology (the same University).

Все статьи номера поступили в редакцию журнала в период с 20.12.16. по 10.02.17.