CC BY
42
УДК 628.543.5.665
БАРЫКИНА ЮЛИЯ АЛЕКСАНДРОВНА, аспирант БЕЛОПУХОВ СЕРГЕЙ ЛЕОНИДОВИЧ, докт. с.-х. наук, профессор
E-mail: [email protected]
Российский государственный аграрный университет - МСХА имени К. А. Тимирязева, ул. Тимирязевская, 49, Москва, 127550, Российская Федерация
СОРБЦИЯ ПРЕДЕЛЬНЫХ ОДНОАТОМНЫХ СПИРТОВ ПЕНЬКОКОСТРОЙ
Применение сорбентов, полученных из растительного сырья, позволяет не только проводить детокси-кацию почв, но и утилизировать отходы растениеводческого комплекса. Проведена оценка сорбционной способности натуральных сорбентов на основе костры технической конопли сорта ЮСО-31 с размером частиц 2 мм по отношению к воде и спиртам. Установлено, что динамика поглощения паров одноатомных спиртов сорбентами из пенькокостры более интенсивна, чем динамика паров воды. Максимальная сорбционная емкость костры конопли наблюдается по отношению к этанолу и составляет 17,2 процента, а минимальная -для воды - 14,8 процента. Рассчитаны уравнения в виде полиномов для дифференциальной и интегральной скоростей сорбции. Показано, что кинетику сорбции и сорбционную способность сорбента по отношению к поглощаемым молекулам можно проводить путем сравнения коэффициентов при квадратичном и линейном члене полинома. Коэффициент при линейном члене в уравнении полинома пропорционален эффективной константе скорости сорбции, и чем его значение выше, тем больше скорость сорбции. Максимальная скорость сорбции и коэффициент при линейном члене отмечены для этанола, минимальные - для изоамилового спирта. Сорбционное равновесие для всех изученных образцов достигается через 5-6 ч.
Ключевые слова: пенькокостра, сорбция, сорбционная емкость, скорость сорбции, константа ско -рости, одноатомные спирты.
Введение. Использование отходов растениеводческого комплекса в качестве сорбентов для мелиорации и рекультивации земель является перспективным направлением научных исследований. Так, в ряде работ рассматривается возможность использования зерновых оболочек овса, ячменя и пшеницы в качестве сорбентов тяжелых металлов [1, 2]. Известны сорбенты на основе льняной костры, шелухи гречихи, ржи, подсолнечника, лузги риса, которые эффективны для очистки поверхности почв от органических загрязнителей, в том числе и от нефтепродуктов.
Применение сорбентов, полученных из растительного сырья, позволяет не только проводить де-токсикацию почв, но и утилизировать отходы растениеводческого комплекса.
Перспективным направлением является использование целлюлозосодержащих отходов льняной и пеньковой промышленности в качестве сорбцион-ных материалов. Это является актуальным, поскольку в государственной программе развития сельского хозяйства на 2013-2020 годы особое внимание уделяется повышению объемов производства прядильных культур. В настоящее время, даже при небольших объемах выращивания льна и технической конопли, ежегодно на предприятиях по первичной переработке - льно- и пенькозаводах - образуется более 50 тыс. т целлюлозосодержащих отходов в виде костры: одревесневшей части стебля прядильных
культур. Перспективным направлением переработки костры является производство из нее костроблоков для строительства, прежде всего - для нужд агропромышленного комплекса при строительстве ферм, складов, хозблоков и других сооружений.
Для оценки строительных материалов важным показателем является гигроскопичность - свойство материалов поглощать влагу из воздуха. Для оценки гигроскопичности строительных материалов необходимо исследовать изотермы сорбции, чтобы в последующем можно было рассчитать влагоизо-ляцию и оценить долговечность конструкций. Кроме того, показатель гигроскопичности важен, если костроблоки при заключительной отделке будут обработаны специальными водостойкими, противогнилостными пропитками, лакокрасочными материалами или оштукатурены.
Сорбенты, полученные из костры, могут быть использованы для очистки газовых выбросов от С02 [3, 4] и 802, так как обладают высокими поглотительными свойствами к этим компонентам, а также для очистки воды и почвы от нефтепродуктов и тяжелых металлов [5, 6]. Несомненным преимуществом сорбентов из целлюлозосодержащих отходов льняной и пеньковой промышленности является то, что данные сорбенты можно регенерировать и неоднократно использовать, а сама костра в почвах биоразлагается с последующим накоплением органических веществ.
Гигроскопичность отходов производства хлопка составляет 16,1...16,5% (образцы предоставлены ООО «Завидовское химпроизводство») [7]. Примерно на этом же уровне находится гигроскопичность костры льна-долгунца сорта Антей, выращиваемого на полевой опытной станции РГАУ -МСХА имени К.А. Тимирязева в 2012-2015 гг. [8].
На объектах химического, фармацевтического, нефтехимического и других производств при окраске изделий в воздухе, помимо паров воды, присутствует большое количество паров органических растворителей. К ним относятся этанол, изоамило-вый спирт, бутанол-1, пропиловый спирт и т.п. Для очистки воздуха от паров данных веществ применяются различные методы, в том числе и сорбционные. Сорбционные методы очистки имеют значительное преимущество в плане сохранения и повторного использования веществ, содержащихся в промышленных выбросах и сбросах. В качестве сорбционных материалов в основном применяют активированные угли. Перспективными могут стать сорбенты из цел-люлозосодержащих отходов переработки растительного сырья. Выгодным отличием таких сорбентов является их низкая стоимость в сравнении с активи-
Из данных рисунка 1 следует, что масса поглощенных пенькокострой паров органических растворителей больше, чем масса поглощенных паров воды. Интенсивнее всего идет поглощение паров этилового спирта. Из органических растворителей медленнее поглощаются пары пропилового и изо-амилового спирта.
После определения динамики сорбции паров органических растворителей и воды пенькокострой построили дифференциальные и интегральные кинетические кривые. Оценивая форму дифференциальных и интегральных кривых, можно заметить, что она не идентична для вариантов опыта, что под-
рованными углями и возможность их повторного использования, доступная утилизация.
Цель исследований - изучение сорбционных свойств пенькокостры по отношению к воде и органическим растворителям класса спиртов.
Материалы и методы. Объектом исследования являлась костра технической конопли сорта ЮСО-31, предоставленная ООО «Пензенские пенькозаводы», производимая в 2011-2014 гг. Определение сорбционной способности образцов по отношению к органическим растворителям проводили по ГОСТ 3816-81 (ИСО 811-81) в эксикаторе. Фракция, используемая в опыте пенькокостры, составляла 2 мм. Органические растворители, используемые в опыте, - этанол, изоамиловый спирт, бутанол-1, пропиловый спирт. Все вещества относятся к классу одноатомных спиртов и отличаются размерами радикала.
Результаты и обсуждение. В ходе экспериментов проводили оценку динамики сорбции паров органических растворителей и воды исследуемыми образцами (рис. 1). Для этого с интервалом 1 ч взвешивали образцы пенькокостры и отмечали количество поглощенной влаги.
тверждает различия в константах скорости и механизме сорбции для исследуемых органических растворителей.
Изменение дифференциальной скорости сорбции можно описать полиномом 5-й степени. Ниже представлены уравнения, описывающие изменение скорости поглощения паров воды (1), этанола (2), пропилового спирта (3), бутанола-1 (4) и изоамило-вого спирта (5):
у = 4 ■ 10-5х5 - 0,001х4 + 0,0096л;3 - 0,042х2 + 0,0812х - 0,0476 (1) у = 10-4х5 - 0,0027х4 + 0,0253х3 - 0,1073х2 + 0,2007х - 0,1156 (2)
Рис. 1. Динамика поглощения паров органических растворителей и воды (г/100 г) образцами пенькокостры
у = 3 ■ 10-5х5 - 0,0007*4 + 0,0079л;3 - 0,0371*2 + 0,0754* - 0,0453 (3) у = 5 ■ 10-5*5 - 0,0013*4 + 0,0115*3 - 0,0476*2 + 0,0901* - 0,0529 (4)
у = 3 ■ 10-6*5 - 10-4*4 + 0,0012*3 - 0,0063*2 + 0,0167* - 0,0118 (5)
Наиболее информативны в этих уравнениях коэффициенты при квадратичном и линейном члене полинома, которые пропорциональны эффективным константам скорости протекающих процессов [9-11]. При сравнении полиномов можно отметить, что в уравнении 2 наибольшие коэффициенты - при квадратичном и линейном члене полинома, а наименьшие - в уравнении 5. Это говорит о том, что дифференциальная скорость сорбции этанола выше,
чем у остальных растворителей, а у изоамилового спирта - ниже.
На рисунке 2 приведены графики дифференциальной скорости сорбции из расчета на 1 г пенькокостры. Форма дифференциальных кривых, описывающих сорбцию паров воды (а) и этанола (б), идентична, что говорит об одинаковом механизме сорбции для этих веществ. Кинетические кривые для пропилового спирта (в), бутанола-1 (г) и изоамилового спирта (д) отличаются по форме, что, вероятно, свидетельствует об изменении механизма сорбции при увеличении размера радикала. Из рисунка 2 следует, что чем больше у органического растворителя радикал, тем форма дифференциальной кривой сорбции паров растворителя сильнее отличается от формы кривой сорбции паров воды.
Рис. 2. Дифференциальные кривые сорбции паров воды (а) и органических растворителей: б - этанола; в - пропилового спирта; г - бутанола-1; д - изоамилового спирта
Изменение интегральной скорости сорбции можно описать полиномом 4-й степени. Ниже представлены уравнения, описывающие изменение скорости поглощения пенькокострой паров воды (6), этанола (7), пропилового спирта (8), бутанола-1 (9) и изо-амилового спирта (10):
y = -10-4о4 + 0,0024л3 - 0,0173л:2 + 0,0473л - 0,0326 (6) y = -2 ■ 10-4л4 + 0,0041л3 - 0,0264л2 + 0,0677л - 0,0434 (7) y = -10-4л4 + 0,0024л3 - 0,0174л2 + 0,0402л - 0,0267 (8) y = -10-4л4 + 0,0019л3 - 0,0126л2 + 0,0347л - 0,0283 (9)
y = -4 ■ 10-7л4 + 0,0006л3 - 0,0041л2 + 0,012л - 0,0088 (10)
Сравнивая полиномы интегральных скоростей сорбции паров органических растворителей, можно отметить, что наибольшие коэффициенты при линейном и квадратичном члене характерны для уравнения 7, а наименьшие - для уравнения 10. Это говорит о том, что интегральная скорость сорбции паров этанола, так же, как и дифференциальная, выше, чем у остальных растворителей. Наименьшая интегральная скорость наблюдается при сорбции пенькокострой паров изоамилового спирта.
На рисунке 3 приведены графики интегральной скорости сорбции из расчета на 1 г пенькокостры.
Рис. 3. Интегральные кривые сорбции паров воды (а) и органических растворителей: б - этанола; в - пропилового спирта; г) бутанола-1; д - изоамилового спирта
Оценивая формы кинетических кривых интегральной скорости, можно наблюдать изменение механизма сорбции при увеличении радикала.
Сорбционную емкость пенькокостры к органическим растворителям рассчитывали по формуле 11:
5 =
m
m
ëï ■ 100%,
(11)
сорб
где S - сорбционная емкость; дапошл - масса поглощенных паров; дасор6 - масса сорбента.
На рисунке 4 представлена сорбционная емкость пенькокостры по отношению к органическим растворителям.
Сорбционная емкость пенькокостры по отношению к парам воды (гигроскопичность) превышает естественную влажность (12%) на 2,8%, что близко к аналогичным характеристикам отходов хлопкового и льняного производств. Для органических растворителей, кроме пропилового спирта, этот показатель выше: паров этанола сорбируются на 16,2% больше, чем паров воды, бутанола-1 - на 8%, а изоамилового спирта - на 5,6%.
Рис. 4. Сорбционная емкость пенькокостры по отношению к органическим растворителям
Выводы
Сорбционная емкость костры технической конопли сорта ЮСО-31 по отношению к органическим растворителям (этанолу, бутанолу-1 и изоамилово-му спирту) выше, чем к парам воды. Исключение составляет пропиловый спирт, пары которого сорбируются пенькокострой в том же количестве, что и пары воды.
Скорость сорбции паров органических одноатомных спиртов зависит от размера и формы радикала. Чем больше размер радикала, тем ниже скорость сорбции. Так, дифференциальная и интегральная скорость сорбции этанола выше, чем скорость изоамилового спирта, в 14 и 6 раз соответственно; также с увеличением радикала изменяется механизм сорбции.
Библиографический список
1. Степанова С.В., Шайхиев И.Г. Удаление ионов цинка из модельных растворов плодовыми оболочками зерновых культур // Вестник Казанского технологического университета. 2014. № 3. С. 166-168.
2. Степанова С.В., Шайхиев И.Г., Свергузо-ва С.В. Очистка модельных стоков, содержащих ионы тяжелых металлов, шелухой пшеницы // Вестник Белгородского государственного технологического университета им. В.Г. Шухова. 2014. № 6. С. 183-186.
3. Белопухов С.Л., Гришина Е.А., Васенев И.И., Риккардо Валентини. Способ очистки газов от оксида углерода: Патент РФ № 2533138. Заявка № 2012156460/089265 от 26.12.2012 г.
4. Белопухов С.Л., Прохоров И.С., Гришина Е.А. Высокоэффективный сорбент для поглощения диоксида углерода // Агроэкология. 2014. № 1. С. 62-64.
5. Шайхиев И.Г., Низамов Р.Х., Степанова С.В., Фридланд С.В. Отходы переработки льна в качестве сорбентов нефтепродуктов. Определение не-фтеемкости // Вестник Башкирского университета. 2010. № 2. С. 304-306.
6. Белопухов С.Л., Кочаров С.А., Сторчевой В.Ф. Теплоизоляционные материалы из отходов льняного производства // Научное обозрение. 2016. № 4. С. 15-20.
7. Бочкарев А.В., Белопухов С.Л., Осин Е.Н., Ляшевич Н.В., Трефилова А.Н. Водоудерживаю-
щая способность отходов переработки хлопковой ваты // Плодородие. 2007. № 3. С. 15-16.
8. Барыкина Ю.А., Белопухов С.Л. Исследование сорбции паров воды целлюлозосодержащими материалами // Известия ТСХА. 2016. № 2. С. 69-75.
9. Глазко В.И., Белопухов С.Л. Нанотехнологии и наноматериалы в сельском хозяйстве. М.: Изд-во РГАУ-МСХА имени К.А. Тимирязева, 2008. 228 с.
10. Белопухов С.Л., Фокин Е.В. Действие защитно-стимулирующих комплексов с эпином
на урожай и качество волокна льна-долгунца // Известия ТСХА. 2004. № 1. С. 32-39.
11. Белопухов С.Л., Малеванная Н.Н. Применение циркона для обработки посевов льна-долгунца // Плодородие. 2003. № 2. С. 33-35.
12. Корсун Н.Н., Белопухов С.Л., Фокин А.В., Самойлов В.П., Смирнов Н.А. Натуральные волокна в современных технических материалах. М.: Изд-во ВК, 2007. 160 с.
Статья поступила 21.09.2016 г.
SORPTION OF MONOBASIC (PRIMARY) ALCOHOLS BY FIRES HEMP
YULIA A. BARIKINA, PhD. Student SERGEY L. BELOPUKHOV, DSc (Ag), Professor
E-mail: [email protected]
Russian State Agrarian University - Moscow Agricultural Academy named after K.A. Timiryazev, Timiryazevskaya str., 49, Moscow, 127550, Russian Federation
The use of sorbents, received from plant roughage, allows not only to provide soul detoxication, but to utilize wastes of plant complex. Study sorption capacity of natural sorbents in relation to water and alcohols was carried out. The sorbents were produced from technical grade cannabis USO-31 with a particle size of 2 mm. It was found that the absorption dynamics of sorbents monoalcohols vapors from industrial hemp fires was more intense than water vapor. The maximum absorption capacity of hemp fires is observed in relation to ethanol and is 17.2 percent, and the minimum - water - 14.8 percent. Equations were calculated in the form of polynomials for the differential and integral sorption rates. It was shown that the kinetics of sorption and sorption capacity of the sorbent with respect to the absorbing molecules can be performed by comparing the coefficients of quadratic and linear term of the polynomial. The coefficient of the linear term in the polynomial equation is proportional to the effective sorption constant speed, and what its value is, the more the rate of sorption. Maximum sorption velocity and the coefficient of the linear term marked for ethanol, minimum - for isoamyl alcohol. Sorption equilibrium for all the studied samples is achieved in 5-6 hours.
Key words: fires hemp, sorption, sorption capacity, sorption rate, rate constant, monoalcohols.
References
1. Stepanova S.V., Shaikhiev I.G. Udalenie ionov tsinka iz model'nykh rastvorov plodovymi oboloch-kami zernovykh kultur [Removal of zinc ions from simulated solutions by fetal membranes of winter crops] // Vestnik of Kazan technological university. 2014. Issue 3. Pp. 166-168.
2. Stepanova S.V., Shakhiev I.G., Sverguzo-va S.V. Ochistka model'nykh stokov, soderzhash-chikh iony tyazhelykh metallov, shelukhoi pshenitsy [Modal sewage treatment, having heavy metals ions by wheat husk] // Vestnik of Belgorod state technical university named by V.G. Shukhov. 2014. Issue 6. Pp. 183-186.
3.Belopukhov S.L., Grishina E.A., Vasenev I.I., Riccardo Valentini. Sposob ochistki gazov ot oksi-
da ugleroda [Way of gas treatment from carbonic oxide]: Patent RF issue 2533138. Application issue 2012156460/089265 from 26.12.2012.
4. Belopukhov S.L., Prokhorov I.S., Grishina E.A. Vysokoeffektivniy sorbent dlya pogloshcheniya diok-sida ugleroda [High-performance sorbent for carbon dioxide absorption] // Agroecology. 2014. Issue 1. Pp. 62-64.
5. Shaikhiev I.G., Nizamov R. Kh., Stepanova S.V., Fridland S.V Otkhody pererabotki l'na v kachestve sorbentov nefteproduktov. Opredelenie nefteemkosti [Flax processing wastes as sorbents of petroleum derivatives] // Vestnik of Bashkirskiy university. 2010. Issue 2. Pp. 304-306.
6. Belopukhov S.L., Kocharov S.A., Storche-voy VF. Teploizolyatsionnye materially iz otkhodov l'nyanogo proizvodstva [Heat-insulation materials
from flax-production wastes] // Scientific review. 2016. Issue 4. Pp. 15-20.
7. Bochkarev A.V, Belopukhov S.L., Osin E.N., Lyashevich N.V., Trefilova A.N. Vodouderzhivayush-chaya sposobnost otkhodov pererabotki khlopkovoy vaty [Water retaining power of wastes from cotton wool processing] // Fertility. 2007. Issue 3. Pp. 15-16.
8. Barykina Yu.A., Belopukhov S.L. Issledovanie sorbtsii parov vody tsellyulozosoderzhashchimi materialami [Sorption investigation of water vapour by heat-insulation materials] // Izvestiya RSAU-MAA named after K.A. Timiryazev. 2016. Issue 2. Pp. 69-75.
9. Glazko V.I., Belopukhov S.L. Nanotekhnologii i nanomaterialy v sel'skom khozaystve [Nanotechnolo-gies and nanomaterials in farming]. M.: Publishing office RSAU-MAA named after K.A. Timiryazev, 2008. 228 p.
10. Belopukhov S.L., Fokin E.V. Deistvie zash-chitno-stimuliruyushchikh kompleksov s epinom na urozhai i kachestvo volokna l'na-dolguntsa [Protective - stimulating effect of complexes with epines on fiber flax harvest and quality] // Izvestiya RSAU-MAA named after K.A. Timiryazev. 2004. Issue 1. Pp. 32-39.
11. Belopukhov S.L., Malevannaya N.N. Prime-nenie tsirkona dlya obrabotki posevov l'na-dolguntsa [Zircon usage for crop care work of fiber flax] // Fertility. 2003. Issue 2. Pp. 33-35.
12. Korsun N.N., Belopukhov S.L., Fokin A.V., Samoylov VP., Smirnov N.A. Natural'nye volokna v sovremennykh tekhnicheskikh materialakh [Natural fibers in modern technical materials]. M.: Publishing office VK, 2007. 160 p.
Received on September 21, 2016 г.
УДК 621.3.049, 621.432.3
БЫКОВА ЕЛЕНА ВЛАДИМИРОВНА, канд. техн. наук, доцент
E-mail: [email protected]
Российский государственный аграрный университет - МСХА имени К. А. Тимирязева, ул. Тимирязевская, 49, Москва, 127550, Российская Федерация
ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ НАНЕСЕНИЯ
ЛАКОКРАСОЧНЫХ МАТЕРИАЛОВ, МОДИФИЦИРОВАННЫХ ПЕРФОРИРОВАННЫМИ НАНОМАТЕРИАЛАМИ
Приведены свойства перфторированных нанодобавок и лакокрасочных материалов (ЛКМ), модифицированных ими. Показана эффективность ЛКМ, модифицированных перфторированными наноматериалами (ПФНМ), в защите техники от атмосферных воздействий и коррозии. Рассмотрены способы нанесения ЛКМ, модифицированных ПФНМ. Практически проверена гипотеза об эффективности распылителя для нанесения ПФНМ, имеющего параболическую камеру распыла, вытекающая из особенностей физических (гидродинамических) свойств ПФНМ. Приведены результаты испытаний распылителей при нанесении ЛКМ, модифицированных ПФНМ. По результатам испытаний для нанесения ПФНМ можно рекомендовать ультразвуковые распылители с параболической камерой распыла как оборудование, позволяющее получать наиболее качественную плёнку модифицированного лакокрасочного покрытия (ЛКП).
Ключевые слова: перфторированные соединения, наноматериалы, лакокрасочные материалы (ЛКМ), лакокрасочные покрытия (ЛКП), оборудование для нанесения ЛКМ, распылители с параболической камерой.
Введение. Высокая работоспособность и безотказность техники - одно из необходимых условий эффективности производства. Важнейшим принципом современного механизма хозяйствования является внедрение передовых методов ремонта и обслуживания техники, сочетающееся с требованиями экономии материальных ресурсов. Перспективным направлением повышения надёжности техники является
использование наноматериалов для защиты её поверхностей от воздействия атмосферных, биологических, химических факторов, приводящих к коррозионному разрушению техники.
Современная химическая промышленность предлагает значительный ассортимент активных соединений и рецептур, предназначенных для защиты поверхностей, ремонта техники. Ряд из них требует
