CC BY
67
Т. А. Прокопенко, С. В. Степанова, И. Г. Шайхиев
ВЛИЯНИЕ ОБРАБОТКИ РАСТВОРАМИ КИСЛОТ НА МАСЛОЕМКОСТЬ И СТРУКТУРУ ПОВЕРХНОСТИ СЕМЕННЫХ ОБОЛОЧЕК ПШЕНИЦЫ
Ключевые слова: семенные оболочки пшеницы, нефтепродукты, маслоемкость, водопоглощение, сорбционная емкость.
Исследовано влияние химической обработки растворами кислот на маслоемкость и маслопоглощение семенных оболочек пшеницы. Показано, что модификация серной кислотой приводит к увеличению маслопоглоще-ния, уксусной кислотой - к повышению водопоглощения. Найдено, что растворы кислот малой концентрации не влияют на структуру биополимеров, входящих в состав семенных оболочек пшеницы, а лишь способствуют сглаживанию структуры поверхности сорбционного материала.
Keywords: seed covers of wheat, oil products, oil sorption, water absorption, sorption of capacity.
Influence of chemical processing by solutions of acids on a sorption of oil of seed covers of wheat is investigated. It is shown that updating by sulfuric acid leads to increase in a sorption of oil, acetic acid - to water adsorption increase. It is found that solutions of acids of small concentration don't influence structure of the biopolymers which are a part of seed covers of wheat, and only promote smoothing of structure of a surface of a sorption material.
Одним из глобальных вопросов охраны окружающей среды является проблема очистки земной и водной поверхности от органических соединений, нефтии продуктов ее переработки, наносящихпос-ледними неизмеримого ущерба при попадании в биосферу в результате аварийных разливов и хозяйственной деятельности.
Технические масла являются одним из существенных источников загрязнения окружающей среды - почвы, поверхностных водоисточников и грунтовых вод. Огромный экологический ущерб наносит слив вместе с промышленными и бытовыми стоками отработанных масел на поверхность почвы и водоёмов. Масла, смазочные материалы образуют на поверхности воды пленку, которая препятствует газообмену между водой и атмосферой, что снижает степень насыщенности воды кислородом.
Наиболее эффективным средством удаления вышеназванных поллютантов, в частности, является сорбционная очистка [1].
На сегодняшний день для ликвидации разливов нефтепродуктов используется более двухсот различных сорбентов неорганического, естественного органического и органоминерального, а также синтетического происхождения. Также известны средства сорбционной очистки поверхности почвы от нефти и нефтепродуктов, которые включают применение органических материалов естественного и искусственного происхождения: деревянных опилок, торфа, шерсти, активированного угля, полистирола, и т.д. [2-4].
Сорбционные материалы (СМ) на основе различных отходов сельскохозяйственного производства недороги, имеют большую возобновляемую сырьевую базу и, обладая развитой поверхностью, хорошо и быстро впитывают нефть и продукты ее переработки. Проведенными ранее исследованиями показано, что перспективными СМ для удаления нефтей являются отходы от переработки зерновых сельскохозяйственных культур [5-9].
Ранее проведеннымиработами по исследованию очистки поверхности воды от нефтей девонского и карбонового отложений с помощью семенных
оболочек пшеницы (СОП), химически обработанной растворами кислот, в статических условиях, показано увеличение сорбционных свойств исследуемого СМ, а именно, гидрофобности и нефтеемкости [10].
В связи с вышеизложенным, в данной работе представлены данные по исследованию возможности удаления масляных пленок с водной поверхности с использованием СОП и увеличение олеофиль-ности за счет обработки СМ растворами кислот.
Экспериментальная часть
Обработка исследуемого СМ проводилась слабыми растворами серной (СК) и уксусной (УК) кислот (0,5-3%) в течение 15-60 минут при комнатной температуре. Ход проведения экспериментов заключался в следующем. В колбы объемом 500 мл наливалось 125 мл раствора СК или УК определенной концентрации (0,5%, 1% или 3%) и загружалось по 10 гСОП. Содержимое сосуда тщательно перемешивалось в течение определенного количества времени (15, 30, 45 и 60 мин), затем образцыСМ промывались дистиллированной водой до достижения последней нейтральной среды и помещались в сушильный шкаф при температуре 100±5 0С и высушивались до постоянной массы.
Сорбционные свойства СОП рассматривались как в чистом виде, так и после обработки образцов растворами вышеназванных кислот в различных концентрациях. В качестве нефтепродукта использовались масла марок И-20А, КС-19, ТП-22.
Первоначально определялась максимальная маслоемкость СОП в статических условиях. Эксперимент был проводился следующим образом. В чашки Петри помещались латунные сетки и наливалось по 50 мл масла определенной марки. Затем на поверхность сорбата сплошным слоем наносился исследуемый СМ в количестве 1 г. Через определенные промежутки времени (5, 15, 30, 45 и 60 мин) с помощью сетки снимался исследуемый образец, давалосьвремя для стекания избыточной части нефтепродукта с образца СМ и производилось взвешивание его на лабораторных весах.
Маслоемкость (статическая) определялась как отношение массы поглощенного нефтепродукта к массе материала, потраченного на сорбцию:
А ~ тпогл 1 тсорб,
где щ,огл - масса поглощенного нефтепродукта, г; Щ;орб - масса сорбционного материала, г; А - масло-емкость, г/г.
Суммарная сорбционная емкость (маслопо-глощение + водопоглощение) каждого СМ определялась по следующей методике. В чашки Петри помещалось предварительно взвешенное круглое латунное сито и наливалось 50 мл воды. Затем на водную поверхность приливалось 3 мл масла для имитации антропогенного загрязнения. Учитывая тот факт, что плотность масла меньше плотности воды и они нерастворимы, все прилитое масло находилось над поверхностью водного слоя. Затем 1 г исследуемого СМ сплошным слоем наносился на поверхность воды, загрязненной маслом. Через определенный промежуток времени (5, 15, 30, 45 и 60 мин) с помощью сита снимали исследуемый образец, дава-лосьвремя для стекания избыточной части нефтепродукта с образца СМ и производилось взвешивание его на лабораторных весах. Остаточное содержание масла в чашке Петри определялось экстракцией последнего с помощью СС14, количество сорбированной воды и масла - по разнице масс.
Суммарная сорбционная емкость определялась как отношение массы сорбированного масла и воды к массе СМ, потраченного на сорбцию:
С ~ тпогл 1 тсорб,
где Шцогл - масса поглощенного масла (воды), г; Щ;орб - масса сорбционного материала, г; С -суммарная сорбционная емкость, г/г.
Обсуждение результатов
Проведенными экспериментами по определению максимальной маслоемкости определено, что по отношению к маслу КС-19 наибольшей величиной обладают образцы СОП, обработанной 3 %-ным раствором СК с временем выдержки 30 мин и 0,5 %-ным раствором УК с временем выдержки 15 мин. По отношению к маслу марки И-20 - образцыСОП, обработанные 3 %-ным раствором СК с временем выдержки 45 мин и 0,5 %-ным раствором УК с временем выдержки 15 мин; по отношению к маслу марки ТП-22 - образцы СОП, обработанные 0,5 %-ным раствором СК с временем выдержки 15 мин и 3 %-ным раствором УК с временем выдержки 15 мин. Полученные максимальные значения маслоемкости исходных СОП и подвергнутых обработке растворами кислот представлены в таблице 1. Очевидно, что взаимодействие образцов исследуемого СМ со слабыми растворами кислот приводит к некоторому увеличению значений максимальной маслоемкости.
В связи с вышеизложенным, для проведения экспериментов по исследования сорбции масел с поверхности воды использовались образцы СОП, полученные после обработки кислотами в режимах, при которых достигается наилучшие показатели сорбционной емкости.
Полученные значение маслопоглощения и во-допоглощения простых СОП и образцов последних, обработанных УК и СК в экспериментах по удалению масел с водной поверхности, представлены в табл. 2.
Таблица 1 - Максимальная маслоемкость образцов
СМ Максимальная маслоемкость, г/г
КС-19 И-20А ТП-22
СОП 9,2 3,47 5,25
СОП+СК 10,2 4,91 5,43
СОП+УК 11,7 3,71 5,80
Таблица 2 - Значения масло- и водопоглощения модификатов СОП
СМ Маслопоглоще- Водопоглощение,
ние, г/г г/г
ТП- КС- И- ТП- КС- И-
22 19 20А 22 19 20А
СОП 2,26 2,23 2,24 1,98 1,04 1,09
СОП+СК 2,64 2,61 2,24 1,56 2,39 1,11
СОП+УК 2,24 2,59 2,58 2,67 2,23 1,95
Анализ данных, приведенных в таблице 2, показал, что обработка СОП слабыми растворами кислот способствует некоторому увеличению масло-поглощения и водопоглощения. Данное обстоятельство объясняется тем, что слабые растворы минеральных и органических кислот при температуре до 70 °С не оказывают разрушающего действия на целлюлозу [11] и не меняют химического строения биополимеров, входящих в состав СОП. Подтверждением вышесказанному является идентичность ИК-спектров исходного СМ (спектр 1) и обработанного 0,5 %-ным раствором серной кислоты (спектр 2) в течение 15 мин (рис. 1).
Ша¥епитЬегі (ст-1)
Рис. 1 - ИК-спектры образцов: 1 - исходныеСОП, 2 - СОП, обработанные 0,5 %-ным раствором серной кислоты
обработки - 0,3-0,8 мкм (рис. 3б). При этом наибольшее количество (12 %) чешуек исходного образца СМ имеют высоту выступающих фрагментов
0,75 мкм, а после обработки растворами кислот -наибольшее количество выступающих фрагментов поверхности (9 %) имеют высоту 0,55 мкм.
Рис. 2 - Дифрактограммы: а - исходных СОП, б -образцов СОП, обработанных 0,5%-ным раствором серной кислоты
В неорганических кислотах в определенном интервале их концентраций в растворе происходит набухание целлюлозы без одновременного образования эфиров или деструкции. В данном процессе происходит раскручивание целлюлозных волокон, а также разрушение водородных связей между молекулами последних, цепочки молекул раздвигаются молекулами воды (или молекулами поглощенного реагента), и образуются новые связи - между молекулами целлюлозы и воды (или реагента), что приводит к увеличению как маслопоглощения, так и водопоглощения.
Рентгеноструктурный анализ (рис. 2) исходного и модифицированного образцов СОП показал образование у вторых более упорядоченной структуры материала за счет поверхностно-структурных изменений без какой-либо химической модификации волокон при их взаимодействии с растворами кислот.
Фотографии поверхности, сделанные с помощью зондового сканирующего микроскопа, показали, что обработка кислотами малой концентрации приводит к сглаживанию выступающих фрагментов поверхности исследуемого СМ. Так, например, выступающие фрагменты чешуек исходной СОП имеют размеры 0,6-0,9мкм (рис. 3а), после кислотной
б
Рис. 3 - Микрофотографии поверхности: а - исходные СОП, б - СОП, обработанные раствором серной кислоты
Таким образом, обработка образцов СОП слабыми растворами серной и уксусной кислот приводит к разрыхлению структуры целлюлозы и ее спутников, упорядочиванию поверхности, что приводит к увеличению емкости исследуемого сорбционного материала.
Литература
1. Смирнов А. Д. Сорбционная очистка воды / А. Д. Смирнов. - Л.: Химия, 1982. - 168 с.
2. Кинле Х. Активные угли и их промышленное применение / Х. Кинле, Э. Бадер. - М.: Химия, 1984.- 215 с.
3. Хасанов И. Ю. К созданию сорбента из древесных опилок для сбора аварийных разливов нефти / И. Ю. Хасанов, В. И. Рогозин, Р. Ю. Хасанов // Трубопро-вод.трансп. нефти. - 1995. - № 8. - С. 22-26.
4. Белькевич П. И. Торф и проблема защиты окружающей среды / П. И. Белькевич, Л. Р. Чистова. - Минск: Наука и техника, 1979. - 60 с.
5. Шайхиев И.Г. Исследование удаления нефтяных пленок с водной поверхности плазмообработанными отходами злаковых культур. 1. Лузгой овса / И.Г. Шайхиев, С.В. Степанова, В.А. Доможиров, И.Ш. Абдуллин // Вестник Казанского технологического университета. -2011. - № 12. - С. 110-117.
6. Шайхиев И.Г. Исследование удаления нефтяных пленок с водной поверхности плазмообработанными отходами злаковых культур. 2. Лузгой пшеницы / И.Г. Шайхиев, С.В. Степанова, С.М. Трушков, И.Ш. Абдуллин // Вестник Казанского технологического университета. - 2011. - № 13. - С. 84-88.
7. Шайхиев И.Г. Исследование удаления нефтяных пленок с водной поверхности плазмообработанными отходами злаковых культур. 3. Лузгой ячменя / И.Г. Шайхиев, С.В. Степанова, О.А. Кондаленко, И.Ш. Абдуллин // Вестник Казанского технологического университета. -2011. - № 15. - С. 244-250.
8. Сергиенко В. И. Возобновляемые источники химического сырья: комплексная переработка отходов произ-
а
б
а
водства риса и гречихи / В. И. Сергиенко, Л. А. Земну-хова, А. Г. Егоров // Журнал Рос.хим. общества им. Д. И. Менделеева. - 2004. - т. 48. - № 3. - С. 116-124.
9. Богомолов, А.В. Переработка продукции растительного и животного происхождения / А. В. Богомолова, Ф. В. Перцевой. - СПб: ГИОРД, 2003. - 336 с.
10. Шайхиев И.Г. Отходы от переработки сельскохозяйственных культур в качестве сорбентов для удаления
нефтяных пленок с поверхности воды / И.Г. Шайхиев, О.А. Кондаленко, С. М. Трушков // Экспозиция Нефть Газ. - 2010. - № 5. - С. 46-50.
11. Роговин З. А.Химия целлюлозы / З.А. Роговин. -М.: Химия, 1972. - 520 с.
© Т. А. Прокопенко - асп. каф. инженерной экологии КНИТУ; С. В. Степанова - канд. техн. наук, доц. той же кафедры; И. Г. Шайхиев - д-р техн. наук, проф., зав. каф. инженерной экологии КНИТУ, [email protected].
