CC BY
14
УДК 544.35+539.21
Загоскин П.С., Широких С.А., Королёва М.Ю., Юртов ЕВ.
ИЗУЧЕНИЕ СКОРОСТИ СОРБЦИИ НЕФТЕПРОДУКТОВ С РАЗЛИЧНОЙ ВЯЗКОСТЬЮ ВЫСОКОПОРИСТЫМИ СОПОЛИМЕРАМИ СТИРОЛА И ДИВИНИЛБЕНЗОЛА
Загоскин Павел Станиславович, студент 2 курса кафедры наноматериалов и нанотехнологии, e-mail: sulphurs@yandex. ru
Широких Сергей Александрович, магистрант 2 года кафедры наноматериалов и нанотехнологии Королёва Марина Юрьевна, д.х.н., профессор кафедры наноматериалов и нанотехнологии Юртов Евгений Васильевич, д.х.н., чл.-корр. РАН, профессор, заведующий кафедрой наноматериалов и нанотехнологии
Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева, Москва, Россия 125047 Москва, Миусская пл., д. 9
Было исследовано влияние вязкости нефтепродуктов на скорость их сорбции высокопористыми сополимерами стирола и дивинилбензола со средним диаметром пор 3,5 мкм. Установлено, что при повышении вязкости сорбируемой жидкости от 0,6 до 671,0 МПас, скорость сорбции в начальный момент времени уменьшается от 1,9 ± 0,1 до 0,09 ± 0,02 кг/(м2-с). Скорость сорбции воды составляет 0,01 кг/(м2с). Несмотря на снижение скорости сорбции с увеличением вязкости сорбируемой жидкости, скорость сорбции нефтепродуктов значительно превышает скорость сорбции воды. Поэтому такие сорбенты перспективны для очистки водных поверхностей при разливах нефтепродуктов.
Ключевые слова: пористый полимер, высокопористый сополимер стирола и дивинилбензола, скорость сорбции, высококонцентрированная обратная эмульсия
THE STUDY DEPENDENCE OF THE RATE OF SORPTION OF HIGHLY POROUS POLY(STYRENE-CO-DIVINYLBENZENE) THE OIL PRODUCTS WITH DIFFERENT VISCOSITY
Zagoskin P.S., Shirokikh S.A., Koroleva M.Yu., Yurtov E.V.
D. Mendeleev University of Chemical Technology of Russia, Moscow, Russia
The effect of the viscosity of petroleum products on their sorption rate by highly porous copolymers of styrene and divinylbenzene with an average pore diameter of 3.5 fim was studied. It was established that with an increase in the viscosity of the sorbed liquid from 0.6 to 671.0 MPa s, the sorption rate at the initial moment of time decreases from 1.9 ± 0.1 to 0.09 ± 0.02 kg / (m2-s). The rate of water sorption is 0.01 kg / (m2-s). Despite the decrease in the sorption rate with an increase in the viscosity of the sorbed liquid, the sorption rate of oil products significantly exceeds the sorption rate of water. Therefore, such sorbents are promising for cleaning water surfaces during oil spills.
Keywords: porous polymer, highly porous poly(styrene-co-divinylbenzene), sorption rate, highly concentrated W/O emulsion
Среди множества способов удаления тонких нефтяных плёнок, остающихся после первичной ликвидации последствий аварийных разливов нефтепродуктов, наибольший интерес представляет использование сорбентов. Так для очистки водной поверхности могут быть использованы высокопористые полимерные материалы. Данные материалы обладают рядом физико-химических свойств, которые дают возможность удалять тонкие плёнки нефти и нефтепродуктов с поверхности водных сред [1, 2].
Среди множества способов получения высокопористых полимерных материалов, можно выделить метод, основанный на полимеризации дисперсионной среды высококонцентрированных обратных эмульсий [3]. Использование данного метода позволяет модифицировать свойства пористых полимерных материалов, путем изменения
условий получения и состава исходных эмульсий [4,
5].
Для эффективного устранения загрязнения нефтепродуктами с водной поверхности необходимо, чтобы скорость сорбции органических веществ была выше скорости сорбции воды. При авариях разлитые нефтепродукты могут образовывать различные смеси. В зависимости от соотношения смешивающихся компонентов вязкость такой смеси может изменяться. В выполненной работе была исследована скорость сорбции высокопористым сополимером стирола и дивинилбензола нефтепродуктов с различной вязкостью.
Высокопористые полимерные материалы получали путем радикальной полимеризации дисперсионной среды высококонцентрированных обратных эмульсий. Дисперсионная среда эмульсии
состояла из смеси сомономеров стирола и дивинилбензола в объемном отношении 9:1. Доля дисперсной фазы составила 95 об.% от общего объема эмульсии. В состав дисперсионной фазы входил раствор пероксидисульфат аммония, который использовался в качестве инициатора радикальной полимеризации. Количество пероксидисульфата аммония составило 3 мас.% от массы сомономеров стирола и дивинилбензола. Для стабилизации получаемых эмульсий было использовано поверхностно-активное вещество сорбитанмоноолеат (Span 80) в количестве 0,5 об.% от общего объема эмульсии.
Для получения исходной эмульсии в сосуд с дисперсионной средой с помощью
перистальтического насоса добавляли водный раствор пероксодисульфата аммония со скоростью 3 мл/мин при непрерывном перемешивании верхнеприводной мешалкой со скоростью 1200 об/мин. После окончания добавления дисперсной фазы, сосуд с эмульсией помещали в печь, где при температуре 65°С проводилась радикальная полимеризация. После завершения процесса полимеризации полимерный материал подвергался термической сушке при той же температуре.
Для демонстрации структуры высокопористого сополимера стирола и дивинилбензола использовались микрофотографии, полученные с помощью сканирующего электронного микроскопа JSM-6510LV, JOEL. На рисунке 1 представлена микрофотография полученного высокопористого полимерного материала.
Рис. 1. Структура высокопористого сополимера стирола и дивинилбензола
Полученный полимерный материал, имеет два вида пор. Более крупные - поры-пустоты образуются при удалении дисперсионной фазы эмульсии, в процессе сушки высокопористого полимерного материала. Более мелкие - поры-отверстия, образовывались в местах частичной коалесценции капель эмульсии.
По подобным микрофотографиям определяли размер пор полученного сорбента. Средний диаметр пор образцов высокопористого сополимера стирола и дивинилбензола составил 3,5 мкм.
Влияние вязкости сорбируемой жидкости на скорость сорбции высокопористым полимерным материалом исследовали путем поглощения смеси керосина (К) и трансмиссионного масла (ТМ) в различных объемных соотношениях.
В таблице 1 представлены значения динамической вязкости сорбируемых жидкостей.
Таблица 1. Вязкость смеси керосина и трансмиссионного масла в различных объемных соотношениях
Соотношение К:ТМ Вязкость, МПа- с
1:0 0,6
1:1 1,1
1:3 2,3
1:9 5,7
0:1 671,0
На рисунке 2 представлена зависимость количества поглощенной жидкости от времени сорбции высокопористым сополимером стирола и дивинилбензола. На данных кривых сорбции смесей органических жидкостей присутствуют два участка. Первый с более высокой скоростью выпытывания и второй с более низкой, во время которого изменение количества поглощения сорбируемой смеси значительно меньше. Скорость сорбции рассчитывали по начальным участкам кинетических кривых поглощения жидкостей с различной вязкостью высокопористым полимерным
материалом.
О 15 30 45 60 75 90
Время, с
Рис. 2. Кинетические кривые сорбции
На рисунке 3 представлена зависимость скорости сорбции полимерным материалом от вязкости смеси керосина и трансмиссионного масла. Пунктирная линия на графике соответствует скорости сорбции бидистиллированной воды.
¡41'5,
Сч
I | 1.0 ■
I 8
С й-
Л а 0,5 ■
и о
£ 8-
| С 0,0 -•-•-■-■
0 1 10 100 1000 Вязкость сорбируемой жидкости. МПа-с
Рис. 3 Зависимость скорости сорбции в начальный период времени от вязкости сорбируемой жидкости
Из данной зависимости видно, что скорость сорбции в начальный момент времени высокопористым сополимером стирола и дивинилбензола уменьшалась от 1,9 ± 0,1 до 0,09 ± 0,02 кг/(м2с) с увеличением вязкости сорбируемой жидкости от 0,6 до 671 МПа с. Таким образом, скорость сорбции уменьшается с увеличением вязкости сорбируемой жидкости. Как можно видеть из приведенной выше кривой, несмотря на уменьшение скорости сорбции высокопористым полимерным материалом смесей органических жидкостей, данное значение не опустилось ниже значения скорости сорбции воды, из чего можно сделать вывод, что данный материал является эффективным сорбентом нефтепродуктов с поверхности воды.
Данная работа выполнена при финансовой поддержке Министерства образования и науки РФ
в рамках базовой части государственного задания контракт № № 10.4650.2017/6.7. При выполнении части данной работы было использовано оборудование ЦКП РХТУ им. Д.И. Менделеева.
Список литературы
1. 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. 176-177
2. 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
3. Чекрыгина М. Ю., Королёва М. Ю. Получение пористого полистирола на основе высококонцентрированных обратных эмульсий // Успехи в химии и химической технологии. — 2013. — Т. 27, № 6 (146). — С. 128-131.
4. Щербаков В. А., Салатова Ю. А., Хасанова Л. Х., Королёва М. Ю. Влияние сорбитанмоноолеата на структуру высокопористого полистирола, полученного на основе обратных высококонцентрированных эмульсий // Успехи в химии и химической технологии. — 2016. — Т. 30, № 12 (181). — С. 25-27.
5. 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 журнал. - 2018. - Т. 80. - №. 3. - С. 290-299.
