CC BY
100
ПРОБЛЕМЫ НЕФТЕДОБЫЧИ, НЕФТЕХИМИИ, НЕФТЕПЕРЕРАБОТКИ И ПРИМЕНЕНИЯ НЕФТЕПРОДУКТОВ
УДК 628.543.5.665
И. Г. Шайхиев, Э. М. Хасаншина, И. Ш. Абдуллин,
С. В. Степанова
ВЛИЯНИЕ ПЛАЗМЕННОЙ ОБРАБОТКИ ЛЬНЯНОЙ КОСТРЫ НА УДАЛЕНИЯ РОЗЛИВОВ ДЕВОНСКОЙ НЕФТИ
С ВОДНОЙ ПОВЕРХНОСТИ И ГИДРОФОБНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ
Ключевые слова: льняная костра, нефть девонского отложений, высокочастотная плазма пониженного
давления, нефтепоглощение, гидрофобность.
Исследовано влияние высокочастотной плазмы пониженного давления на сорбционные и гидрофобные свойства льняной костры. Показано, что плазменная наномодификация увеличивает поглощение нефтей девонского отложений с водной поверхности с повышением гидрофобных свойств.
Keywords: linen fires, oil Devonian, high-frequency plasma of the loweredpressure, Waterproof.
Influence of high-frequency plasma of the lowered pressure on sorbtion and waterproof properties linen fires is investigated. It is shown that plasma nanomodification increases absorption oil devonian adjournment from a water table with increase of waterproof properties.
Ранее [1-3] было показано, что льняная костра, которая образуется в льноперерабатывающей промышленности при трепании и чёсе льна, является хорошим сорбционным материалом для удаления нефти, в частности, карбонового отложений [4] с твердой и водной поверхности. Но при нанесении костры на нефтепродукт, образующий на поверхности воды плавающий слой, вместе с поглощением нефти происходит также поглощение воды, что уменьшает нефтепоглощение сорбционного материала. Снижение гидрофильности, в частности, волокнистых целлюлозных материалов возможно с помощью плазменной обработки [5].
К тому же следует учитывать и тот факт, что тяжелые сернистые высоковязкие нефти карбоновых отложений добываются в Волго-Уральском регионе Российской Федерации. Малосернистые нефти девонских отложений, в основном, добываются в Сибири и некоторое количество в Республике Татарстан.
В свете вышеизложенного исследовалось влияние высокочастотной низкотемпературной плазмы пониженного давления на сорбционные свойства льняной костры по отношению к нефти девонского отложений и гидрофобные характеристики.
Экспериментальная часть
Обработка льняной костры проводилась в высокочастотном генераторе, предназначенном для получения низкотемпературной ВЧ-плазмы пониженного давления, используемой для модификации натуральных высокомолекулярных материалов. Входные параметры плазменной установки изменялись в следующих пределах: давление в рабочей камере (Р) - от 13,3 до 26,6 Па, расход плазмообразующего газа (Q) - от 0,02 до 0,06 г/с, напряжение на аноде (Ua) - от 1,5 до 7,5 кВ, сила тока на аноде (1а) - от 0,3 до 0,8 А, время обработки (t) - от 1 до 30 мин.
Для проведения экспериментов использовалась нефть девонского отложения, добытая НГДУ «Елховнефть» ОАО «Татнефть им. Шашина».
Первоначально было исследовано влияние природы плазмообразующего газа на нефте-и водопоглощение модифицированной льняной костры. Для обработки костры в качестве плазмообразующего газа использовались воздух, аргон, смеси аргона с воздухом и аргона с пропаном в соотношении 70:30.
Режимы, при которых проводилась обработка реагента плазмой, приведены в табл. 1.
Таблица 1 - Режимы модификации льняной костры плазмой
Режимы модифи кации Плазмообразующи й газ - носитель Соотно шение
1 Аргон
2 Аргон-воздух 70:30
3 Аргон-пропан 70:30
4 Воздух
5 Аргон
6 Аргон - воздух 70:30
7 Аргон - пропан 70:30
8 Воздух
9 Аргон - воздух 70:30
10 Аргон- пропан 70:30
Р, Па
1а? А
Уа, кВ
1, мин
о,
г/сек
26,6
0,5
7,5
0,06
13,3
0,5
7,5
0,02
26,6
7,5
30
0,06
1
1
Полученные после плазменной обработки модификаты льняной костры использовались для исследования сорбции нефти с водной поверхности.
Сущность проведения эксперимента заключалась в следующем: в чашки Петри помещалось предварительно взвешенное круглое латунное сито с диаметром немного меньше внутреннего диаметра чашки Петри и наливалось 50 мл дистиллированной воды. Затем на водную поверхность приливалось 3 мл девонской нефти для имитации нефтяного загрязнения. Соответственно масса нефти в чашке Петри с учетом плотности на момент проведения составляла 2,595 г. Учитывая тот факт, что плотность нефти меньше плотности воды и они практически нерастворимы, вся прилитая нефть находилась над поверхностью водного слоя. Далее в каждую чашку равномерным слоем присыпался 1 г исследуемого реагента. По истечении определенного периода времени латунное сито с кострой и сорбированной на ее поверхности нефтью и поглощенной водой извлекалось, давалось время для стекания излишков последних и взвешивалось. По разнице масс определялось масса сорбированных на поверхности реагента нефти и поглощенной воды. По полученным данным определялись массы сорбированной нефти и воды от времени контакта с тем или иным образцом костры после плазменного воздействия.
Остаточное содержание нефти в воде определялось методом экстракции. Для этого в делительную воронку сливался остаток нефтезагрязненной воды из чашек Петри, добавлялось 20 мл ООЦ и содержимое воронки интенсивно встряхивалось. ССЦ экстрагировал остатки нефти, и по окончания встряхивания наблюдалось образования двух несмешивающихся слоев: нижний слой состоял из ССЦ и экстрагированной нефти, а верхний - воды. Нижний слой сливался в предварительно взвешенный бюкс и выпаривался при температуре 100 оС до
постоянного веса. Далее бюкс взвешивался, и по разнице масс определялось остаточное количество нефти в чашке Петри, что давало возможность определить количество сорбированной нефти на поверхности исследуемых сорбционных материалов.
Обсуждение результатов
На рис. 1 приведены кривые зависимости поглощения воды и нефти в зависимости от времени контакта с немодифицированной льняной кострой и образцом последней, подвергнутой обработке плазмой в режиме №1.
Как видно, кривые, приведенные на рис. 1, имеют гиперболический вид. Очевидно, что насыщение сорбционных материалов нефтью и водой наступает после 15 минут начала контактирования. Масса сорбированных нефти и воды составляет: для исходного образца 3,376 г/г, для костры, подвергнутой обработке плазмой - 2,831 г/г. Дальнейшее увеличение времени контактирования не приводит к сколь-либо значимому изменению массы сорбированной нефти и воды.
4
3,5
О —
О 10 20 30 40 50 60 70
время, мин
Рис. 1 - Зависимость поглощения льняной костры воды и нефти от времени контакта
Очевидно, что обработка в поле высокочастотной низкотемпературной плазмы приводит к проявлению льняной кострой гидрофобных свойств, что наглядно видно при рассмотрении рис. 2.
Для подтверждения данного утверждения проведен параллельный эксперимент с дистиллированной водой. Значения максимального водопоглощения исходной костры и ее образцов, обработанных плазмой, приведены в табл. 2, из которых видно, что плазменная обработка приводит к увеличению гидрофобных свойств сорбционного материала.
Как видно из приведенных в табл. 2 и 3 данных, наилучшими гидрофобными свойствами обладают образцы льняной костры, обработанные плазмой в атмосфере аргона и смеси аргона с воздухом. При использовании этих образцов наблюдалось практически полное удаление нефти с поверхности воды.
В связи с вышеизложенным в дальнейшем проведена модификация еще 24 образцов льняной костры путем изменения значений иа, 1а и Р в разрядной камере, длительности обработки в атмосфере как аргона, так и в смеси аргона с воздухом в соотношении 70:30.
Режимы проведения модификации приведены в таблице 4.
Образцы костры, подвергнутые воздействию в плазме пониженного давления в атмосфере аргона, имеют обозначение 11 а-22а, обработанные в атмосфере смеси аргона с воздухом - 11 б-22б соответственно.
1.2
1
! о.
О
Рис. 2 - Зависимость водопоглощения льняной костры от времени контакта
Таблица 2 - Значения нефте- и водопоглощения модификатов костры
№ образца Суммарное значение нефте-и водопоглощения, г/г Нефте- поглощение, г/г Водопогло-щение, г/г Степень удаления нефти, % Изменение водопоглощения, %
1 2,831 2,591 0,240 99,84 -69,6
2 2,801 2,593 0,218 99,92 -72,4
3 3,419 2,591 0,828 99,84 +4,94
4 3,640 2,582 1,058 99,49 +34,1
5 3,010 2,590 0,420 99,80 -46,8
6 3,074 2,588 0,486 99,73 -38,4
7 3,528 2,578 0,950 99,34 +20,4
8 4,200 2,591 1,609 99,84 +103,9
9 2,811 2,591 0,220 99,84 -72,1
10 3,944 2,583 1,361 99,53 +72,5
Костра 3,376 2,587 0,789 99,69
Таблица 3 - Значение показателя водопоглощения для первых 10 образцов,
обработанных высокочастотной низкотемпературной плазмой
№ образца модификата 1 2 3 4 5 б 7 s 9 10 Исход- ная костра
Водопоглощение, г/г 2,111 1,938 2,689 3,310 2,710 1,211 1,544 1,854 1,120 2,000 3,569
Таблица 4 - Режимы проведения модификации в атмосфере аргона и смеси аргона с воздухом (70:30)
№ режима Изменяемые параметры
модификации P, Па la, А Ua, кВт t, мин Q, г/сек
11 26,6 0,6 1,5 1
12 26,6 0,6 2,0 1
13 26,6 0,6 2,5 1
14 26,6 0,6 3,0 1
15 26,6 0,3 1,5 1
16 26,6 0,4 1,5 1 0,06
17 26,6 0,5 1,5 1
18 26,6 0,8 1,5 1
19 26,6 0,6 1,5 5
20 26,6 0,6 1,5 10
21 26,6 0,6 1,5 20
22 26,6 0,6 1,5 30
Полученные значения суммарного количества сорбированной воды и нефти, нефтепоглощения и количества поглощенной воды образцами льняной костры после плазменного воздействия приведены в табл. 5 и 6.
Таблица 5 - Значения нефте- и водопоглощения образцов костры, обработанных плазмой в среде аргона
№ образца модификата Суммарное значение поглощенной воды и нефтеемкости, г/г Водопоглощение, г/г Нефтепоглощение, г/г Степень удаления нефти, %
11а 3,169 0,572 2,587 99,69
12а 3,643 1,056 2,587 99,69
13а 3,371 0,780 2,591 99,84
14а 3,143 0,555 2,588 99,73
15а 3,507 0,916 2,591 99,84
16а 3,710 1,120 2,590 99,80
17а 3,588 0,996 2,592 99,88
18а 4,084 1,490 2,594 99,96
19а 3,546 0,957 2,589 99,76
20а 3,622 1,037 2,585 99,61
21а 2,965 0,377 2,588 99,73
22а 3,901 1,310 2,591 99,84
Исходная костра 3,376 0,789 2,587 99,69
Таблица б - Значения нефте- и водопоглощения образцов костры, обработанных плазмой в среде аргона с воздухом в соотношении 7O:3O
№ образца модификата Суммарное значение поглощенной воды и нефтеемкости, г/г Водопоглощение, г/г Нефтеемкость г/г Степень удаления нефти, %
11б 2,672 0,081 2,591 99,84
12б 2,765 0,174 2,591 99,84
13б 2,850 0,260 2,590 99,80
14б 2,985 0,396 2,589 99,76
15б 2,844 0,254 2,590 99,80
16б 2,845 0,250 2,595 100,00
17б 2,796 0,208 2,588 99,730
18б 2,897 0,304 2,592 99,884
19б 2,831 0,239 2,592 99,884
20б 2,751 0,162 2,589 99,768
21 б 2,976 0,383 2,593 99,922
22б 2,976 0,411 2,565 98,844
Исходная костра 3,376 0,789 2,587 99,692
Сравнивая данные по водопоглощению видно, что обработка льняной костры плазмой в атмосфере смеси аргона с воздухом в соотношении 70:30 приводит к более низким значениям водопоглощения в сравнении с исходной кострой и образцами последней, подвергнутой воздействию плазмы в атмосфере аргона.
Ввиду того, что степень удаления нефти исследуемыми реагентами, превышает 98 % решено увеличить объем нефтепродукта до 7 мл нефтепродукта на 50 мл воды и исследовать действие сорбентов, обработанных при наиболее оптимальных режимах.
Выбраны 3 режима обработки сорбционного материала, при которых в ранее проведенных экспериментах наблюдались наименьшие значения поглощения воды - 11 б, 12б и 20б.
Методика проведения эксперимента соответствовала описанному ранее. Соответственно, масса девонской нефти в чашке Петри составляла 6,06 г, что соответствует концентрации нефти 108,1 г/л.
Количество сорбированной нефти при использовании модифицированных образцов костры составила более 84,5 %, при использовании исходной льняной костры степень удаления составляет несколько менее 83 %. Обработка ВЧ-плазмой пониженного давления способствует уменьшению значения водопоглощения в 5-10 раз по сравнению с немодифицированной льняной кострой. Наибольшая степень очистки от нефти девонского отложений наблюдается при использовании образца костры № 12б (85,33 %).
Проведенные исследования показали, что обработка льняной костры низкотемпературной ВЧ-плазмой пониженного давления приводит к повышению гидрофобных свойств сорбционного материала и способствует некоторому увеличению количества поглощаемой нефти.
Определены оптимальные параметры для модификации сорбента, при которых достигаются максимальные значения нефтепоглощения и минимальные значения водопоглощения. Наилучшие гидрофобные свойства модификата костры проявляются при обработке реагента при следующих режимах обработки плазмой: плазмообразующий газ -смесь аргона с воздухом в соотношении 70:30, давление в рабочей камере плазмотрона Р = 26,6 Па, расход плазмообразующего газа Q = 0,06 г/с, напряжение на аноде Ua = 2 кВ, сила тока на аноде 1а = 0,6 А, время обработки t = 1 мин.
Литература
1. Шайхиев И.Г. Отходы переработки льна в качестве сорбентов нефтепродуктов. 1. Определение нефтеемкости. / И.Г.Шайхиев [и др.] // Вестник Башкирского ун-та. - 2010. - № 2, т. 15. - с. 304-306
2. Шайхиев, И.Г. Использование отходов растительного происхождения в качестве сорбентов нефти / И.Г. Шайхиев [и др.] // Безопасность жизнедеятельности. - 2010. - № 4. - С. 28-31.
3. Шайхиев, И.Г. Отходы переработки льна в качестве сорбентов нефтепродуктов. 2. Влияние
химической обработки на гидрофобность и нефтепоглощение. / И.Г.Шайхиев [и др.] // Вестник
Башкирского ун-та. - 2010. - № 3, т. 15. - с. 607-609.
4. Шайхиев, И.Г. Отходы переработки льна в качестве сорбентов нефтепродуктов. 3. Влияние
высокочастотной низкотемпературной плазмы на наефтепоглощение и гидрофобность. /
И.ГШайхиев [и др.] // Вестник Башкирского ун-та. - 2010. - № 3, т. 15. - с. 610-614.
5. Азанова, А.А. Влияние потока плазмы высокочастотного емкостного разряда пониженного давления на целлюлозосодержащее суровое трикотажное полотно. / Азанова А.А., Абдуллин И.Ш., Нуруллина Г.Н. // Вестник Казан. технол. ун-та. - 2010. - № 9. - С. 868-870.
© И. Г. Шайхиев - канд. техн. наук, доц. каф. инженерной экологии КГТУ, [email protected]; Э. М. Хасаншина - асп. той же кафедры; И. Ш. Абдуллин - д-р техн. наук, проф., зав. каф. плазмохимических и нанотехнологий высокомолекулярных материалов КГТУ; С. В. Степанова -канд. техн. наук, доц. каф. инженерной экологии КГТУ, [email protected].
