CC BY
37
УДК 628.316.12
И. Г. Шайхиев, А. Н. Шмоткина, З. Т. Санатуллова
ОЧИСТКА ВОДНЫХ СРЕД ОТ НЕФТИ И МАСЕЛ ОТХОДОМ ПТИЦЕВОДСТВА - ГУСИНЫМ ПУХОМ
Ключевые слова: гусиный пух, нефть, масло, сорбция.
Исследована возможность использования кератинсодержащего отхода птицеводства - гусиного пуха в качестве сорбционного материала нефти и масел. Определены значения максимального масло- и нефтепоглощения образцов исходного и мытого образцов гусиного пуха по отношению к маслам марок ТП-22 и И-20А и нефтям карбонового и девонского отложений Тумутукского месторождения. Определена эффективность извлечения нефтяных и масляных пленок с водной поверхности пуховыми перьями гусей. Найдено, что по нефтям эффективность удаления последних составляет более 99 %, по маслам - 99 %.
Keywords: goose feathers, petroleum, oil, sorbtion.
There was investigated possibility of usage keratin comprising retreats in aviculture - these are goose 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 goose feathers. It's found out that removing efficiency for some kinds ofpetroleum is more than 99%, for oils is 99 %.
Нефть и продукты ее переработки являются доминирующими поллютантами, попадающими в объекты окружающей нас природной среды. Особенно ощутимо воздействие нефтепродуктов (НП) на водные среды. Попадание НП в водные объекты приводит к нарушению кислородного баланса между атмосферой и гидросферой, снижению концентрации растворенного кислорода, гибели гидробионтов и др. 1 тонна нефти или НП способна загрязнить 12 км2 водной поверхности или же 1 млн. м3 воды [1].
Для минимизации антропогенного воздействия поллютантов на объекты природной среды, в том числе и водные объекты, применяются различные методы очистки сточных вод, в том числе и сорбционные. Последние применяются широко и для извлечения нефти и нефтепродуктов из водных сред. К основным достоинствам сорбционного метода относятся отсутствие вторичных загрязняющих веществ, возможность удаления поллютантов различного происхождения различных концентраций до полного удаления последних. Однако, несмотря на широкое практическое использование сорбционных методов в практике очистки производственных сточных вод, у названного метода существует и ряд недостатков, наиболее существенными из которых являются недостаточная сорбционная емкость сорбентов, дороговизна, отсутствие эффективных способов регенерации и утилизации и другие [2, 3].
В связи с вышеизложенным, в настоящее время в мировом сообществе стремительно развивается новое инновационное направление в практике очистки водных сред - использование в качестве реагентов для удаления поллютантов из сточных и природных вод отходов промышленного производства и от переработки
сельскохозяйственной продукции [4-10]. Последние, как правило, являются целлюлозосодержащими отходами переработки фруктов, овощей, злаковых и
лубяных культур. Однако, как показали проведенные исследования [11-15], последние имеют относительно невысокую сорбционную емкость по нефти и продуктам ее переработки. Гораздо большую нефте- и маслоемкость имеют кератинсодержащие отходы переработки шерсти. В частности, определено [16-20], что продукты переработки шерсти в валяльно-войлочном производстве, так называемые «кноп» и «угар», обладают высокими сорбционными
характеристиками по отношению к нефтям девонского и карбонового отложений и маслам различных марок.
Нефть и нефтепродукты при попадании в водные объекты могут находиться в последней в трех состояниях: в виде пленки на водной поверхности, в виде соответствующей эмульсии и в растворенном виде. Однако, использование кнопа и угара имеет недостаток - шерсть обладает высоким значением водопоглощения и при использовании в качестве сорбционного материала для удаления НП из водных сред наблюдается конкурирующая сорбция, которая способствует снижению нефтеемкости. В этой связи, представляет интерес исследовать кератинсодержащие отходы птицеводства. Ранее показано [21, 22], в частности, что куриные перья являются хорошими сорбционными материалами для удаления ионов тяжелых металлов и НП из водных сред. Названные сорбционные материалы, так же как и овечья шерсть, имеют недостаток -высокое водопоглощение. Исходя из вышеизложенного, вызывают интерес перья водоплавающих птиц, которые имеют на своей поверхности тонкий жировой слой, препятствующий проникновению воды.
В свете вышеизложенного, исследовались удаление нефти с водной поверхности с использованием в качестве сорбционных материалов гусиного пуха (рис. 1).
Рис. 1 - Внешний вид гусиного пуха
60
<и к аз
пз *
40 ^
о «
о а! и !=Г 2 %
II20
«и
о о,
с о
1
0,2
0,3
Толщина, мм
0,4
Рис. 2 - Гистограммы распределения образцов гусиного пуха по: а) длине; б) ширине; в) толщине
Последний образуется, в частности, в процессе ощипывания домашней птицы в фермерском хозяйстве Сафина А.И. (дер. Старый Минзелябаш, Сармановский район РТ). Гусиный пух использовался, как в нативной форме (ГП), так и после мытья для удаления загрязнений (МГП).
Первоначально определялся фракционный состав сорбционного материала. Бралось 100 частиц пуха и измерялась линейкой длина и ширина, а микрометром - толщина каждого образца. По результатам измерений строились гистограммы распределения частиц по вышеназванным показателям (рис. 2а-в)
Установлены средние размеры частицы пуха: длина - 79,35 мм, ширина - 28 мм, толщина - 0,3 мм. Первоначально определялись некоторые физико-механические показатели названных сорбционных материалов, которые приведены в таблице 1.
Таблица 1 - Некоторые физико-химические показатели гусиного и утиного пуха
Показатели мытый гусиный пух гусиный пух
Влажность Ж, % 12,46 11,54
Зольность З, % 0,69 0,74
Плавучесть Г, % 49,08 99,0
Как следует из приведенных в таблице 1 данных, мытье гусиного пуха способствует снижению показателя плавучести вдвое - с 99 до 49 %. По всей видимости, при удалении загрязнений в процессе мойки сорбционного материала удаляется и жировой покров с поверхности пуха, что приводит к названному явлению.
Таблица 2 - 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/см , 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
а
б
в
Первоначально определялась максимальная маслоемкость исследуемых сорбционных материалов по отношению к маслам марок «И-20А» и «ТП-22», некоторые показатели которых приведены в таблице 2.
Для определения значения максимального маслопоглощения в чашки Петри помещались латунные сетки и наливалось по 50 см3 исследуемого масла. Далее на поверхность НП вносился гусиный пух в количестве 0,5 гр. По истечении установленного промежутка времени образец сорбционного материала с поглощенным сорбатом снимался с помощью сетки и после стекания избыточного количества масла взвешивался на лабораторных весах.
Сорбционная емкость по маслу (А, г) определялась по формуле:
А = ГПпогл - Шсорб 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.
Время, мин
■исходный пух -■- мытый пух
а
Время, мин
—♦—исходный пух -■—мытый пух б
Рис. 3 - Зависимости изменения маслоемкости от вида гусиного пуха и времени контактирования: а) масла ТП-22, б) масла И-20А
Как следует из приведенных на рисунке 3 графиков 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 нативного пуха по маслу ТП-22 составили 26,545 и 28,674 г/г, по маслу И-20А - 23,671 и 25,860 г/г, соответственно.
Аналогичным образом проводились
эксперименты по определению максимального значения нефтеемкости. Для проведения экспериментов использовалась нефть карбонового и девонского отложений Тумутукского
месторождения (Республика Татарстан), добытая в НГДУ «Азнакаевскнефть» с показателями, приведенными в таблице 3.
Таблица 3 - Физико-химические показатели нефтей Тумутукского месторождения
№ Наименование показателя Значения
Нес )ть
Девонская Карбоно-вая
1 Плотность нефти при 15 °С, кг/м3 899,9 912,4
2 Плотность нефти при 20 °С, кг/м3 896,5 909,0
3 Массовая доля механических примесей, % 0,0046 0,0046
4 Массовая доля воды, % 0,06 0,06
5 Массовая доля серы, % 1,84 3,38
6 Массовая доля сероводорода, % менее 2 81,0
7 Давление насыщенных паров, кПа (мм. рт. ст.) 55,8 (419) 34,5 (259)
Зависимости изменения показателя
нефтепоглощения подобны таковым, приведенным на рисунках 3а, б.
В результате проведенных экспериментов найдено, что значение максимальной нефтеемкости по нефти карбонового отложений составило 38,5 и 33,3 г/г, для нефти девонского отложений - 29,4 и 25,6 г/г для исходного и мытого гусиного пуха, соответственно. Очевидно, что мытье пуха способствует снижению нефтеемкости, как уже указывалось ранее, за счет удаления жировой прослойки на поверхности реагента.
Как говорилось ранее, нефть и масла при попадании в водные объекты при отсутствии турбулизации 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 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 сито равномерным слоем помещалось 0,5 г исследуемого пуха. Образец последнего с помощью сита снимался через определенные промежутки времени (5, 15, 30, 45 и 60 минут) и, после стекания избыточного количества поглощенных нефти и воды, взвешивался на аналитических весах.
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
Таблица 4 - Значения поглощения воды, нефтей и
воронку сливалось 6 мл нефте(масло)загрязненной воды и добавляли 6 мл четыреххлористого углерода. Далее воронку с пробой интенсивно встряхивали в течение 30 секунд и давали отстояться в течение 3 минут. В результате образовалось 2 слоя: верхний -вода и нижний - нефть или НП с четыреххлористым углеродом. Нижний слой сливали в тигель и ставили на плитку испаряться. Далее тигель с испарившимся маслом взвешивали на аналитических весах. Значения количества сорбированной нефти и воды после 60-ти минутного контактирования приведены в таблице 4.
образцами гусиного пуха
Поллютант Суммарное значение нефте-и водопогло-щения, г/г Нефтепогло-щение, г/г Водопогло-щение, г/г Степень удаления нефти, %
Исходный гусиный пух
Нефть карбонового отложения 9,089 2,7087 6,3803 99,91
Нефть девонского отложения 8,302 2,5305 5,7715 99,86
Масло И-20А 8,447 2,6475 5,7995 99,87
Масло ТП-22 9,045 2,6075 6,4375 99,94
Мытый гусиный пух
Нефть карбонового отложения 11,302 2,7076 8,5944 99,87
Нефть девонского отложения 10,385 2,5256 7,8594 99,66
Масло И-20А 11,996 2,6466 9,3494 99,83
Масло ТП-22 10,423 2,6050 7,8180 99,85
Как следует из приведенных в таблице 4 данных, исходный гусиный 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 99,6 %.
Таким образом определены значения максимальной масло- и нефтеемкости для образцов исходного и мытого гусиного пуха. Показано, что оба сорбционных материала способствуют эффективному извлечению нефти и масел с водной поверхности и позволяют рекомендовать названные реагенты в качестве сорбционных материалов для удаления НП при аварийных разливах с поверхности воды и твердой поверхности.
Литература
1. А.А. Мухутдинов, Н.И. Борознов, Б.Г. Петров, Т.З. Мухутдинова, Д.К. Шаяхметов, Основы и менеджмент промышленной экологии, Магариф, Казань, 1998. 404 с.
2. К.К. Хамитова, Ч.С. Бейсенов, Б.Б. Демеев, В.В. Могильный, Вестник КазНУ, 2, 133-134 (2009).
3. Л.Ф. Долина, Сорбционные методы очистки производственных сточных вод, ДИИТ, Днепропетровск, 2000. 84 с.
4. R.K. Gautam, A. Mudhoo, G. Lofrano, M.C. Chattopadhyaya, Journal of Environmental Chemical Engineering, 2, 239-259 (2014).
5. M. Salman, M. Athar, U. Farooq, Reviews in Environmental Science and Bio/Technology, 14, 2, 211-228 (2015).
6. Z. Zhang, C. Li, E.G.R. Davies, Y. Liu, Water Environment Research, 85, 10, 1377-1451 (2013).
7. И.Г. Шайхиев, Все материалы. Энциклопедический справочник, 12, 29-42 (2008).
8. И.Г. Шайхиев, Вестник машиностроения, 4, 73-77 (2006).
9. И.Г. Шайхиев, Все материалы. Энциклопедический справочник, 3, 15-25 (2010).
10. И.Г. Шайхиев, Все материалы. Энциклопедический справочник, 4, 30-40 (2010).
11. И.Г. Шайхиев, С.В. Степанова, В.В. Доможиров, И.Ш. Абдуллин, Вестник Казанского технологического университета, 12, 110-117 (2011).
12. И.Г. Шайхиев, С.В. Степанова, С.М. Трушков, И.Ш. Абдуллин, Вестник Казанского технологического университета, 13, 129-135 (2011).
13. И.Г. Шайхиев, Э.М. Хасаншина, И.Ш. Абдуллин, С.В. Степанова, Вестник Казанского технологического университета, 8, 165-171 (2011).
14. И.Г. Шайхиев, Р.Х. Низамов, С.В. Степанова, С.В. Фридланд, Вестник Башкирского университета, 15, 2, 304-306 (2010).
15. С.В. Степанова, Р.Х. Низамов, И.Г. Шайхиев, С.В. Фридланд, Безопасность жизнедеятельности, 4, 28-31 (2010).
16. И.Г. Шайхиев, Р.Х. Низамов, И.Ш. Абдуллин, С.В. Фридланд, Защита окружающей среды в нефтегазовом комплексе, 4, 24-27 (2010).
17. И.Г. Шайхиев, Р.Х. Низамов, С.В. Степанова, Экспозиция Нефть Газ, 4, 11-14 (2010).
18. И.Г. Шайхиев, Г.Р. Нагимуллина, Р.Х. Низамов, Все материалы. Энциклопедический справочник, 7, 19-27 (2008).
19. 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).
20. З.Т. Фасхутдинова, И.Г. Шайхиев, И.Ш. Абдуллин, Вода: химия и экология, 11, 102-107 (2013).
21. И.Г. Шайхиев, К.И. Шайхиева, Вестник Казанского технологического университета, 18, 2, 445-449 (2015).
22. И.Г. Шайхиев, К.И. Шайхиева, Вестник Казанского технологического университета, 18, 5, 216-220 (2015).
© И. Г. Шайхиев - д.т.н., заведующий кафедрой инженерной экологии Казанского национального исследовательского технологического университета, ildars@inbox.ru; А. Н. Шмоткина - магистр той же кафедры; З. Т. Санатуллова - ассистент той же кафедры.
© 1 G. Shaikhiev - Doctor of Engineering Sciences, Head of the Department of Engineering ecology Kazan National Research University of Technology, ildars@inbox.ru; A. N. Shmotkina - Master of the Department of Engineering ecology (the same University); Z. T. Sanatullova - Assistant of the Department of Engineering ecology (the same University).
Все статьи номера поступили в редакцию журнала в период с 01.06.16. по 20.07.16.
