Применение сорбентов, полученных из растительных отходов, для поглощения нефтепродуктов Текст научной статьи по специальности «Химические технологии»

УДК 541-183

DOI 10.18101/2306-2363-2018-4-30-35 ПРИМЕНЕНИЕ СОРБЕНТОВ, ПОЛУЧЕННЫХ

ИЗ РАСТИТЕЛЬНЫХ ОТХОДОВ, ДЛЯ ПОГЛОЩЕНИЯ НЕФТЕПРОДУКТОВ

© С. В. Бадмаева

кандидат химических наук, научный сотрудник лаборатория инженерной экологии Байкальский институт природопользования СО РАН 670047, Улан-Удэ, ул. Сахьяновой, 6 E-mail: sbadm@mail.ru

© Э. Ц. Дашинамжилова

кандидат химических наук, ведущий инженер лаборатория инженерной экологии

Байкальский институт природопользования СО РАН, Россия 670047, Улан-Удэ, ул. Сахьяновой, 6 E-mail: edash@binm.ru

© С. Ц. Ханхасаева

доктор химических наук, профессор, ведущий научный сотрудник лаборатория инженерной экологии

Байкальский институт природопользования СО РАН, Россия 670047, Улан-Удэ, ул. Сахьяновой, 6 Бурятский государственный университет E-mail: shan@binm.ru

Получены сорбенты из растительных отходов (солома и листовой опад) активированием растворами гидроксида и карбоната натрия, а также термообработкой их в атмосфере аргона. На примере дизельного топлива определена нефтеемкость полученных материалов. Установлено, что термообработка исходных и активированных материалов приводит к увеличению значений нефтеемкости. Показано, что наибольшей нефтеемкостью обладает образец, полученный путем активирования соломы раствором Na2CO3 и последующей термообработки в атмосфере аргона. Данный образец является сравнимым по нефтеемкости с известными промышленными сорбционными материалами.

Ключевые слова: сорбенты, растительные отходы, нефтепродукты, нефтеемкость, деполимеризация, адсорбция, лигнин.

К числу наиболее распространенных токсичных загрязнителей окружающей среды относятся нефть и нефтепродукты. Загрязнение водных объектов и почв нефтепродуктами обусловлено ненадлежащим соблюдением экологических норм предприятиями, занимающимися добычей и переработкой нефти, хранением нефти и нефтепродуктов, перевозкой их железнодорожным и водным транспортом, а также автозаправочными комплексами. Нефтепродукты представляют собой сложную смесь алифатических, ароматических и полициклических углеводородов, которые обладая токсическими и канцерогенными свойствами, оказывают негативное влияние на экологическое состояние водоемов и почв и обитающих в них живых организмов [1]. В соответствии с [2] нефть и нефтепродукты

относятся к третьему классу опасности, а их предельно-допустимая концентрация составляет 0.05 мг/л в водах водных объектов рыбохозяйственного значения.

Проблема охраны окружающей среды является особо актуальной для Байкальского региона и регулируется законом РФ «Об охране озера Байкал», так как озеро Байкал включено в список участков мирового природного наследия ЮНЕСКО. Основными источниками нефтепродуктов в объекты окружающей среды являются промышленные предприятия, котельные, воздушные массы, поступающие с территории Иркутско-Черемховского и Южно-Байкальского промышленных узлов [3]. Кроме того, значительную роль в загрязнении Байкала нефтепродуктами играет судоходство, насчитывающее более 2500 различных плавсредств, которые осуществляют сброс балластных вод, состоящих из хозяйственно-бытовых и нефтесодержащих (подсланевых) вод. По различным данным ежегодно с судов в озеро Байкал попадает около 160-250 т нефтепродуктов [4, 5].

В настоящее время используются различные методы очистки сточных вод от нефтепродуктов: механический [6], биологический [7], физико-химический [8], сжигание нефти и т.д., некоторые из которых являются дорогостоящими, сложными в исполнении и/или требующими дорогих реагентов и экологически не безопасными. Из физико-химических методов наиболее перспективными являются адсорбционные методы, которые позволяют добиться высокой эффективности очистки при правильном выборе сорбентов. Актуальной задачей в области очистки сточных вод от нефтепродуктов является разработка дешевых сорбентов из возобновляемых природных материалов, способных эффективно поглощать нефть и нефтепродукты. В последние годы появилось большое количество работ, посвященных использованию в качестве сорбентов нефти и нефтепродуктов растительных отходов. Так, в работе [9] в качестве сорбентов нефти используют древесные опилки, в работе [10] тростник, пальмовые листья в [11] и т.д. Выбор этих материалов обусловлен их дешевизной вследствие практически неограниченных запасов их в природе, их хорошими сорбционными характеристиками, а также простотой и экологической безопасностью их получения, и переработкой использованных сорбентов. Совокупность данных факторов позволяет снизить нагрузку на окружающую среду и одновременно сэкономить природные ресурсы.

Часто различные растительные отходы в исходном состоянии имеют невысокие адсорбционные свойства, поэтому их необходимо модифицировать различными методами (химическим, термическим, механическим и т.д.).

Целью данной работы является разработка сорбентов на основе растительных отходов для очистки сточных вод от нефтепродуктов.

Экспериментальная часть

В работе в качестве исходного растительного сырья были использованы солома злаковых культур и смешанный листовой опад. Образцы сырья были промыты дистиллированной водой и высушены при комнатной температуре. Для активирования растительного сырья использовались растворы №ОН и ^2СОз. К 20 г растительного сырья добавляли 250 мл 0.2 н раствора №ОН. Полученную смесь нагревали при температуре 80оС в течение 3 ч. Твердую фазу отфильтро-

вали и промыли дистиллированной водой до рН 6.8-7.0. В случае активирования растительного сырья раствором ^2СОз использовалась следующая методика: к 5 г растительного сырья добавляли 50 мл 5% раствора ^2СОз, после чего полученную смесь оставляли при комнатной температуре на 24 ч. Затем твердую фазу фильтровали и промыли до рН 6.8-7.0. Далее высушенные исходные и активированные образцы растительного сырья измельчали на вибрационном измельчителе 75Т-ДрМ (время обработки 30 с, 1300 об/мин). Для увеличения сродства к нефтепродуктам проводили карбонизацию измельченных образцов в трубчатой электропечи с контролируемой атмосферой ПТК-1,2-40 в атмосфере аргона при 250оС в течение 30 мин. После термообработки образцы приобрели темно-серую — черную окраску, что характерно для углеродсодержащих материалов. В образцах, полученных из листового опада, масса карбонизата составила 38-54% от исходной массы, в то время как в образцах, полученных из соломы, эта величина равнялась 28-31%.

Адсорбционные свойства по отношению к нефтепродуктам (нефтеемкость) изучали на примере дизельного топлива с плотностью 0.815 см3/г производства Яйского НПЗ (Кузбасс). Определение нефтеемкости осуществляли следующим образом [10]: в колбу на 50 мл вносили по 0.3 г исследуемого сорбента и 20 мл нефтепродукта. Суспензию перемешивали на встряхивателе (ЛАБ-ПУ-01) в течение 10 мин. Далее сорбент отделяли от нефтепродукта путем фильтрования на бумажном фильтре, вес которого ранее был доведен до постоянной величины. После взвешивания фильтра с сорбентом, содержащим нефтепродукт, массу поглощенного нефтепродукта определяли по разнице масс фильтра с и без сорбента. Нефтеемкость определяли по формуле:

„ _-д г нП/1г сорбента

ш

'"кавЕсга:

где N0 — нефтеемкость сорбента, тпНп — масса поглощенного нефтепродукта, НП — нефтепродукт.

Результаты и их обсуждение

В таблице приведены результаты поглощения нефтепродуктов сорбентами, высушенными при 25оС и сорбентами, обработанными в атмосфере инертного газа при 250оС. Активирование исходной соломы растворами №ОН и ^2СОз и последующее высушивание при 25оС приводит к повышению нефтеемкости от 1.19 до 1.83 г/г (34.9%) и 1.93 г/г (38.3%), соответственно. Предварительная обработка соломы растворами №ОН и ^2СОз приводит к деполимеризации целлюлозы за счет гидролиза, расщеплению лигноуглеводных связей (сложноэфир-ных, фенилгликозидных и бензилэфирных) и образованию карбоксильных и фе-нольных групп, поскольку основными высокомолекулярными компонентами соломы являются целлюлоза, лигнин и образуемый ими лигноуглеводный комплекс [12]. Повышение содержания высокоактивных функциональных групп как в макромолекулах лигнина, так и целлюлозы способствует увеличению значений нефтеемкости для обработанных №ОН и ^2СОз образцов соломы. Для активированного листового опада происходит незначительное уменьшение нефтеемко-сти от 1.58 г/г до 1.22 и 1.23 г/г, соответственно (табл.). Различное влияние активирования на поглощение нефтепродукта, по-видимому, обусловлено различием

в видовом составе исходных растительных отходов, приводящей к формированию различной пористости материалов.

Таблица

Результаты поглощения нефтепродуктов материалами, высушенными при 25оС и обработанными в атмосфере инертного газа при 250оС

К, г/г

№ Образцы Высушенные при 25оС Обработанные в токе аргона при 250оС

1 Исходная солома 1.19 6.24

2 Солома, активированная NaOH 1.83 4.77

3 Солома, активированная №2ТО3 1.93 7.29

4 Листовой опад 1.58 2.75

5 Листовой опад, активированный №ОН 1.22 2.74

6 Листовой опад, активированный Na2CO3 1.23 1.53

Прокаливание образцов исходной соломы в атмосфере инертного газа приводит к увеличению нефтеемкости от 1.19 до 6.24 г/г. В то время как для соломы, активированной №ОН и Na2COз, нефтеемкость возрастает от 1.83 до 4.77 г/г и 1.93 до 7.29 г/г, соответственно. Наблюдаемое увеличение в 2.5-5.2 раза может быть обусловлено тем, что в процессе карбонизации растительного сырья происходит образование углеродсодержащего материала, поверхность которого имеет гидрофобные свойства, что увеличивает её сродство к нефтепродукту. Прокаливание образцов листового опада также приводит к увеличению поглощению нефтепродукта в 1.2-2.2 раза. Значения нефтеемкости образцов, полученных из листового опада, чуть превышают данные по нефтеемкости сорбента, полученного путем карбонизации измельченного тростника в инертной атмосфере (1.3 г/г) [10].

При сравнении нефтеемкости образцов соломы и листового опада, полученных прокаливанием в атмосфере аргона при 250оС, видно, что образец соломы, активированный №ОН обладает меньшей нефтеемкостью, а образец, активированный Na2COз имеет большую нефтеемкость, по сравнению с образцом из исходной соломы. Карбонизованные образцы, полученные из исходного листового опада и листового опада, активированных Na2COз, имеют близкие значения нефтеемкости. При прокаливании образца из листового опада, предварительно обработанного Na2COз, его нефтеемкость уменьшается до 1.53 г/г.

Таким образом, наибольшей нефтеемкостью обладает образец, полученный путем активирования соломы раствором Na2COз и последующей термообработки в атмосфере аргона. Данный образец является сравнимым по нефтеемкости с такими промышленными сорбционными материалами, как «Экосорб» = 6.9-7.8 г/г) и «IRVELEN» = 7.2-8.4 г/г), которые представляют собой чистое поли-

мерное волокно, а также с волокнистыми древесно-полистирольными сорбентами, которые характеризуются значениями нефтеемкости 7.1-9.9 г/г (рис.) [13].

Работа выполнена в рамках Программы фундаментальных исследований Байкальского института природопользования СО РАН

Литература

1. Грачев М.А. О современном состоянии экологической системы озера Байкал. — Новосибирск: Изд-во СО РАН, 2002. — 153 с.

2. Приказ Федерального Агентства по Рыболовству от 18 января 2010 года № 20 «Об утверждении нормативов качества воды водных объектов рыбохозяйственного значения, в том числе нормативов предельно допустимых концентраций вредных веществ в водах водных объектов рыбохозяйственного значения". Зарегистрировано в Министерстве юстиции РФ 9 февраля 2010 г., регистрационный № 16326.

3. Янчук М.С. Нефтепродукты в поверхностных и снеговых водах юго-западного побережья озера Байкал // Изв. Иркутского госуниверситета. Серия. Науки о Земле. — 2016. — Т. 18. — С. 140-149.

4. Другие проблемы Байкала [Электронный ресурс]. Режим доступа: http://www.greenpeace.org/russia/ru/campaigns/baikal/problems (дата обращения: 29.11.2018).

5. Зилов Е.А. Современное состояние антропогенного воздействия на озеро Байкал // Журнал Сибирского федерального университета. Серия. Биология. — 2013. — Т. 4, № 6. — С. 388-404.

6. Гамм Т.А. Шабанова С.В., Гарицкая М.Ю., Касимов Р.Н., Сердюкова Е.А. Механические методы в очистке сточных вод, загрязнённых нефтепродуктами, в агроинже-нерных системах // Изв. Оренбургского государственного аграрного университета. — 2016. — С. 70-73.

7. Надеин А.Ф. Биологическая очистка сточных вод от нефтепродуктов // Экология и промышленность России. — 2010. — № 9. — С. 18-19.

8. Посвятенко Н.И., Демидова Ю.Е., Мельник Т.В. Физико-химические методы очистки сточных вод от нефтепродуктов // Вюник Нацюнального транспортного ушвер-ситету. — 2014. — № 29 (1). — С. 250-258.

9. Филина Н.А., Мазуркин П.М. Нефтеемкость сорбента из углистой массы от содержания в нефтешламе воды и нефти // Успехи современного естествознания. — 2011. — № 6. — С. 34-38.

10. Уткина Е.Е., Каблов В.Ф., Быкадоров Н.У. Использование сырьевых ресурсов региона для решения проблем загрязнения водных объектов нефтепродуктами // Фундаментальные исследования. — 2001. — № 8. — С. 406-409.

11. Sidik S.M., Jalil A.A., Triwahiono S. and al. Modified oil palm leaves adsorbent with enhanced hydrophobicity for crude oil removal // Chemical Engineering Journal. — 2012. — V. 203. — P. 9-18.

12. Карманов А.П., Кочева Л.С., Шуктомова И.И. Патент РФ. № 2163505. Способ получения сорбентов радионуклидов. — 2000.

13. Веприкова Е.В., Терещенко Е.А., Чесноков Н.В., Кузнецов Б.Н. Волокнистые древесно-полистирольные сорбенты для ликвидации нефтяных загрязнений // Журнал Сибирского федерального университета. Химия. — 2011. — Т. 4, № 1. — С. 27-37.

APPLICATION OF SORBENTS OBTAINED FROM PLANT WASTE FOR ABSORPTION OF PETROLEUM PRODUCTS

S. V. Badmaeva

Candidate of Chemical Sciences, researcher Laboratory of Engineering Ecology Baikal Institute of Nature Management SB RAS 670047, Ulan-Ude, Sakhyanova st., 8 E-mail: sbadm@mail.ru

E. Ts. Dashinamzhilova

candidate of Chemical Sciences, leading engineer Laboratory of Engineering Ecology Baikal Institute of Nature Management SB RAS 670047, Ulan-Ude, Sakhyanova st., 8 E-mail: edash@binm.ru

S. Ts. Khankhasaeva

Doctor of Chemical Sciences, Professor, leading researcher

Laboratory of Engineering Ecology

Baikal Institute of Nature Management SB RAS

670047, Ulan-Ude, Sakhyanova st., 8

Buryat State University

E-mail: shan@binm.ru

Sorbents were obtained from plant waste (straw and leaf litter) by activating with solutions of sodium hydroxide and sodium carbonate, as well as heat-treating them in an argon atmosphere. On the example of diesel fuel, the oil capacity of the obtained materials is determined. It was established that the heat treatment of the source and activated materials leads to an increase in the values of oil intensity. It was shown that the sample obtained by activating straw with the solution of Na2CO3 and subsequent heat treatment in an argon atmosphere has the greatest oil capacity. This sample is comparable in oil intensity with known industrial sorption materials.

Keywords: sorbents, plant waste, petroleum products, oil capacity, depolymerization, adsorption, lignin.