CC BY
15
В соответствии с уравнениями (3) и (4) напряженное состояние среды в точках межфазного слоя определяется тензором со следующими компонентами:
^XX Р + &хх; "уу Р + Gyy; @ZZ Р + ^zz- (5)
В записанных выражениях Р = P(V) определяет шаровую часть тензора межфазных напряжений, т.е. давление в рассматриваемой точке межфазного слоя со значением удельного объема V. Другими словами это давление в изотропной среде при заданном значении удельного объема, определяемое уравнением состояния среды. Из
симметрии напряженного состояния относительно оси Z следует, что о'х = о'уу = - Определив распределение
рассмотренных компонент тензора межфазных напряжений по толщине слоя, т.е. их зависимость от координаты Z, можно найти поверхностное натяжение жидкости, как:
Y = /о °xxdz. (6)
Таким образом, рассмотренное представление тензора межфазных напряжений среды в межфазном слое позволяет выявить механизм формирования поверхностного натяжения жидкости, основанный на представлениях механики сплошной среды.
Литература
1. Иголкин С.И. Критический анализ опытов по измерению углов смачивания и сил поверхностного натяжения // Прикладная физика. -2007. -№ 4. -С. 43-51.
2. Бараш Ю.С. Силы Ван-дер-Ваальса. М.: Наука, 1988. 344 с.
3. Bakker G. Kappillarität und Oberflächengspspannung: Handbuch der Experimental Physik. Leipzig, 1928. Bd. 6.
4. Лойцянский Л.Г. Механика жидкости и газа. М.: Наука, 1978. 736 с.
5. Виноградов Г.В., Малкин А.Я. Реология полимеров. М.: Химия, 1977. 438 с.
References
1. Igolkin S.I. Kriticheskij analiz opytov po izmereniju uglov smachivanija i sil poverhnostnogo natjazhenija // Prikladnaja fizika, -2007. -№ 4. -S. 43-51.
2. Barash Ju.S. Sily Van-der-Vaal'sa. - M.: Nauka, 1988. 344 s.
3. Bakker G. Kappillarität und Oberflächengspspannung: Handbuch der Experimental Physik. Leipzig, 1928. Bd. 6.
4. Lojcjanskij L.G. Mehanika zhidkosti i gaza. M.: Nauka, 1978. 736 s.
5. Vinogradov G.V. Malkin A.Ja. Reologija polimerov. M.: Himija, 1977. 438 s.
DOI 10.18454/IRJ.2016.46.144 Коган В.Е.1, Згонник П.В.2, Шахпаронова Т.С.3, Богатенко Д.О.4
1ORCID: 0000-0001-7848-3792, Профессор, доктор химических наук, 2ORCID: 0000-0001-8039-5169, Кандидат химических наук, 3ORCID: 0000-0003-0184-0039, Доцент, кандидат химических наук, 4ORCID: 0000-0003-1392-6462, Магистрант; Национальный минерально -сырьевой университет «Горный» РЕЦЕПТУРНО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ПАРАМЕТРЫ ПОЛУЧЕНИЯ НЕФТЕСОРБЕНТОВ НА ОСНОВЕ ЭЛЕКТРОВАКУУМНОГО СТЕКЛА С95-2 И ЗАКОНОМЕРНОСТИ СОРБЦИИ ИМИ НЕФТИ
Аннотация
В статье рассмотрены результаты работ по установлению рецептурно -технологических параметров получения пеностекол на основе электровакуумного стекла С95-2. Показано, что, как и для ранее изученных сорбентов со стеклообразной поверхностью, кривые нефтепоглощения полученных сорбентов характеризуются наличием максимумов в начальный период времени. Экспериментально доказано, что необходимым условием получения максимумов является механизм поглощения нефти, обусловленный капиллярными силами в пространстве порозности между образцами сорбента.
Ключевые слова: разливы нефти, загрязнение воды, сорбция нефти пеностеклами, рецептурно -технологические параметры, кинетика поглощения нефти.
Kogan V.E.1, Zgonnik P.V.2, Shakhparonova T.S.3, Bogatenko D.O.4
1ORCID: 0000-0001-7848-3792, Professor, PhD in Chemistry, 2ORCID: 0000-0001-8039-5169, PhD in Chemistry,
3ORCID: 0000-0003-0184-0039, Associate professor, PhD in Chemistry, 4ORCID: 0000-0003-1392-6462, Master student;
National Mineral Resources University (Mining University)
PRESCRIPTION AND TECHNOLOGICAL PARAMETERS OF RECEIVING OIL SORBENTS ON THE BASIS OF ELECTROVACUUM GLASS C95-2 AND REGULARITY OF SORPTION OF OIL BY THEM
Abstract
In the paper results of works on establishment of prescription and technological parameters of receiving foam glasses on the basis of electrovacuum glass C95-2 are considered. It is shown that, as well as for earlier studied sorbents with a vitreous surface, oil absorption curves of the received sorbents are characterized by existence of maxima in an initial stage of time. It is experimentally proved that a necessary condition of receiving maxima is the oil absorption mechanism caused by capillary forces in porosity space between sorbent samples.
Keywords: oil spills, water pollution, sorption of oil by foam glass, prescription and technological parameters, oil absorption kinetics.
Несмотря на большое количество работ, посвященных разработке нефтесорбентов, вопрос ликвидации загрязнений нефтью и нефтепродуктами по сегодняшний день нельзя считать решенным. Основными причинами этого, на наш взгляд, является направленность подавляющего большинства работ на создание (методом
проб и ошибок) нефтесорбентов для практического использования, а не на выявление физико -химических закономерностей протекания процессов нефтепоглощения на них, что спосо бствовало бы созданию научных основ получения нефтесорбентов с заданным комплексом физико -химических свойств и эксплуатационных параметров, и неиспользование всего широкого ассортимента материалов для получения нефтесорбентов.
Работы, проводимые на кафедре общей и физической химии Национального минерально -сырьевого университета «Горный» под руководством проф. В.Е. Когана, направлены на преодоление двух сформулированных недостатков.
Настоящая публикация продолжает цикл работ по получению пеностекол для использования их в качестве нефтесорбентов и исследованию физико -химических закономерностей поглощения ими нефти, что до наших работ [15] никем не проводилось.
В качестве исходного стекла было использовано электровакуумное стекло платинитной группы С95 -2 (бой трубок, выпускаемых ООО «Светлана-Маловишерский стекольный завод») по ОСТ 11ПО.735.002.73, которое по данным химического анализа содержит (мол. %): Na2O - 10,08; K2O - 4,85; CaO - 7,56; AhOз - 2,45; B2Oз - 2,45; SiO2 - 72,61.
При получении пеностекла в качестве основного вспенивателя использовался мел МДТ-2 по ГОСТ-12085-88 (производства «ВИТЕП», Санкт-Петербург) фракции < 100 мкм, который смешивался со стеклом С95-2 той же фракции. Гомогенизированная шихта смачивалась водой и из нее получали заготовки в форме параллелепипедов. Вспенивание производилось по политермическому режиму, при отработке которого реперными точками служили температура деформации (585 °С) и температура начала кристаллизации (790 °С) стекла С95-2. При отработке рецептурно-технологических параметров получения пеностекла в качестве функции отклика была выбрана практическая непотопляемость образцов. Определение плавучести образцов и их нефтепоглощения проведено в соответствии с ТУ 214-10942238-03-95 «Оценка эффективности сорбента». Однако позитивные результаты были получены лишь при дополнительном введении в шихту выгорающей добавки - торфа низкой степени разложения по ГОСТ Р 51213-98 (производство ЗАО «РОСТОРФИНВЕСТ», Псковская обл.). При этом было установлено, что характер получаемых пеностекол (равномерность распределения пор, наличие крупных пор, которые, наиболее вероятно, не способны сорбировать нефть, а также отсутствие остаточного углерода, обусловленное неполным выгоранием торфа) в значительной степени зависит от скорости подъема температуры в процессе вспенивания (рис. 1).
а) б)
Рис. 1 - Фотографии полученных сорбентов после удаления поверхностной «корки»:
а) скорость подъема температуры 2 град/мин;
б) скорость подъема температуры 5 град/мин;
в) скорость подъема температуры 7 град/мин
Как видно из рис.1, повышение скорости подъема температуры приводит к ухудшению качества получаемых образцов. При этом пеностекло, полученное при скорости подъема температуры 7 град/мин, характеризуется наличием остаточного углерода, обусловленным неполным выгоранием торфа. С учетом этого дальнейшее его исследование не проводилось. Пеностекла, полученные при скорости подъема температуры как 2 град/мин, так и 5 град/мин характеризуются практической непотопляемостью.
При вспенивании стекла получено увеличение объема в 6,76 раз при скорости подъема температуры 2 град/мин и в 8,33 раза при скорости подъема температуры 5 град/мин. Об этом свидетельствует соответствующее понижение плотности от 2500 кг/м3 для исходного стекла до 368 кг/м3 и 298 кг/м3 при скорости подъема температуры 2 град/мин и 5 град/мин соответственно.
Для определения нефтепоглощения образцов использовали среднетрубную нефть 2.1.1.2 по ГОСТ Р 51858-2002, формируемую в системе трубопроводов ОАО «АК «Транснефть» путем смешивания сургутской, ухтинской и горьковской нефтей и транспортируемую ПСП «Кириши» на Приморск.
Для определения плавучести и нефтепоглощения полученные образцы нефтесорбента механически освобождались от поверхностной «корки» и размельчались до фракции 3 - 8 мм.
Как видно из рис. 2 (кривые 1, 2), полученные нефтесорбенты на основе электровакуумного стекла С95-2, как и все ранее исследованные нами нефтесорбенты со стеклообразной поверхностью [1 - 5], характеризуются наличием максимумов на кинетических кривых нефтепоглощения. Максимумы расположены при 5 мин, причем нефтепоглощение несколько выше у образцов, полученных при скорости подъема температуры 2 град/мин. Отмеченное, вероятно, связано с наличием у образцов, полученных при скорости подъема температуры 5 град/мин (рис. 1, б), крупных пор, которые, наиболее вероятно, не способны сорбировать нефть.
Пеностекло - это объемно-пористый материал с закрыто -ячеистой структурой. Открытые поры в исследованных образцах имеются в основном на его поверхности. Нефтепоглощение обусловлено двумя механизмами: поглощением нефти открытыми порами на поверхности раздела фаз (нефть - сорбент) и капиллярными силами, действующими, в частности, в пространстве порозности между образцами сорбента. Отсутствие дальнего порядка в стеклах и их химически микронеоднородное строение, обоснованное Р.Л. Мюллером [6, 7], наиболее вероятно, приводят к увеличению движущей силы второго механизма. Отмеченное способствует вытеснению поглощенной нефти из капилляров с последующим перетеканием ее в объем всей нефти. При этом через тот или иной промежуток времени достигается стационарное равновесие: количество нефти, втягиваемое в капилляр (пространство порозности между образцами), становится равным количеству нефти, возвращающемуся из сорбента в ее общий объем. Рассмотренное и обусловливает наличие максимумов на кинетических кривых нефтепоглощения в начальный период времени (рис. 2, кривые 1, 2).
о 1,0 2,0
Время, час
Рис. 2 - Кинетика нефтепоглощения сорбентами из пеностекла С95-2 фракции 3 - 8 мм (1, 2) и единичными образцами размером 15x15x5 мм (3, 4), полученными при скорости подъема температуры
2 град/мин (1, 3) и 5 град/мин (2, 4)
Отсутствие максимумов на кинетических кривых нефтепоглощения единичными образцами (рис.2, кривые 3, 4) является экспериментальным подтверждением того, что необходимым условием получения максимумов на кривых нефтепоглощения сорбентами со стеклообразной поверхностью является механизм поглощения нефти, обусловленный капиллярными силами в пространстве порозности между образцами сорбента.
Литература
1. Коган В.Е. Нефтесорбенты из пеностекла и кинетика нефтепоглощения / В.Е. Коган, П.В. Згонник, Д.О. Ковина // Теория и практика современной науки: материалы IX Международной научно -практической конференции, г. Москва, 26 - 27 марта 2013 г. / Науч.-инф. издат. центр «Институт стратегических исследований». -М. Спецкнига, 2013 - С. 36 - 41.
2. Коган В.Е. Использование пеностекла и полимерных материалов в качестве эффективных нефтесорбентов / В.Е. Коган, П.В. Згонник, Д.О. Ковина, В.А Черняев // Стекло и керамика. - № 12. - 2013. - С. 3 - 7. (Kogan V.E., Foam glass and polymer materials: effective oil sorbents / V.E. Kogan, P.V. Zgonnik, D.O. Kovina, V.A. Chemyaev // Glass and Ceram. - V. 70, N 11 - 12, 2014. - P. 425 - 428. doi: 10.1007/s 10717-014-9594-1).
3. Электровакуумные стекла молибденовой группы - перспективная материаловедческая основа создания нефтесорбентов и новых путей их получения / А.А. Гафиуллина, В.Е. Коган, П.В. Згонник, Т.С. Шахпаронова // Международный научно -исследовательский журнал. - 2015. - № 2 (33), Ч. 1. - С. 9 - 10.
4. Коган В.Е. Лабораторные исследования возможности изготовления сорбентов нефти и нефтепродуктов на основе малощелочных алюмоборосиликатных стекол / В.Е. Коган, П.В. Згонник, A.A. Гафиуллина // Нефтяное хозяйство. - № 8. - 2015. - С. 125 - 127.
5. Коган В.Е. Нефтесорбенты на основании стекол системы K2O - (Mg,Ca)O - P2O5 и кинетика поглощения ими нефти и нефтепродуктов / В.Е. Коган, П.В. Згонник, Т.С. Шахпаронова, Д.О. Ковина // Международный научно -исследовательский журнал. - 2015. - № 11 (42), Ч. 3. - С. 50 - 51. doi: 10.18454/IRJ.2015.42.199.
6. Мюллер Р.Л. Химия твердого тела и стеклообразное состояние // Химия твердого тела. - Л.: ЛГУ, 1965. - С. 9 - 63.
7. Мюллер Р.Л. Электропроводность стеклообразных веществ: Сб. трудов. - Л.: ЛГУ, 1968. - 251 с.
References
1. Kogan V.E. Neftesorbenty iz penostekla i kinetika neftepogloshhenija / V.E. Kogan, P.V. Zgonnik, D.O. Kovina // Teorija i praktika sovremennoj nauki: materialy IX Mezhdunarodnoj nauchno-prakticheskoj konferencii, g. Moskva, 26 - 27 marta 2013 g. / Nauch.-inf. izdat. centr «Institut strategicheskih issledovanij». - M. Speckniga, 2013. - S. 36 - 41.
2. Kogan V.E. Ispol'zovanie penostekla i polimernyh materialov v kachestve jeffektivnyh neftesorbentov / V.E. Kogan, P.V. Zgonnik, D.O. Kovina, V.A Cher-njaev // Steklo i keramika. - № 12. - 2013. - S. 3 - 7. (Kogan V.E. Foam glass and polymer materials: effective oil sorbents / V.E. Kogan, P.V. Zgonnik, D.O. Kovina, V.A. Chernyaev // Glass and Ceram. - V. 70, N 11 - 12, 2014. - P. 425 - 428. doi: 10.1007/s 10717-014-9594-1).
3. Jelektrovakuumnye stekla molibdenovoj gruppy - perspektivnaja materialovedcheskaja osnova sozdanija neftesorbentov i novyh putej ih poluchenija / A.A. Gafiullina, V.E. Kogan, P.V. Zgonnik, T.S. Shakhparonova // Mezhdunarodnyj nauchno-issledovatel'skij zhurnal. - 2015. - № 2 (33), Ch. 1. - S. 9 - 10.
4. Kogan V.E. Laboratornye issledovanija vozmozhnosti izgotovlenija sorbentov nefti i nefteproduktov na osnove maloshhelochnyh aljumoborosi-likatnyh stekol / V.E. Kogan, P.V. Zgonnik, A.A. Gafiullina // Neftjanoe hozjajstvo. - № 8. -2015. - S. 125 - 127.
5. Kogan V.E. Neftesorbenty na osnove stekol sistemy K2O - (Mg,Ca)O - P2O5 i kinetika pogloshhenija imi nefti i nefteproduktov / V.E. Kogan, P.V. Zgon-nik, T.S. Shakhparonova, D.O. Kovina // Mezhdunarodnyj nauchno-issledovatel's-kij zhurnal. - 2015. - № 11 (42), Ch. 3. - S. 50 - 51.
6. Mjuller R.L. Himija tverdogo tela i stekloobraznoe sostojanie // Himija tverdogo tela. - L.: LGU, 1965. - S. 9 - 63.
7. Mjuller R.L. Jelektroprovodnost' stekloobraznyh veshhestv: Sb. trudov. - L.: LGU, 1968. - 251 s.
DOI: 10.18454/IRJ.2016.46.030 Лобачева О.Л.1, Берлинский ИВ.2, Мкртчян А.А.3, Мисник А.В.4
1 Кандидат химических наук, 2 Кандидат химических наук, 3 Студент, 4 Студент, Национальный минерально-сырьевой университет «Горный» ИОННАЯ ФЛОТАЦИЯ Y5+, Er3+, Yb^
Аннотация
Экспериментальные результаты и термодинамическое исследование ионной флотации из Y(+3), Er(+3) и Yb( +3) в водных системах с поверхностно -активные вещества представлены. Коэффициенты распределения редкоземельных элементов в процессе ионной флотации были определены. Было показано, если рН = 5,5 — Y(+3) селективно извлекается, рН = 6,4 - Er(+3) селективно удаляется из раствора и рН > 8,0 - Yb(+3) извлекается из растворов азотнокислых солей. Представлены результаты экспериментального и теоретического исследования процесса ионной флотации в растворах нитратов иттрия, эрбия, иттербия и додецилсульфата натрия, используемого в качестве флотореагента. Получены зависимости коэффициентов распределения ионов редкоземельных элементов в процессе ионной флотации от рН равновесной водной фазы. Было установлено, что в процессе ионной флотации наблюдается тенденция к увеличению коэффициента распределения при значениях рН максимального извлечения с порядковым номером лантаноидов. Значительный рост коэффициента распределения в
2 — 4 раза происходит при переходе к эрбию и иттербию. В итоге, при различных рН среды в процессе ионного обмена происходит изменение механизма взаимодействия катиона металла и додецилсульфат иона.
Ключевые слова: редкоземельные металлы, поверхностно -активные вещества, ионная флотация, термодинамические характеристики флотационного процесса.
Lobacheva O.L.1, Berlinskii IV.2, Mkrtchyan A.A.3, Misnik A.V.4
1 PhD in Chemistry, 2 PhD in Chemistry, 3 Student, 4 Student, National Mineral Resources University (Mining University)
ION FLOTATION OF Y3+, Er3+, Yb3+
Abstract
The experimental results and thermodynamic investigation of the ion flotation of Y(+3), Er( +3) and Yb( +3) in aqueous systems with surface active substance are presented. Distribution coefficients of rare-earth elements in the approach of ion flotation were determined. It was shown, if pH = 5,5 — Y (+3) is removed, pH = 6,4 - Er(+3) is selectively removed andpH > 8,0 - Yb(+3) is extracted from solutions of nitrate salts by sodium dodecylsulfate.
The dependences of the distribution coefficients of ions of rare earth elements in the ion flotation approach from the equilibrium pH of the aqueous phase were stated. It was found that in the process of ion flotation is observed a tendency of increase of the distribution coefficient at the pH of maximum removal with a serial number of the lanthanides. A significant increase of the distribution coefficient in 2 — 4 times occurs during the transition to erbium and ytterbium. In the end, at different pH of the medium in the ion exchange processes there is a change of the mechanism of interaction of the metal catio n and dodecyl sulfate ion.
Keywords: surface-active substances, rare-earth elements, ion flotation, thermodynamic data of the flotation approach.
