CC BY
44
УДК 628.613.12
Т. Р. Денисова, И. Г. Шайхиев, И. Я. Сиппель, Н. П. Кузнецова, А. Ю. Мубаракшина
ВЛИЯНИЕ КИСЛОТНОЙ ОБРАБОТКИ ОПИЛОК ЛИПЫ НА НЕФТЕЕМКОСТЬ
Ключевые слова: опилки липы, нефтеемкость, водопоглощение, растворы кислот, обработка.
Исследовано влияние обработки слабоконцентрированными растворами кислот на нефтеемкость и водопоглощение альтернативных сорбционных материалов - опилок липы. Определено, что такая обработка способствует увеличению нефтеемкости образцов сорбционного материала, причем, наибольшее значение нефтеемкости достигается при модификации опилок 3 %-ным раствором азотной кислоты.
Keywords: linden sawdust, oil sorption capacity, water sorption, acid solutions, treatment.
The influence of low concentration acid solutions treatment on oil and water sorption capacity of alternative sorption material represented by linden sawdust has been investigated. It's determined that such a treatment contributes to increase oil sorption capacity of the sorption material samples, and the highest value of oil sorption capacity is attained with treatment of sawdust by 3% concentration nitric acid.
Нефть и продукты ее переработки составляют неотъемлемую часть современного мира: это не только топливо, растворители, различные смазочные материалы и т.д., но еще и колоссальные денежные эквиваленты. В мире насчитывается более 40 тысяч нефтяных месторождений - потенциальных очагов воздействия на природные геосистемы, кроме того, загрязнением окружающей среды углеводородами всегда сопровождаются процессы переработки, транспортировки и хранения нефти. В настоящее время ежегодно поверхность земного шара загрязняет порядка 30 млн. т нефти [1].
При попадании на водную поверхность нефть и нефтепродукты быстро загрязняют обширные территории, образуя на поверхности тонкую плёнку, которая нарушает естественный газообмен, оказывая негативное влияние на биоценозы и экосистемы в целом [2].
Несмотря на наличие различных методов очистки водных поверхностей от нефти и нефтепродуктов, проблема поиска и разработки новых способов решения данной проблемы остается актуальной и, более того, приобретает глобальный характер. Мировой опыт и анализ последних исследований показывают, что наиболее перспективной становится очистка водных сред от нефти и нефтепродуктов при помощи альтернативных сорбционных материалов (СМ), представляющих собой отходы сельскохозяйственного и деревообрабатывающего производств [3-15]. Такие биосорбенты не только обладают высокими значениями нефтеемкости, но и в отличие от синтетических СМ являются максимально доступными, экологически чистыми и экономически целесообразными, а также могут быть легко утилизированы.
Наличие широкой сырьевой базы и легкая доступность явились одной из причин изучения свойств древесного опила для дальнейшего его использования в качестве СМ для удаления нефти и продуктов ее переработки с водной поверхности. В предыдущей работе [16] была показана возможность применения опила ясеня (Б.Усхтш вхсеЫог) в качестве эффективного СМ, обладающего высоким значением нефтеемкости.
Для улучшения сорбционных характеристик материалов применяют различные способы модификации, однако, наиболее популярной является химическая обработка различными реагентами, позволяющая повысить нефтеемкость и гидрофобность СМ [8-14].
В продолжение исследований возможности применения опила лиственных деревьев в качестве СМ нефти, а также способов повышения нефтеемкости последних, в данной работе были изучены свойства опила липы (ТШа согй^а).
Экспериментальная часть
На первоначальном этапе исследований определен фракционный состав опила ТШа согйаа, являющегося отходом деревообрабатывающего предприятия в г. Набережные Челны. Ситовой анализ показал, что используемый СМ имеет различный фракционный состав (рис. 1).
А
<0,5 0,5-1 1 -2 2 - 3 3 -5 >5 Размер частиц фракции, мм
Рис. 1 - Гистограмма распределения опила липы по фракциям
Для проведения дальнейших исследований использовалась фракция СМ с размером частиц 1 - 2 мм. Определены следующие физико-механические характеристики исследуемого опила: насыпная плотность - 0,14 г/см3, влажность - 7,30 %, зольность - 0,44 %, плавучесть - 64,4 %.
В качестве сорбата выступали нефть карбоново-го и девонского отложений, добытая в НГДУ «Ле-ниногорскнефть» ПАО «Татнефть», с физико-химическими характеристиками, приведенными в таблице 1.
Таблица 1 - Показатели качества нефтей девонского и карбонового отложений
Наименование показателя Значения
Девонская нефть Карбо-новая нефть
Плотность нефти при 20°С, кг/м3 868 882
Массовая доля воды, % 0,03 0,09
Массовая доля механических примесей, % 0,05 0,009
Массовая доля серы, % 1,79 3,49
Массовая доля асфальтенов, % 3,98 4,89
Массовая доля парафинов, % 4,66 2,59
Массовая доля силикатных смол, % 18,05 20,41
Для определения нефтеемкости образцов опилок в статических условиях в чашки Петри помещалась предварительно взвешенная латунная сетка, наливалось 50 см3 нефти и сплошным слоем наносился образец СМ массой 1 г. Через определенные промежутки времени (1 - 30 минут) образцы извлекались и после стекания избыточного количества нефти взвешивались на лабораторных весах. Статическая нефтеемкость определялась как отношение масс поглощенной нефти к массе СМ:
т
А _ погл
т серб
где тпогл - масса поглощенной нефти, г; тсорб - масса СМ, г.
Графики зависимости массы поглощенной нефти от вида последней и времени контактирования сор-бата с опилками приведены на рисунке 2.
Рис. 2 - Зависимость сорбционной емкости от времени контакта и вида сорбата
Очевидно, что основное поглощение нефти опилками происходит в первые 3 минуты контактирования и, в дальнейшем, масса поглощенной нефти значительно не изменяется. Определено, что максимальное значение нефтеемкости составляет 4,51 г/г для нефти девонского отложения и 5,27 г/г - для нефти карбонового отложения.
Результаты предыдущих исследований показывают, что обработка целлюлозосодержащих СМ, в том числе древесных опилок, слабоконцентрированными растворами кислот способствует увеличе-
нию нефте- и маслоемкости реагентов [16-21]. Для изучения влияния вида и концентраций кислот на показатель максимальной нефтеемкости опилок на следующем этапе работы производилось обработка исходного СМ 0,5, 1 и 3 %-ными растворами серной, азотной, ортофосфорной, уксусной, соляной и хлорной кислот. Для этого в плоскодонные колбы объемом 250 см3 наливалось по 200 см3 раствора кислоты соответствующей концентрации (0,5 - 3 %) и помещалось по 10 г опилок липы. Содержимое тщательно перемешивалось в течение 30 минут при температуре 20 °С. Затем модифицированные опилки несколько раз промывались дистиллированной водой и сушились при 70 °С до достижения постоянной массы.
Далее исследовалась сорбционная способность кислотообработанных образцов опилок по отношению к нефти девонского и карбонового отложений по методике, приведенной выше, а также определены физико-механические характеристики обработанных кислотами образцов СМ. Полученные значения показателя максимальной нефтеемкости в зависимости от вида нефти и концентрации кислот, приведены в таблице 2.
Таблица 2 - Значения максимальной нефтеемкости опилок липы в зависимости от вида и концентрации кислоты по отношению к нефти девонского и карбонового отложений
Максимальная нефтеем-
кость опилок при обработ-
Кислота ке кислотами концентра-
цией, г/г
0,5 % 1 % 3 %
Нефть девонского отложения
Серная 5,18 5,79 5,66
Азотная 5,81 5,89 5,99
Соляная 5,19 5,61 5,46
Хлорная 4,86 5,09 4,92
Ортофосфорная 5,75 5,91 5,73
Уксусная 4,96 5,29 4,94
Без обработки 4,51
Нефть карбонового отложения
Серная 6,04 6,59 6,48
Азотная 6,63 7,11 7,24
Соляная 6,20 6,53 6,27
Хлорная 6,08 6,40 6,30
Ортофосфорная 5,93 6,95 6,66
Уксусная кислота 5,70 6,17 6,35
Без обработки 5,27
Как следует из результатов исследований, наибольшей нефтеемкостью по сравнению с исходным материалом обладает образец, обработанный 3 %-ным раствором азотной кислоты (5,99 г/г (увеличение на 32,8 %) и 7,24 г/г (увеличение на 37,4 %) для девонской и карбоновой нефти, соответственно. Наименьшие значения нефтеемкости наблюдаются для образцов опила, обработанных уксусной кислотой в различных концентрациях.
В результате исследования физико-механических свойств модифицированных образцов СМ (табл. 3) определено, что кислотная обработка приводит к
снижению насыпной плотности опилок по сравнению с исходным материалом, что свидетельствует об увеличении пористости СМ и, соответственно, его максимальной нефтеемкости. Также обработка растворами кислот позволяет увеличить плавучесть опилок, т.е. способствует повышению гидрофобности СМ, что может быть связано с вымыванием водорастворимых соединений из матрицы опилок.
Таблица 3 - Физико-механические свойства образцов опилок липы, обработанных 3 %-ными растворами кислот
Модифицирующий реагент
Характеристика образца СМ % % 3 ^ О т (N К % % 3 О ъ к HCl 3% % % 3 ^ О Cl H % % 3 ^ О Рч m H CH3COOH 3% Без обработки
Влажность, % 4,48 4,79 5,11 6,76 4,44 4,19 7,30
Зольность, % 0,02 0,03 0,03 0,02 0,04 0,07 0,44
Плавучесть, % 73,4 70,9 69,6 70,1 73,9 68,5 64,4
Насыпная
плотность, 0,11 0,11 0,11 0,11 0,10 0,11 0,14
г/см3
Поскольку удаление нефти при разливах происходит с поверхности воды, СМ может поглощать как нефть, так и воду. Следовательно, важной характеристикой нефтесорбентов является показатель максимального водопоглощения, который определялся на следующем этапе работы по методике, аналогичной определению нефтеемкости с той разницей, что в чашки Петри наливалась дистиллированная вода.
Результаты, представленные в табл. 4, свидетельствуют, что обработка опилок слабоконцентрированными растворами кислот, в целом, способствует снижению значения водопоглощения, что также подтверждает повышение гидрофобности СМ.
Таблица 4 - Значения максимального водопо-глощения опилок липы в зависимости от вида и концентрации кислоты
Кислота Максимальное водопо-глощение опилок при обработке кислотами концентрацией
0,5 % 1 % 3 %
Серная 5,25 5,52 5,92
Азотная 5,96 5,63 5,70
Соляная 6,85 6,24 6,05
Хлорная 6,29 5,65 5,87
Ортофосфорная 6,26 5,72 5,26
Уксусная 6,21 6,28 5,87
Без обработки 6,47
Таким образом, в ходе выполнения данной работы было подтверждено, что обработка опилок липы слабоконцентрированными растворами кислот способствует увеличению показателя максимальной нефтеемкости СМ, при этом наилучшие показатели по исследуемым параметрам были получены для образцов опилок, обработанных 3%-ным раствором азотной кислоты.
Литература
1. Л.А. Марченко, Е.А. Белоголов, А.А. Марченко, О.Н. Бугаец, Т.Н. Боровикова, Научный журнал КубГАУ, 84, 10, 864-873 (2012).
2. Н.М. Привалова, М.В. Двадненко, А.А. Некрасова, О.С. Попова, Д.М. Привалов, Научный журнал КубГАУ, 113, 09, 307-316 (2015).
3. R. Wahi, L.A. Chuah, T.S.Y. Choong, Z. Ngaini, M.M. Nourouzi, Separation and Purification Technology, 113, 51-63
(2013).
4. F. Kaczala, М. Marques, W. Hogland, Journal of Environmental Protection, 5, 368-375 (2014).
5. N.A. Sobgaida, L.N. Olshanskaya, Yu.A. Makarova, Chemical and Petroleum Engineering, 46, 3-4, 171-177 (2010).
6. М. Hussein, А.А. Amer, I.I. Sawsan, Journal of Petroleum Technology and Alternative Fuels, 2, 8, 132-140 (2011).
7. C.P. Ukpaka, E.Ibiso, International Research Journal of Biotechnology, 4, 7, 124-141 (2013).
8. S.S. Banerjee, M.V. Joshi, R.V. Jayaram, Chemosphere, 64, 1026-1031 (2006).
9. С.Ф. Якубовский, Ю.А. Булавка, Л.А. Попкова, С.С. Писарева, Вестник Полоцкого государственного университета, 11, 110-115 (2013).
10. M.A. Abdullah, A.U. Rahmah, Z. Man, Journal of Hazardous Materials, 177, 683-691 (2010).
11. J. Wang, Y. Zheng, A. Wang, Chemical Engineering Journal, 213, 1-7 (2012).
12. S.M. Sidik, A.A. Jalil, S. Triwahyono, S.H. Adam, M.A.H. Satar, B.H. Hameed, Chemical Engineering Journal, 203, 9-18 (2012).
13. S. Ibrahim, S. Wang, H.M. Ang, Biochemical Engineering Journal, 49, 78-83 (2010).
14. И.Г. Шайхиев, Все материалы. Энциклопедический справочник, 12, 29-42 (2008).
15. Т.Р. Денисова, И.Г. Шайхиев, И.Я. Сиппель, Вестник технологического университета, 18, 17, 233-237 (2015).
16. О.А. Кондаленко О.А., И.Г. Шайхиев, С.М. Трушков, Экспозиция Нефть Газ, 5, 46-50 (2010).
17. С.В. Степанова, И.Г. Шайхиев, Э.М. Хасаншина, С.В. Фридланд, Вестник Башкирского университета, 15, 3, 607609 (2010).
18. Т.А. Прокопенко, С.В. Степанова, И.Г. Шайхиев, Вестник Казанского технологического университета, 14, 182186 (2012).
19. С.В. Степанова, А.Ш. Шаймарданова, И.Г. Шайхиев, Вестник Казанского технологического университета, 14, 215-217 (2013).
20. И.Г. Шайхиев, С.В. Степанова, В.В. Доможиров, Вестник Казанского технологического университета, 8, 228-231
(2014).
© Т. Р. Денисова - асп. каф. инженерной экологии КНИТУ, [email protected], И. Г. Шайхиев - д.т.н., зав. каф. инженерной экологии КНИТУ; И. Я. Сиппель - к.х.н., доц. каф. химии и экологии КП(Ф)У; Н. П. Кузнецова - студ. той же кафедры; А. Ю. Мубаракшина - студ. той же кафедры.
© T. R. Denisova - graduate student of chair of Engineering ecology in KNRTU, [email protected], I. G. Shaikhiev - doctor of technical sciences, the head of chair of Engineering ecology in KNRTU; I. Ya. Sippel - candidate of chemical sciences, assistant professor of the chair of chemistry and ecology in KV(F)U, N. P. Kuznetsova - students of the chair of chemistry and ecology in KV(F)U, A. Yu. Mubaracshina - students of the chair of chemistry and ecology in KV(F)U.
