CC BY
20
УДК 628.543.5.665
З. Т. Фасхутдинова, И. Г. Шайхиев, И. Ш. Абдуллин
ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ МЕТОДА ОЧИСТКИ МАСЛОСОДЕРЖАЩИХ СТОЧНЫХ ВОД МОДИФИЦИРОВАННЫМИ ОТХОДАМИ ВАЛЯЛЬНОГО ПРОИЗВОДСТВА
Ключевые слова: масло компрессорное, отход валяльно-войлочного производства, удаление с водной поверхности,
модификация плазмой.
Исследованы сорбционные характеристики отхода валяльно-войлочного производства (угар) по отношению к компрессорному маслу марки КС-19. Показано, что обработка угара высокочастотной плазмой пониженного давления способствует увеличению маслоемкости и гидрофобности. Найдено, что плазменная обработка не изменяет структуры биополимеров кератина шерсти и целлюлозных составляющих, входящих в состав угара, а лишь изменяет структуру поверхности.
Keywords: compressor oil, the departure walk-tomentose production, removal from the water surface, the modification of the plasma.
Sorption characteristics of the waste walk-tomentose production (ugar) in relation to the grade of compressor oil KS-19. It is shown that the treatment of ugar with plasma high-low pressure helps to increase oil absorption and hydrophobicity. We found that plasma treatment does not alter the structure of biopolymers keratin wool and cellulose components that make up ugar, but only changes the structure of the surface.
Наиболее эффективным способом очистки поверхностных вод от разливов нефти и нефтепродуктов является сорбционная очистка. В качестве сорбентов используются материалы природного и искусственного происхождения, обладающие высокой нефтеемкостью. Однако, сдерживающим фактором использования сорбентов для ликвидации разливов нефтепродуктов является их относительная дороговизна. В связи с этим, актуальной становится задача поиска эффективных и дешевых сорбционных материалов (СМ) для удаления нефти и продуктов ее переработки с водной и земной поверхности. Особый интерес в этом плане представляют альтернативные реагенты из отходов промышленного и
сельскохозяйственного производства.
Ранее [1] было показано, что кноп, отход производства валяльно-войлочных изделий, обработанный в потоке высокочастотной (ВЧ) плазмы пониженного давления, является хорошим СМ для извлечения нефтей [1, 2] и технических масел [3-5] с твердой и водной поверхности.
В связи с вышеизложенным, исследована возможность использования в качестве СМ для удаления масел из водных сред угара - отхода валяльно-войлочного производства, который образуется при очистке шерсти, засоренной репьем. Угар имеет в составе репейные остатки и волокна шерсти большей длины, чем волокна кнопа. Содержание шерсти в угаре составляет 54 %, целлюлозных растительных остатков - 46 %.
Исследованы сорбционные характеристики угара по отношению к маслу марки КС-19, входящему в состав промышленных стоков.
Первоначально определялись значения маслоемкости в статических и динамических условиях и максимального водопоглощения, которые составили 21,13 г/г; 11,18 г/г и 3,98 г/г соответственно.
С целью увеличения маслоемкости и снижения водопоглощения исследуемого СМ, проводилась обработка угара в потоке высокочастотной (ВЧ) плазмы пониженного давления. Исследовалось влияние ВЧ низкотемпературной плазменной обработки СМ на его сорбционные свойства по отношению к маслу марки КС-19, также на увеличение гидрофобности. Первоначально в качестве плазмообразующих газов использовались воздух, смеси пропана с бутаном, аргона с воздухом, аргона с пропаном в соотношениях 70:30. Режимы плазмообработки соответствуют приведенным в работах [3-5].
Полученные после плазмообработки образцы угара использовались для определения маслоемкости по отношению к маслу марки КС-19 в статических и динамических условиях. Полученные данные приведены в таблице 1, из которых следует, что плазмообработка угара способствует повышению его максимальной маслоемкости по исследуемому сорбату и снижению водопоглощения.
Масло образует на поверхности воды плавающий слой. При нанесении реагента на эту поверхность вместе с поглощением масла происходит также поглощение воды, что уменьшает маслоемкость СМ. В этой связи в последующем исследовалось влияние параметров плазменной обработки на водо- и маслопоглощение угара. Для проведения экспериментов на поверхность воды при 20 0С приливалось 3 мл исследуемого масла, и наносился 1 г исследуемого СМ. По окончании контактирования угар с поглощенной водой и маслом удалялся, а остаточное количество масла в воде определялось экстракцией последнего СС14, что позволило определить количество сорбированного масла и воды.
Таблица 1 - Значения максимальной маслоемкости и водопоглощения
плазмообработанных образцов угара в статических и динамических условиях
Режим Маслоемкость, г/г Максималь-
плаз- Статичес- Динами- ное
мообработки кие ческие водопоглоще-
условия условия ние, г/г
1 23,18 11,98 1,15
2 22,91 11,75 1,42
3 22,83 11,84 1,34
4 22,13 11,56 1,29
5 22,56 11,73 1,45
6 22,80 11,81 1,32
7 23,24 11,95 1,07
8 22,76 11,69 1,48
9 22,58 11,78 1,35
10 22,43 11,88 1,40
Угар 21,13 11,18 3,98
Таблица 2 - Значения масло- и водопоглощения для образцов угара в экспериментах с маслом марки КС-19 (количество масла 5 и 7 мл)
№ образца Суммарное поглощение масла и воды, г/г Масло-поглощение, г/г Водо-поглощение, г/г Степень удаления масла, %
Объем масла на поверхности воды 5 мл (4,49 г)
Угар 11а 17а 17б 6,91 5,42 5,39 5,39 4,40 4.49 4.50 4,49 2,51 0,93 0,89 0,90 97,13 99,12 99,34 99,12
Объем масла на поверхности воды 7 мл (6,28 г)
Угар 11а 17а 17б 8,03 7,10 6,89 6,99 5,98 6.27 6,30 6.28 2,05 0,83 0,59 0,71 94,32 98,90 99,37 99,05
Выявлено, что наибольшей степенью удаления масла и гидрофобностью обладают образцы угара, обработанные в режимах № 1 и 7, т.е. подвергнутые ВЧ плазменной обработке в атмосфере аргона с пропаном и пропана с бутаном.
В связи с вышеизложенным, в дальнейшем проводилась обработка еще 30 образцов СМ путем варьирования значений !а, Ца, и t в атмосфере, как смеси пропана с бутаном, так и в смеси аргона с пропаном, в соотношениях 70:30 соответственно. Образцам угара, обработанным ВЧ плазмой пониженного давления в атмосфере смеси аргона с пропаном присвоены обозначения 11а-25а, пропана с бутаном - 11б-25б, соответственно. Подвергнутые обработке плазмой образцы СМ исследовались для удаления исследуемого сорбата в количестве 3 мл с водной поверхности. Условия проведения эксперимента описаны ранее. Найдено, что обработка угара в среде смеси газов аргона с пропаном и пропана с бутаном способствует снижению сорбции воды и увеличению поглощения масла, т. е. придает гидрофобные свойства поверхности исследуемого СМ и увеличивает олеофильность. Данное обстоятельство
подтверждается снижением значений
максимального водопоглощения, полученных в экспериментах с дистиллированной водой. Найдено, что наилучшие гидрофобные показатели достигнуты образцами угара, обработанными ВЧ плазмой пониженного давления в режимах № 11а, 17а и 17б. Ввиду того, что степень удаления масла исследуемыми СМ достаточно высока, в последующих экспериментах объем масла марки КС-19 на поверхности воды увеличивался до 5 и 7 мл на 50 мл воды. Исследовалось действие образцов угара, обработанных ВЧ плазмой при вышеназванных режимах. Методика проведения эксперимента соответствовала описанной ранее. Время контактирования сорбата с СМ составило 15 минут, дальнейшее увеличение взаимодействия, как показали проведенные эксперименты, не влияло на изменение сорбционных показателей образцов угара. Полученные значения водопоглощения приведены в таблице 2.
Как видно из приведенной таблицы 2, наибольшая степень очистки от масла марки КС-19 и наименьшее водопоглощение наблюдается при использовании угара, обработанного плазмой в атмосфере смеси аргона с пропаном в режиме № 17 а.
Степень удаления исследуемого масла при использовании плазмообработанных образцов угара превысила 99 %. Обработка плазмой способствует уменьшению значения водопоглощения по сравнению с немодифицированным угаром.
Идентичность химического строения биополимеров исходного и образцов угара, обработанных высокочастотной плазмой в гидрофобном режиме в смеси пропана и бутана в соотношении 70:30, подтверждается данными ИК-спектроскопии. Проанализировав спектральные картины, найдено, что плазменная обработка в гидрофобном режиме не отражается на химическом составе волос шерсти и целлюлозных остатков, но изменяется их реакционная способность, что выражается в изменении интенсивности полос поглощения. В частности, увеличение интенсивности пика в области 3600-3000 см-1 свидетельствует об увеличении количества межмолекулярных водородных связей с -ОН -группами, что способствует дополнительному структурированию кератина шерсти и целлюлозных составляющих угара.
Подтверждением вышесказанному служат исследования исходного и плазмообработанного угара и компонентов, входящих в его состав методом рентгеноструктурного анализа (РСА), которым показано, что более кристаллической структурой обладает исследуемый СМ, модифицированный в потоке плазмы (режим 17а). Исходный угар имеет более выраженную аморфную структуру.
Обработка угара плазмой приводит к изменению структуры поверхности СМ. При воздействии на поверхность шерстяного волокна потока плазмы в гидрофобном режиме происходит сглаживание чешуек волосков шерсти.
Вышеприведенные исследования свойств исходного угара и образцов угара, обработанных высокочастотной плазмой, показали, что варьируя параметрами плазменной обработки можно различным образом изменять активность функциональных групп кератина шерсти и целлюлозных составляющих угара, вызывая повышение или понижение их реакционной способности, не приводящих к изменению в их составе.
Таким образом, определены параметры ВЧ плазмы пониженного давления, при обработке которой образцов угара достигаются наибольшая степень удаления масла марки КС-19 с водной поверхности и наименьшее водопоглощение: плазмообразующий газ - смесь аргона с пропаном в соотношении 70:30, давление в рабочей камере Р = 26,6 Па, сила тока на аноде 1а = 0,4 А, напряжение
на аноде иа = 2,5 кВ, расход плазмообразующего газа Р = 0,06 г/сек, время обработки 1 = 1 минута.
Литература
1. И.Г. Шайхиев, Р.Х. Низамов, И.Ш. Абдуллин, Защита окружающей среды в нефтегазовом комплексе, 4, 24-27 (2010).
2. И.Г. Шайхиев, Р.Х. Низамов, С.В. Степанова, Экспозиция. Нефть. Газ, 4, 11-14 (2010).
3 И.Г. Шайхиев, З.Т. Фазуллина, И.Ш. Абдуллин, И.Г. Гафаров, Вестник Казанского технологического университета, 19, 42-48 (2011).
4. И.Г. Шайхиев, З.Т. Фазуллина, И.Ш. Абдуллин, И.Г. Гафаров, Вестник Казанского технологического университета, 4, 126-128 (2012).
5. И.Г. Шайхиев, З.Т. Фазуллина, И.Ш. Абдуллин, И.Г. Гафаров, Вестник Казанского технологического. университета, 5, 105-109 (2012).
© З. Т. Фасхутдинова - асп., асс. каф. инженерной экологии КНИТУ, zemka511@yandex.ru; И. Г. Шайхиев - д-р. техн. наук, проф., зав. каф. инженерной экологии КНИТУ, ildars@inbox.ru; И. Ш. Абдуллин - д-р техн. наук, проф., проректор КНИТУ по научной работе, abdullin_i@kstu.ru.
© Z. T. Faskhutdinova, P.G., assistant of the department of environmental engineering KNRTU, zemka511@yandex.ru; 1 G. Shaikhiev, D. Sc. Engineering, Prof., head of the department of environmental engineering KNRTU,ildars@inbox.ru; 1 Sh. Abdullin, D. Sc. Engineering, Prof., vice rector for research KNRTU; abdullin_i@kstu.ru.
