CC BY
39
УДК 628.543.5.665
И. Г. Шайхиев, З. Т. Фазуллина, И. Ш. Абдуллин,
И. Г. Гафаров
ВЛИЯНИЕ ОБРАБОТКИ ВЧ-ПЛАЗМОЙ ПОНИЖЕННОГО ДАВЛЕНИЯ НА ЭФФЕКТИВНОСТЬ УДАЛЕНИЯ ОТХОДОМ ВАЛЯЛЬНО-ВОЙЛОЧНОГО ПРОИЗВОДСТВА С ВОДНОЙ ПОВЕРХНОСТИ МАСЛА ТП-22
Ключевые слова: масло трансмиссионное, отход валяльно-войлочного производства, удаление с водной
поверхности, модификация плазмой.
Исследованы сорбционные характеристики отхода валяльно-войлочного производства (кноп) по отношению к маслу марки ТП-22. Показана возможность увеличения маслоемкости и уменьшения водопоглощения кнопа путем обработки высокочастотной плазмой пониженного давления.
Keywords: transmission oil, waste walk-tomentose production, removal from the water surface, the modification of the
plasma.
Sorption characteristics of the waste walk-tomentose production (knop) with respect to oil grades TP-22. The possibility of increasing oil absorption and reduce water absorption by knop processing high-frequency plasma of reducedpressure.
В продолжение работ по использованию отходов сельскохозяйственного производства в качестве перспективных сорбционных материалов (СМ) для удаления нефти и продуктов ее переработки из водных сред [1-5] исследована сорбция масел с водной поверхности кнопом -отходом валяльно-войлочного производства, образующимся на стадии шероховки валяльно-войлочных изделий. Ранее было показано, что кноп является эффективным СМ для удаления нефти различных отложений и месторождений с водной и твердой поверхности [6-8], а увеличение сорбционных характеристик и гидрофобности возможно с помощью плазменной обработки.
Исследованы сорбционные характеристики кнопа по отношению к маслам марок И-20А, ТП-22 и КС-19, применяемым, в частности, в технологическом процессе на ОАО «Сантехприбор» и входящих в состав промышленных стоков. Физико-технические показатели исследуемых масел приведены в таблице 1.
Исследуемый кноп, образующийся при производстве валяльно-войлочных изделий на ОАО «Кукморский валяльно-войлочный комбинат», имеет следующие физические свойства: насыпная плотность - 0,105 г/см3, влажность - 5,8 %, зольность - 0,716 %, плавучесть - 89,5 %.
Первоначально определялись значения маслоемкости в статических и динамических условиях и максимального водопоглощения, приведенные в таблице 2.
Из приведенных в таблице 2 данных видно, что наименьшим значением маслоемкости кноп обладает по отношению к маслу марки ТП-22. С целью увеличения маслоемкости и снижения водопоглощения исследуемого СМ, проводилась обработка кнопа в потоке высокочастотной (ВЧ) плазмы пониженного давления. Исследовалось влияние ВЧ низкотемпературной плазменной обработки кнопа на его сорбционные свойства по отношению к маслу марки ТП-22, также на увеличение гидрофобности. Первоначально в качестве плазмообразующих газов использовались воздух, смеси пропана с бутаном, аргона с воздухом, аргона с пропаном в соотношениях 70:30.
Режимы с варьированием параметров, при которых проводилась плазменная обработка, приведены в таблице 3.
Таблица 1 - Паспорта качества масел
Наименование показателя Марка масла
КС-19 ТП-22 И-20А
Норма по ГОСТ
Кинематическая вязкость при 40°С, мм2/с 18-22 28,8-35,2 29-35
Плотность, кг/м не более 905 900 890
Температура вспышки в открытом тигле, не ниже °С 260 260 200
Температура застывания, не выше °С -15 -15 -15
Кислотное число, мг КОН/г, не более 0,02 0,07 0,03
Содержание (массовая доля), не более: - водорастворимых кислот и щелочей, % - механических примесей, % - воды, % - серы, % - летучих низкомолекулярных кислот, мг КОН/г отсутствие отсутствие отсутствие 1,0 0,5 отсутствие отсутствие отсутствие 0,5 0,02 отсутствие отсутствие следы 1,0 0,3
осадок (массовая доля), % отсутствие 0,05 отсутствие
Таблица 2 - Маслоемкость и максимальное водопоглощение исходного кнопа
Марка масла Максимальное водопоглощение, г/г Маслоемкость, г/г
Статические условия Динамические условия
КС-19 4,37 17,98 10,01
ТП-22 15,02 6,79
И-20А 20,06 8,54
Полученные после плазмообработки образцы кнопа использовались для определения маслоемкости по отношению к маслу марки ТП-22 в статических и динамических условиях. Полученные данные приведены в таблице 4, из которых следует, что плазмообработка кнопа способствует повышению его максимальной маслоемкости по исследуемому сорбату.
Масло, при попадании на водный объект образует на поверхности воды плавающий слой. При нанесении СМ на эту поверхность вместе с поглощением масла происходит также поглощение воды, что уменьшает маслоемкость СМ. В этой связи в последующем исследовалось влияние параметров плазменной обработки на водо-и маслопоглощение кнопа. Для проведения экспериментов на поверхность воды при 200С приливалось 3 мл (2,7 г) масла марки ТП-22 и наносился 1 г исследуемого СМ.
По окончании контактирования кноп с поглощенной водой и маслом удалялся, а остаточное количество масла определялось экстракцией ССЦ. Последнее обстоятельство позволило определить количество сорбированного масла и воды. Полученные значения масло-и водопоглощения приведены в таблице 5.
Таблица 3 - Режимы обработки кнопа ВЧ-плазмой пониженного давления
№ режима обработки Входные параметры обработки
Газ - носитель Соотношение Р, Па 1а, А иа, кВ 1, мин О, г/сек
1 Пропан-бутан 70:30
2 Аргон-воздух 70:30
3 Аргон-пропан 70:30 26,6 0,5 7,5 1 0,06
4 Воздух
5 Пропан-бутан 70:30
6 Аргон-воздух 70:30
7 Аргон - пропан 70:30 13,3 0,5 7,5 1 0,02
8 Воздух
9 Аргон - воздух 70:30 26,6 0,8 7,5 30 0,06
10 Аргон- пропан 70:30
Р - давление в рабочей камере, Па; 1а - сила тока на аноде, А; иа - напряжение на аноде, кВ; О - расход плазмообразующего газа , г/сек.
Таблица 4 - Значения максимальной маслоемкости и водопоглощения плазмообрабо-танных образцов кнопа в статических и динамических условиях
Режим плазмообработки Маслоемкость, г/г Максимальное водопоглощение, г/г
Статические условия Динамические условия
1 17,68 7,37 2,05
2 16,55 7,23 2,46
3 16,79 7,12 2,93
4 17,23 7,08 3,33
5 16,88 7,35 2,19
6 15,92 7,16 2,36
7 17,72 7,47 2,23
8 16,95 6,98 2,55
9 16,43 7,01 2,55
10 16,64 7,26 2,47
Кноп 15,02 6,79 4,37
По данным, приведенным в таблице 5, очевидно, что наибольшей степенью удаления масла ТП-22 и гидрофобностью обладают образцы кнопа №1, 3 и 7, т.е. подвергнутые ВЧ-плазменной обработке в атмосфере аргона с пропаном и пропана с бутаном.
В связи с вышеизложенным, в дальнейшем проводилась обработка еще 45 образцов СМ путем варьирования значений 1а, иа, и 1 в атмосфере как смеси пропана с бутаном, так и в смеси аргона с пропаном, в соотношениях 70:30 соответственно. Режимы проведения обработки приведены в таблице 6.
Образцам кнопа, обработанным ВЧ-плазмой пониженного давления в атмосфере смеси аргона с пропаном присвоили обозначение 11а-25а, пропана с бутаном - 11б-25б, соответственно. Подвергнутые обработке плазмой образцы СМ исследовались для удаления исследуемого сорбата в количестве 3 мл с водной поверхности. Условия проведения эксперимента описаны ранее. Полученные значения масло- и водопоглощения плазмообработанных образцов кнопа приведены в таблице 7.
Таблица 5 - Значения масло- и водопоглощения для плазмообработанных образцов кнопа в эксперименте с маслом марки ТП-22
Режим Суммарное значение во-до- и масло-поглощения, г/г Водо-поглощение, г/г Масло-поглощение, г/г Степень удаления масла, % Изменение водопогло-щения, %
1 4,48 1,889 2,591 96,3 -56,52
2 5,54 2,979 2,561 95,2 -31,44
3 4,81 2,269 2,541 94,5 -47,78
4 5,82 3,329 2,491 92,6 -23,38
5 5,04 2,459 2,581 95,9 -43,41
6 4,89 2,309 2,581 95,9 -46,86
7 4,87 2,269 2,601 96,7 -47,48
8 5,45 2,909 2,541 94,5 -33,05
9 5,45 2,859 2,591 96,3 -32,20
10 5,85 3,289 2,561 95,2 -24,30
Кноп 6,56 4,345 2,221 85,4
Таблица 6 - Режимы проведения плазмообработки в атмосфере смеси пропана с бутаном и смеси аргона с пропаном (70:30)
№ режима Изменяемые параметры плазмообработки
1а, А Ыа, кВ 1, мин
11 0,6 1,5 1
12 2,0
13 2,5
14 3,0
15 3,5
16 0,3 2,5
17 0,4
18 0,5
19 0,7
20 0,8
21 0,6 2,5 3
22 5
23 10
24 15
25 20
Из приведенных в таблице 7 данных, очевидно, что обработка кнопа ВЧ-плазмой пониженного давления в среде смеси газов аргона с пропаном и пропана с бутаном способствует снижению сорбции воды и увеличению поглощения масла, т.е. придает гидрофобные свойства поверхности исследуемого СМ и увеличивает олеофильность. Данное
обстоятельство подтверждается снижением значений максимального водопоглощения, полученных в экспериментах с дистиллированной водой и приведенных в таблице 8.
Таблица 7 - Значения масло- и водопоглощения для образцов кнопа после плазмообработки в атмосфере аргона с пропаном (11а-25а) и пропана с бутаном (11б-25б) в эксперименте с маслом марки ТП-22
№ образца Суммарное поглощение масла и воды, г/г Маслопо- Водопоглоще-ние, г/г Степень Изменение
глощение, г/г удаления масла, % водопоглоще-ния, %
11 а/11 б 4,23/4,19 2,626/2,646 1,604/1,544 97,41/98,15 -63,08/-64,46
12а/12б 4,41/4,30 2,626/2,636 1,784/1,937 97,43/97,77 -58,94/-55,42
13а/13б 4,66/4,81 2,616/2,596 2,044/2,214 97,03/96,38 -52,95/-49,04
14а/14б 4,67/5,13 2,596/2,606 2,074/2,524 96,38/96,66 -52,27/-41,91
15а/15б 4,64/4,77 2,596/2,626 2,044/2,154 96,36/97,03 -52,95/-40,43
16а/16б 4,62/4,75 2,586/2,616 2,034/2,134 96,00/97,03 -53,19/-39,79
17а/17б 4,28/4,21 2,636/2,646 1,644/1,564 97,77/98,14 -62,16/-64,00
18а/18б 5,13/4,32 2,606/2,636 2,524/1,684 96,66/97,77 -41,91/-61,24
19а/19б 5,39/5,20 2,596/2,606 2,794/2,594 96,38/96,66 -35,69/-40,30
20а/20б 5,28/5,13 2,596/2,596 2,684/2,534 93,38/96,38 -38,23/-41,68
21а/21б 4,47/5,05 2,606/2,606 1,864/2,444 96,66/96,66 -57,10/-40,02
22а/22б 4,36/4,70 2,626/2,636 1,734/2,064 97,41/97,77 -60,09/-52,49
23 а/23 б 4,48/4,68 2,606/2,626 1,874/2,054 96,66/97,41 -56,87/-52,73
24а/24б 5,99/4,47 2,596/2,616 3,394/1,854 96,38/97,03 -21,88/-13,86
25а/25б 4,66/5,15 2,616/2,596 2,044/2,554 97,03/96,38 -52,95/-40,25
Кноп 6,56 2,221 4,345 85,4
Таблица 8 - Значения максимального водопоглощения образцов кнопа, обработанныВЧ-плазмой пониженного давления в атмосфере аргона с пропаном (11а-25а) и пропана с бутаном (11б-25б)
№ образца Максимальное водопоглощение, г/г Изменение водопоглощения, %
11 а/11 б 2,423/2,622 -44,55/-40,00
12а/12б 3,554/3,323 -18,67/-23,96
13а/13б 3,009/3,651 -31,14/-18,52
14а /14б 3,474/3,724 -20,50/-14,78
15а /15б 3,474/3,752 -20,50/-14,14
16а/16б 3,733/3,687 -14,58/-15,63
17а/17б 2,444/2,116 -44,07/-51,58
18а/18б 3,379/3,763 -22,67/-13,89
19а/19б 3,069/3,454 -29,77/-20,96
20а/20б 3,059/3,741 -30,00/-14,39
21а/21б 2,814/2,375 -35,60/-45,65
22а/22б 3,734/3,765 -14,55/-13,84
23 а/23 б 3,194/3,127 -26,91/-28,44
24а/24б 3,158/3,112 -27,73/-28,78
25а/25б 2,714/3,625 -37,89/-17,05
Кноп 4,370
Данные, приведенные в таблицах 7 и 8, свидетельствуют о том, что наилучшие гидрофобные показатели достигнуты образцами кпопа, обработанными ВЧ плазмой пониженного давления в режимах № 11а, 17а и 17б. Ввиду того, что степень удаления масла исследуемыми СМ достаточно высока, в последующих экспериментах объем масла марки ТП-22 на поверхности воды увеличили до 5 и 7 мл на 50 мл воды. Исследовалось действие образцов кнопа, обработанных ВЧ плазмой при вышеназванных режимах с параметрами, приведенными в таблице 6. Методика проведения эксперимента соответствовала описанной ранее. Время контактирования сорбата с СМ составило 15 минут, дальнейшее увеличение взаимодействия, как показали проведенные эксперименты, не влияло на изменение сорбционных показателей образцов кнопа. Полученные значения масло- и водопоглощения приведены в таблице 8.
Таблица 9 - Значения масло- и водопоглощения для образцов кнопа в экспериментах с маслом марки ТП-22 (количество масла 5 и 7 мл)
№ образца Суммарное поглощение масла и воды, г/г Маслопо-глощение, г/г Водопогло-щение, г/г Степень удаления масла, % Изменение водопоглощения, %
Объем масла на поверхности воды 5 мл (4,5 г)
Кноп 9,79 4,32 5,47 96,32
11а 8,61 4,385 4,225 97,77 -22,76
17а 8,66 4,355 4,305 97,10 -21,30
17б 8,45 4,385 4,065 97,77 -25,68
Объем масла на поверхности воды 7 мл (6,3 г)
Кноп 9,49 6,12 3,37 97,45
11а 8,55 6,159 2,391 98,09 -29,05
17а 8,65 6,149 2,501 97,93 -25,78
17б 8,46 6,169 2,291 98,25 -32,02
Степень удаления исследуемого масла при использовании плазмообработанных образцов кнопа превысила 98%. Обработка способствует уменьшению значения водопоглощения по сравнению с немодифицированным кнопом.
Как видно из приведенных таблицы 9, наибольшая степень очистки от синтетических масел и наименьшее водопоглощение наблюдается при использовании кнопа, обработанного плазмой в атмосфере смеси пропана с бутаном в режиме № 17б.
Таким образом определены параметры ВЧ плазмы пониженного давления, при обработке которой образцов кнопа достигаются наибольшая степень удаления масла марки ТП-22 с водной поверхности и наименьшее водопоглощение: плазмообразующий газ - смесь пропана с бутаном в соотношении 70:30, давление в рабочей камере Р = 26,6 Па, сила тока на аноде 1а = 0,4 А, напряжение на аноде Ыа = 2,5 кВ, расход плазмообразующего газа О = 0,06 г/сек, время обработки 1 = 1 минута. Найдено, что обработка плазмой в указанном режиме приводит к снижению значения максимального водопоглощения на 51,5 %.
Литература
1. Шайхиев, И.Г. Отходы переработки льна в качестве сорбентов нефтепродуктов. 1. Определение нефтеемкости / И.Г. Шайхиев, С.В. Степанова, Р.Х. Низамов, С.В. Фридланд // Вестник Башк. ун-та.
- 2010. -Т. 15. - № 2. - С. 304-306.
2. Шайхиев, И.Г. Влияние плазменной обработки льняной костры на удаление разливов девонской нефти с водной поверхности / И.Г. Шайхиев, Э.М. Хасаншина, И.Ш. Абдуллин, С.В. Степанова // Вестник Казан. технол. ун-та. - 2011. - Т. 14, № 8. - С. 165-171.
3. Шайхиев, И. Г. Исследование удаления нефтяных пленок с водной поверхности плазмообработанными отходами злаковых культур. 1. Лузгой овса / И.Г. Шайхиев, С.В. Степанова,
B.А. Доможиров, И.Ш. Абдуллин // Вестник Казан. технол. ун-та. - 2011. - Т. 14, № 12. - С. 110-117.
4. Шайхиев, И.Г. Исследование удаления нефтяных пленок с водной поверхности плазмообработанными отходами злаковых культур. 2. Лузгой пшеницы / И.Г. Шайхиев,
C.В. Степанова, С.М. Трушков, И.Ш. Абдуллин // Вестник Казан. технол. ун-та. - 2011. - Т. 14, № 13.
- С. 129-135.
5. 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 Казан. технол. ун-та. - 2011. - Т. 14, № 15. - С. 244-250.
6. Шайхиев, И.Г. Изучение отходов переработки шерсти в качестве сорбентов нефтепродуктов / И.Г. Шайхиев, Р.Х. Низамов, А.И. Шмыков // Защита окружающей среды в нефтегазовом комплексе.
- 2008. - № 3. - С. 9 -12.
7. Шайхиев, И.Г. Модификация альтернативного сорбента для повышения нефтеемкости и гидрофобности / И.Г. Шайхиев, Р.Х. Низамов, И.Ш. Абдуллин, С.В. Фридланд // Защита окружающей среды в нефтегазовом комплексе. - 2010. - № 4. - С. 24-27.
8. Шайхиев, И. Г. Отходы от переработки шерсти для очистки водных акваторий от нефти / И.Г. Шайхиев, Р.Х. Низамов, С.В. Степанова // Экспозиция. Нефть. Газ. - 2010. - № 4. - С. 11-14.
© И. Г. Шайхиев - кан. техн. наук, зав. каф. инженерной экологии, [email protected]; З. Т. Фазуллина -асп. той же кафедры, [email protected]; И. Ш. Абдуллин - д-р техн. наук, проректор КНИТУ по научной работе, [email protected]; И. Г. Гафаров - д-р техн. наук, директор ООО «Ренари».
