Отходы переработки льна в качестве сорбентов нефтепродуктов. 3. Влияние высокочастотной низкотемпературной плазмы на нефтепоглощение и гидрофобность Текст научной статьи по специальности «Химические технологии»

УДК 628.543.5.665

ОТХОДЫ ПЕРЕРАБОТКИ ЛЬНА В КАЧЕСТВЕ СОРБЕНТОВ НЕФТЕПРОДУКТОВ.

3. ВЛИЯНИЕ ВЫСОКОЧАСТОТНОЙ НИЗКОТЕМПЕРАТУРНОЙ ПЛАЗМЫ НА НЕФТЕПОГЛОЩЕНИЕ И ГИДРОФОБНОСТЬ

© И. Г. Шайхиев, Э. М. Хасаншина, С. В. Степанова*, И.Ш.Абдуллин

Казанский государственный технологический университет Россия, Республика Татарстан, 420015 г. Казань, ул. К. Маркса, 58.

Тел.: +7 (843) 231 40 97.

E-mail: [email protected]

Исследовано влияние высокочастотной низкотемпературной плазмы на сорбционные и гидрофобные свойства льняной костры. Показано, что плазменная наномодификация позволяет увеличить нефтепоглощение альтернативного сорбента и придает льняной костре гидрофобные свойства.

Ключевые слова: льняная костра, высокочастотная низкотемпературная плазма, модификация, нефтепоглощение, гидрофобность.

Наиболее эффективным средством очистки поверхностных вод от розливов нефти и нефтепродуктов является сорбционная очистка. В качестве сорбентов используются материалы природного и искусственного происхождения, обладающих высокой нефтеемкостью.

Однако сдерживающим фактором использования сорбентов для ликвидации розливов нефтепродуктов является их относительная дороговизна. В этой связи, особенно в настоящее время, актуальным становится задача поиска эффективных и дешевых сорбентов нефти и продуктов ее переработки. Особый интерес в этом плане представляют альтернативные реагенты из отходов промышленного и сельскохозяйственного производства.

Ранее [1] было показано, что льняная костра, которая образуется в льноперерабатывающей промышленности при трепании и чесе льна, является хорошим сорбентом нефти и продуктов ее переработки. Но при нанесении сорбента на нефтепродукт, образующий на поверхности воды плавающий слой, вместе с поглощением нефтепродукта происходит также поглощение воды, что уменьшает нефтепог-лощение сорбента. Повышение последнего показателя возможно, по данным литературных источников, с помощью модификации сорбентов [2-5].

В свете вышеизложенного было исследовано влияние высокочастотной низкотемпературной плазменной обработки льняной костры на ее сорбционные свойства по отношению к нефти и гидрофобные свойства.

Модификация проводилась в высокочастотном генераторе, предназначенном для получения низкотемпературной плазмы, используемой для модификации натуральных высокомолекулярных материалов. Входные параметры плазменной установки изменялись в следующих пределах: давление в рабочей камере (Р) - от 13.3 до 26.6 Па, расход плазмообразующего газа ^) - от 0.02 до 0.06 г/с, мощность разряда (И) - от 1.5 до 7.5 кВт, сила тока (I) - от 0.3 до 0.8 А, время обработки (/) - от 1 до 30 мин.

Для проведения экспериментов использовалась нефть карбонового происхождения, добытая в НГДУ «Елховнефть» ОАО «Татнефть».

Первоначально было исследовано влияние плазмообразующего газа на нефтеемкость и водо-поглощение модифицированной льняной костры. Для модификации сорбента в качестве плазмообразующего газа использовались воздух, аргон, смесь аргона с воздухом в соотношении 70:30, смесь аргона с пропаном в соотношении 70:30.

Режимы, при которых проводилась модификация, приведены в табл. 1.

Таблица 1

Режимы модификации льняной костры

Режимы модификации Г аз-носитель Соотношение P, Па I, А U, кВт t, мин Q, г/сек

1 Аргон

2 Аргон-воздух 70:30 26.6 0.5 7.5 1 0.06

3 Аргон-пропан 70:30

4 Воздух -

5 Аргон -

6 Аргон-воздух 70:30 13.3 0.5 7.5 1 0.02

7 Аргон-пропан 70:30

8 Воздух -

9 Аргон-воздух 70:30 26.6 0.8 7.5 30 0.06

10 Аргон-пропан 70:30

* автор, ответственный за переписку

Полученные после плазменной обработки мо-дификаты льняной костры использовались для исследования сорбции нефти с водной поверхности.

Сущность проведения эксперимента заключалась в следующем: в чашки Петри помещалось предварительно взвешенное круглое латунное сито с диаметром немного меньше внутреннего диаметра чашки Петри и наливалось 50 мл дистиллированной воды. Затем на водную поверхность приливалось 3 мл нефти для имитации нефтяного загрязнения. Соответственно масса нефти в чашке Петри с учетом плотности составляла 2.703 г. Учитывая тот факт, что плотность нефти меньше плотности воды и они нерастворимы, вся прилитая нефть находилась над поверхностью водного слоя. Далее в каждую чашку равномерным слоем насыпался 1 г исследуемого сорбента. По истечении определенного периода времени латунное сито с сорбентами и сорбированной на их поверхности нефтью и поглощенной водой извлекалось, давалось время для стекания излишков последних и взвешивались. По разнице масс определялось масса сорбированных на поверхности реагента нефти и поглощенной воды. По полученным данным строились графики зависимости изменения массы сорбированных нефтепродуктов и воды от времени контакта с тем или иным сорбентом.

На рис. 1 приведены кривые зависимости поглощения воды и нефти в зависимости от времени контакта с немодифицированной кострой и образцом модификата №1.

Как видно, кривые поглощения, приведенные на рис. 1, имеют гиперболический вид. Очевидно, что насыщение сорбентов нефтью и водой наступает после 15 мин начала контактирования и масса сорбированных нефти и поглощенной воды составляет для исходной костры - 3.789 г/г; для модифицированной костры - 3.215 г/г. Для остальных модификатов льняной костры наблюдалась аналогичная картина.

4.0

3.5

§ 2.0

И : //

§ 15 Ч И ю I /

О : I

V 0.5 I

0.0 ..............................................

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

Время, мин

—•— образец модификата №1 —■— исходная костра

Рис. 1. Зависимость суммарного поглощения нефти и воды от времени контакта и вида сорбента.

В последующем определялась остаточная концентрация нефти в чашке Петри после удаления сорбента, что давало возможность определить неф-тепоглощение реагента в эксперименте и количество сорбированной воды исследуемыми сорбентами.

На рис. 2 приведены кривые поглощения нефти в зависимости от времени контакта с сорбентами.

Очевидно, что последние имеют практически одинаковое значение нефтепоглощения и насыщение сорбатом происходит в течение первых 15 мин контактирования с сорбентом. Соответственно, найденные значения нефтепоглощения составляли для исходной льняной костры - 2.699 г/г; для образца костры, обработанной в режиме № 1 - 2.698 г/г сорбента.

Кривые зависимости количества сорбированной воды на поверхности реагентов приведены на рис. 3, из которых видно, что масса поглощенной воды зависит от вида сорбента и времени контакта. Значение названного параметра для исходной костры составило 1.090 г/г и несколько больше, чем данный показатель для модификата № 1 (0.517 г/г сорбента).

3.0

Рис. 2. Зависимость нефтепоглощения от времени контакта и вида сорбента.

Таблица 2

Значения нефтеемкости и водопоглощения для модификатов по отношению к нефти карбонового происхождения

№ образца модификата Суммарное значение поглощенной воды и нефти, г/г Водопоглощение, г/г Нефтепоглощение, г/г Степень удаления нефти, %

1 3.215 0.517 2.698 99.81

2 3.159 0.456 2.703 100.00

3 3.162 0.465 2.697 99.77

4 3.256 0.559 2.697 99.77

5 3.153 0.453 2.700 99.88

6 3.123 0.422 2.701 99.92

7 3.298 0.606 2.692 99.59

8 3.421 0.722 2.699 99.85

9 3.039 0.337 2.702 99.96

10 3.134 0.433 2.701 99.92

Исходная костра 3.789 1.090 2.699 99.85

Рис. 3. Зависимость водопоглощения от времени контакта и вида сорбента.

Очевидно, что обработка в поле высокочастотной низкотемпературной плазмы приводит к проявлению сорбентом гидрофобных свойств, что наглядно видно при рассмотрении рис. 3. Для подтверждения данного утверждения был проведен параллельный эксперимент с дистиллированной водой. Значения водопоглощения исходной костры и ее модификатов приведены в табл. 3, из которых видно, что плазменная обработка приводит к увеличению гидрофобных свойств сорбента.

Как видно из приведенных в табл. 2 и 3 данных, наилучшими гидрофобными свойствами обладают образцы льняной костры, модифицированные в атмосфере аргона и смеси аргона с воздухом. При использовании этих образцов наблюдалось практически полное удаление нефти с поверхности воды.

В связи с вышеизложенным в дальнейшем была проведена модификация еще 24 образцов льняной костры путем изменения мощности ВЧ разряда, силы тока, давления в разрядной камере, длительности обработки в атмосфере, как аргона, так и в смеси аргона с воздухом в соотношении 70:30. Режимы проведения модификации приведены в табл. 4. Образцы костры, модифицированные в

атмосфере аргона, имеют обозначение 11а-22а, обработанные в атмосфере смеси аргона с воздухом -11 б-22б соответственно.

Полученные значения суммарного количества сорбированной воды и нефти, нефтепоглощения и количества поглощенной воды модификатами льняной костры приведены в табл. 5 и 6.

Таблица 3

Значение показателя водопоглощения для первых 10 модификатов льняной костры

№ образца модификата

Водопоглощение, г/г

1 2.111

2 1.938

3 2.689

4 3.310

5 2.710

6 1.211

7 1.544

8 1.854

9 1.120

10 2.000

ая костра 3.569

Таблица 4

Режимы проведения модификации в атмосфере аргона и смеси аргон-воздух (70:30)

№ режима Изменяемые параметры

модификации Р, Па I, А И, кВт 1, мин Q, г/сек

11 26.6 0.6 1.5 1

12 26.6 0.6 2.0 1

13 26.6 0.6 2.5 1

14 26.6 0.6 3.0 1

15 26.6 0.3 1.5 1

16 26.6 0.4 1.5 1 П 0.06

17 26.6 0.5 1.5 1

18 26.6 0.8 1.5 1

19 26.6 0.6 1.5 5

20 26.6 0.6 1.5 10

21 26.6 0.6 1.5 20

22 26.6 0.6 1.5 30

Таблица 5

Значения нефтепоглощения и количества сорбированной воды для модификатов льняной костры, обработанных плазмой в

атмосфере аргона (11а-22а) и в смеси аргона с воздухом (11 б-22б)

№ образца модификата Суммарное значение количества сорбированной воды и нефтеемкости, г/г Количество сорбированной воды, г/г Нефтепогло-щение, г/г Степень удаления нефти, %

11а/ 11б 2.803 / 2.782 0.103 / 0.080 2.700 / 2.702 99.88 / 99.963

12а/ 12б 2.963 / 3.671 0.261 / 0.970 2.702 / 2.701 99.96 / 99.926

13а / 13 б 3.376 / 3.141 0.676 / 0.442 2.700 / 2.699 99.88 / 99.852

14а/14б 3.267 / 3.121 0.566 / 0.418 2.701 / 2.703 99.92 / 100

15а/ 15б 3.976 / 3.301 1.275 / 0.598 2.701 / 2.703 99.92 / 100

16а / 16 б 4.264 / 3.201 1.562 / 0.504 2.702 / 2.697 99.96 / 99.778

17а/17б 3.376 / 4.510 0.675 / 1.807 2.701 / 2.703 99.92 / 100

18а/ 18б 3.678 / 2.981 0.978 / 0.279 2.700 / 2.702 99.88 / 99.963

19а/19б 3.089 / 3.190 0.387 / 0.488 2.702 / 2.702 99.96/ 99.963

20а/20б 2.788 / 3.152 0.086 / 0.453 2.702 / 2.699 99.96 / 99.852

21 а / 21 б 3.108 / 2.760 0.405 / 0.060 2.703 / 2.700 100 / 99.889

22а / 22б 2.954 / 2.854 0.251 / 0.157 2.703 / 2.697 100 / 99.778

Льняная костра 3.789 1.090 2.699 99.85

Таблица 6

Значение показателя водопоглощения модификатов, обработанных плазмой в атмосфере аргона (11а-22а) и в смеси аргона с воздухом (11 б-22б)

№ образца модификата

Водопоглощение, г/г

11а/ 11б 1.356 / 1.564

12а / 12б 1.411 / 1.654

13а/13б 1.486 / 1.954

14а / 14б 1.531 / 1.479

15а/ 15б 1.601 / 1.996

16а/ 16б 1.094 / 1.702

17а/17б 1.632 / 1.563

18а / 18б 1.600 / 1.466

19а/19б 1.311 / 1.643

20а / 20б 1.412 / 2.467

21 а / 21 б 0.810 / 1.799

22а / 22б 1.190 / 2.377

Льняная костра

3.569

Как видно, из табл. 5, полученные результаты количества сорбированной воды на поверхности модифицированных образцов костры значительно меньше, чем исходного образца. Обработка реагента низкотемпературной плазмой способствует уменьшению значения водопоглощения для неко-

торых образцов более чем в 10 раз по сравнению с немодифицированным образцом костры.

Сравнивая данные по водопоглощению, видно, что модифицирование льняной костры в атмосфере аргона лучше, так как после проведения модификации происходит более существенное уменьшение значений количества сорбированной воды реагентами.

Ввиду того, что степень удаления нефти в проведенных экспериментах исследуемыми реагентами превышает 98%, было решено увеличить объем нефти до 7 мл на 50 мл дистиллированной воды и исследовать действие сорбентов, обработанных при наиболее оптимальных режимах.

Были выбраны 3 режима плазменной обработки сорбента (режимы 11 б, 20а и 21 б, параметры которых приведены в табл. 4).

Методика проведения эксперимента соответствовала описанному ранее. Соответственно, масса карбоновой нефти на поверхности воды в чашке Петри составила 6.31 г.

Полученные показатели суммарной сорбционной емкости, нефтепоглощения и количества поглощенной воды модификатами костры приведены в табл. 7.

Таблица 7

Значения нефтеемкости и водопоглощения для модификатов по отношению нефти карбонового происхождения

№ образца модификата Суммарное значение поглощенной воды и нефти, г/г Водопоглощение, г/г Нефтепоглощение, г/г Степень удаления нефти, %

11б 5.450 0.049 5.401 85.59

21 б 5.416 0.025 5.391 85.44

20а 5.458 0.041 5.417 85.85

Исходная костра 5.660 0.419 5.241 83.06

Степень удаления нефти при использовании модифицированных образцов составила более 85.4 %, при использовании немодифицированной льняной костры степень очистки составляет несколько более 83 %. Модификация способствует уменьшению значения водопоглощения в 8-16 раз по сравнению с немодифицированной льняной кострой. Наибольшая степень очистки от нефти карбонового происхождения наблюдается при использовании образца модификата № 20а (85.85 %).

Проведенные исследования показали, что обработка льняной костры низкотемпературной высокочастотной плазмой приводит к улучшению гидрофобных свойств сорбента и способствует некоторому увеличению количества поглощаемой нефти.

Определены оптимальные параметры для модификации сорбента, при которых достигаются максимальные значения нефтепоглощения и минимальные значения водопоглощения. Наилучшие гидрофобные свойства модификата костры проявляются при обработке реагента при следующих режимах обработки плазмой: плазмообразующий газ - смесь аргона с воздухом в соотношении 70:30, давление в рабочей камере Р - 26.6 Па, расход плазмообразующего газа Q - 0.06 г/с, мощность разряда И - 1.5 кВт, сила тока I - 0.6 А, время обработки t - 20 мин.

Определены оптимальные параметры для модификации сорбента, при которых достигаются максимальные значения нефтеемкости: плазмообразующий газ - аргон, давление в рабочей камере Р - 26.6 Па, расход плазмообразующего газа Q - 0.06 г/с , мощность разряда И - 1.5 кВт , сила тока I - 0.6 А, время обработки t - 10 мин.

ЛИТЕРАТУРА

1. Степанова С. В. Использование отходов растительного происхождения в качестве сорбентов нефти // Безопасность жизнедеятельности. 2010. №4. С. 28-31.

2. Низамов Р. Х. Исследование влияния плазменной модификации льняной костры на сорбционные характеристики при удалении нефтей с водной поверхности // Тезисы доклада IV научной конференции «Промышленная экология и безопасность», Казань, 2009. С. 84-85.

3. Елинсон И. С. Синтез и свойства новых сорбционных материалов на основе льняной костры // Труды 3-ей научно-техн. конференции «Ресурсосберегающие и экологически чистые технологии», Гродно. 1998. С. 169-174.

4. Хамматова В. В. Исследование физико-химических характеристик текстильных материалов после воздействия плазмы ВЧЕ-разряда // Известия ВУЗов. Технология текстильной промышленности. 2005. №1. С. 22-25.

5. Абдуллин И. Ш. Влияние потока низкотемпературной плазмы на гигроскопические свойства текстильных материалов из натуральных волокон // Материаловедение. 2006. №8. С. 33-37.

Поступила в редакцию 23.12.2009 г.