СОРБЦИЯ ВОДОНЕФТЯНОЙ ЭМУЛЬСИИ ВЫСОКОПОРИСТЫМ СОПОЛИМЕРОМ СТИРОЛА И ДИВИНИЛБЕНЗОЛА Текст научной статьи по специальности «Нанотехнологии»

УДК 544.35+539.21

Широких С.А., Загоскин П.С., Королёва М.Ю.

СОРБЦИЯ ВОДОНЕФТЯНОЙ ЭМУЛЬСИИ ВЫСОКОПОРИСТЫМ СОПОЛИМЕРОМ СТИРОЛА И ДИВИНИЛБЕНЗОЛА

Широких Сергей Александрович, аспирант кафедры наноматериалов и нанотехнологии, e-mail: serega-teo@mail.ru

Загоскин Павел Станиславович, студент 4 курса кафедры наноматериалов и нанотехнологии, Королёва Марина Юрьевна, д.х.н., профессор кафедры наноматериалов и нанотехнологии

Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева, Москва, Россия 125047 Москва, Миусская пл., д. 9

Было исследовано влияние размера пор высокопористого сополимера стирола и дивинилбензола на его сорбционные свойства при поглощении водонефтяной эмульсии с долей дисперсной фазы 50 об.%. Для сорбции были использованы образцы сорбентов с размером пор 22,7 ± 0,8 мкм и 4,0 ± 0,3 мкм. Показано, что скорость сорбции в начальный период времени для обоих образцов составляла 0,15 ± 0,05 кг/(м2-с). При этом в образце с размером пор 4,0 ± 0,3 мкм достигалась сорбционная ёмкость, равная 28,1 ± 0,5 г/г, а в образце с размером пор 22,7 ± 0,5 мкм - ёмкость 12,5 ± 0,5 г/г.

Ключевые слова: пористый полимер, высокопористый сополимер стирола и дивинилбензола, высококонцентрированная обратная эмульсия, сорбция нефтепродуктов

SORPTION OF WATER-OIL EMULSION WITH A HIGHLY POROUS COPOLYMER OF STYRENE AND DIVINYLBENZENE

Shirokikh S.A., Zagoskin P.S., Koroleva M.Yu.

Mendeleev University of Chemical Technology, Moscow, Russia

The effect of the pore size of a highly porous styrene-divinylbenzene copolymer on its sorption properties upon absorption of an oil-water emulsion with a dispersed phase fraction of 50 vol. % was investigated. Were used samples of sorbents with a pore size of 22.7 ± 0.8 jm and 4.0 ± 0.3 jm. It was shown that the sorption rate in the initial period of time for both samples was 0.15 ± 0.05 kg/(m2-s). In this case, in a sample with a pore size of 4.0 ± 0.3 jm, a sorption capacity of 28.1 ± 0.5 g/g was achieved, and in a sample with a pore size of 22.7 ± 0.5 jm, a capacity of 12.5 ± 0.5 g/g.

Keywords: porous polymer, highly porous poly(styrene-co-divinylbenzene), highly concentrated W/O emulsion, oil spills sorption

Аварийные разливы нефтепродуктов являются экологической проблемой, масштабы которой увеличиваются вследствие роста промышленного использования нефти. Разливы происходят при добыче, транспортировке и эксплуатации нефтепродуктов на водных объектах и почве. Эффективным методом устранения тонких нефтяных плёнок, остающихся после первичной очистки водных объектов после разливов нефтепродуктов, является использование сорбентов.

Сорбент нефтепродуктов должен обладать плавучестью, гидрофобностью, поглощать значительное количество нефтепродуктов. Таким материалом может стать высокопористый сополимер стирола и дивинилбензола, полученный полимеризацией дисперсионной среды

высококонцентрированных обратных эмульсий [1-3], или композиционный материал с магнитными наночастицами на его основе [4]. При этом, изменяя размер пор и пористость полимерного материала, можно влиять на его сорбционные свойства, которые также зависят и от свойств сорбируемого нефтепродукта [5, 6].

Необходимо отметить, что при разливах нефтепродуктов на поверхности воды в природных условиях из-за наличия волн могут проходить

процессы самопроизвольного образования водонефтяных эмульсий, стабилизированных находящимися в составе нефти асфальтенами [7]. Поэтому необходимо исследовать сорбционные свойства материалов, используемых для ликвидации аварийных разливов нефтепродуктов, не только при сорбции чистых веществ, но и при поглощении водонефтяных эмульсий, для подтверждения их эффективности.

В выполненной работе было проведено исследование сорбционных свойств высокопористых сополимеров стирола и дивинилбензола с различными размерами пор при сорбции водонефтяной эмульсии.

Водонефтяная эмульсия была получена добавлением бидистиллированной воды к нефти при перемешивании со скоростью 1200 об/мин. Доля дисперсной фазы в полученной эмульсии составляла 50 об.%. На рисунке 1 представлена микрофотография такой эмульсии, полученная с помощью оптического микроскопа, а также распределение капель дисперсной фазы данной эмульсии по размерам. Средний размер капель дисперсной фазы составлял 2,5 ± 0,2 мкм, распределение по размерам было достаточно широким от 1,0 до 16,8 мкм.

(а)

10 мкм

80 70 / 60 4 50

V

£ 40 к

* 30 ¿20 10

о

(б)

- Т 4 III

О I 3 5 7 9 11 13151719 Д] 1а метр капель, мкм

Рис. 1. Микрофотография водонефтяной эмульсии (а) и распределение капель дисперсной фазы по размерам (б)

Для исследования сорбционных свойств в работе было получено два образца высокопористого сополимера стирола и дивинилбензола с различными размерами пор на основе высококонцентрированных обратных эмульсий. В качестве стабилизатора обратной эмульсии использовался

сорбитанмоноолеат с концентрацией 10 об.% от объема дисперсионной среды. Размер пор варьировали за счет изменения типа инициатора радикальной полимеризации - маслорастворимого пероксида бензоила и водорастворимого персульфата аммония с концентрацией 3 мас.% от массы сомономеров. Тип инициатора полимеризации влияет на размер пор высокопористых полимерных

материалов. При использовании водорастворимого инициатора создается избыточное осмотическое давление в каплях дисперсной фазы, препятствующее оствальдову созреванию, т.е. увеличению размеров капель до полимеризации [3, 5].

На рисунке 2 показана структура полученных высокопористых сополимеров стирола и дивинилбензола, полученная с помощью сканирующего электронного микроскопа (СЭМ). Средний диаметр пор составил 22,7 ± 0,8 мкм в случае использования маслорастворимого инициатора полимеризации и 4,0 ± 0,3 мкм в случае использования водорастворимого инициатора.

Рис. 2. СЭМ-изображения структуры полимерного материала, полученного с использованием маслорастворимого пероксида бензоила (а) и водорастворимого персульфата аммония (б)

Для определения влияния размера пор на сорбционные свойства сополимеров стирола и дивинилбензола было исследовано поглощение сорбентом водонефтяной эмульсии. Полученные кинетические кривые сорбции водонефтяной эмульсии представлены на рисунке 3.

О

к

S 25

Ш Ь

§ 20

1-4 I—i

о н

? О и

О b¡¡

S п

О S

« s

Размер пор сорбента, мкм -н-4,0 -©-22,7

О

У

10 -

5 0

о

Т-1-1-1-1-1

50 100 150 200 250 300

Время, мин

Рис. 3. Кинетические кривые сорбции водонефтяной эмульсии высокопористыми сополимерами стирола и дивинилбензола с разными размерами пор

Из полученных кинетических кривых была рассчитана скорость сорбции в начальный период времени, которая составила 0,15 ± 0,05 кг/(м2-с) для обоих образцов. Следует отметить, что образец со средним размером пор 4,0 мкм достигал сорбционной ёмкости в 28,1 ± 0,5 г/г за ~220 мин. Образец со средним размером пор 22,7 мкм достигал равновесия быстрее - за 100-120 мин, но сорбционная емкость была ниже - 12,5 ± 0,5 г/г. Полученные результаты свидетельствуют о том, что скорость сорбции в начальный период времени высоковязких жидкостей практически не зависит от размера пор высокопористых сополимеров стирола и дивинилбензола в диапазоне 4-23 мкм, что согласуется с результатами нашей предыдущей работы [5]. Также полученные данные показывают эффективность получаемых материалов при их

использовании в качестве сорбентов для удаления разливов нефтепродуктов с поверхности воды, способных поглощать как чистые жидкости с различной вязкостью, так и водонефтяные эмульсии.

Данная работа выполнена при финансовой поддержке Российского фонда фундаментальных исследований (грант № 20-03-00397).

Список литературы

1. Щербаков В.А., Хасанова Л.Х., Широких С.А., Ракитин А.И., Анисимова Е.Д., Корчагина М.Г., Королёва М.Ю. Изучение влияния концентрации пероксида бензоила на размер пор высокопористого сополимера стирола и дивинилбензола // Успехи в химии и химической технологии. - 2017. - Т. 31, N° 13 (194). - С. 26-28.

2. Королева М. Ю., Щербаков В.А., Хасанова Л.Х., Ракитин А.И., Широких С.А., Юртов Е.В. устойчивость обратных высококонцентрированных эмульсий и структура высокопористого полистирола, полученного на их основе // Коллоидный журнал. -2018. - Т. 80. - №. 3. - С. 290-299

3. Широких С.А., Кулиева Л.Э., Королева М.Ю., Юртов Е.В. Влияние устойчивости высококонцентрированных эмульсий со стиролом и дивинилбензолом на структуру высокопористого сополимера на их основе // Коллоидный журнал. -2020. - Т. 82. - №. 6. - С. 771-780.

4. Shirokikh S.A., Koroleva M.Y., Montalvan-Estrada A., Yurtov E.V. Highly porous polymeric composite with y-Fe2Ü3 nanoparticles for oil products sorption // Revista Cubana de Química. - 2020. - Vol. 32(1). - P.104-116.

5. Koroleva M.Y., Shirokikh S.A., Zagoskin P.S., Yurtov E.V. Controlling pore sizes in highly porous Poly (Styrene-Divinylbenzene) sponges for preferable oil sorption // Polymer Testing. - 2019. - Vol. 77 - P. 105931.

6. Koroleva M.Yu., Shirokikh S.A., Khasanova L.Kh., Babusenko E.S., Yurtov E.V. Highly porous polymeric sponges for oil sorption // Mendeleev Communications. - 2019. - Vol. 29. - P. 176-177

7. Fingas M., Fieldhouse B. Studies of the formation process of water-in-oil emulsions //Marine pollution bulletin. - 2003. - V. 47(9-12). - P. 369-396.