CC BY
7
УДК 544.35+539.21
Крылов Д.И., Аракчеев А.В., Кашевский С.В., Минаков Г.С., Королёва М.Ю.
ВЛИЯНИЕ СОСТАВА ДИСПЕРСИИ, ИСПОЛЬЗУЕМОЙ ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ ПОРИСТОГО МАТЕРИАЛА НА ОСНОВЕ СШИТОГО КОЛЛАГЕНА, НА ЕГО СОРБЦИОННЫЕ СВОЙСТВА ПРИ СОРБЦИИ НЕФТЕПРОДУКТОВ
Крылов Даниил Игоревич, студент 2 курса кафедры наноматериалов и нанотехнологии, e-mail: da.krylov228@yandex.ru
Аракчеев Андрей Владимирович, студент 2 курса кафедры наноматериалов и нанотехнологии Кашевский Сергей Владимирович, студент 2 курса кафедры наноматериалов и нанотехнологии, Минаков Глеб Сергеевич, магистрант 2 года обучения 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
В выполненной работе была исследована емкость при сорбции трансмиссионного масла и воды биоразлогаемого пористого материала на основе сшитого коллагена. Пористый коллаген получали методом криотропного гелеобразования на основе дисперсии волокон коллагена с использованием глутарового альдегида с концентрацией от 0,1 до 5,0 мас.% в качестве сшивающего агента. Для получения пористого материала на основе сшитого коллагена полученный криогель высушивали при температуре 20 и 65 °С. Сорбционная емкость по трансмиссионному маслу при температуре высушивания образца 65 °С увеличилась от 3,8 ± 0,1 г/г до 5.3 ± 0.1 г/г, а при 20 °С увеличилась от 1,1 ± 0,1 г/г до 5,5 ± 0,2 г/г.
Ключевые слова: пористый сорбент, биоразлагаемый материал, сорбция нефтепродуктов, сшитый коллаген
INFLUENCE OF THE COMPOSITION OF THE DISPERSION USED TO OBTAIN POROUS MATERIAL ON ITS SORPTION PROPERTIES
Krylov D.I., Arakcheev A.V., Kashevsky S.V., Minakov G.S., Koroleva M.Yu. Mendeleev University of Chemical Technology, Moscow, Russia
In this work, the capacity for the sorption of transmission oil and water of a biodiversity material based on cross-linked collagen was investigated. Porous collagen was prepared from collagen fiber dispersion by a cryotropic gelation method using glutaraldehyde with a concentration of 0.1 to 5.0 wt.% as a crosslinking agent. The obtained cryogel was dried at a temperature of 20 and 65 °C to prepare a porous material based on cross-linked collagen. The sorption capacity for transmission oil when the sample was kept at 65 °С increasedfrom 3.8 ± 0.1 g/g to 5.3 ± 0.1 g/g, and at 20 °С it increased from 1.1 ± 0.1 g/g up to 5.5 ± 0.2 g/g.
Keywords: porous sorbent, biodegradable material, sorption of petroleum products, cross-linked collagen
В настоящее время одной из важнейших экологических проблем являются разливы нефтепродуктов на водных объектах, связанные с их добычей и транспортировкой. Наиболее эффективным способом удаления тонких пленок таких разливов является сорбционный метод.
Для использования этого метода необходимо использовать сорбционный материал, который будет обладать такими свойствами, как гидрофобность, плавучесть, высокая сорбционная ёмкость. Также функциями такого сорбента должны являться возможность его повторного использования и утилизации без вреда окружающей среде. Не менее важны его экономические показатели.
Описанными выше качествами обладают материалы на основе сшитого коллагена [1, 2]. Коллагеновое волокно получают при обработке отходов кожевенного и рыбного производства, что делает их доступными. Изменение состава образца влияет на сорбционные свойства [3, 4]. В данной работе была исследована зависимость сорбционных свойств материала на основе сшитого коллагена от
концентрации глутарового альдегида в исходной дисперсии коллагеновых волокон, используемой для получения такого материала методом криотропного гелеобразования.
Пористый сорбент на основе сшитого коллагена, исследуемый в работе, был получен на основе методики, описанной в патенте [5]. Концентрация волокон коллагена в исходной дисперсии составляла 5 мас.%, массовое соотношение кожевенного и рыбного коллагенового волокна было равно 1:1. В качестве дисперсионной среды использовался водный раствор уксусной кислоты с концентрацией 1 М. Далее смесь диспергировали до однородного состояния, добавляли глутаровый альдегид (ГА) в качестве сшивающего агента в количестве, чтобы его концентрация в дисперсии волокон коллагена варьировалась от 0,1 до 5,0 мас.%, затем систему замораживали. Полученный материал сушили при температурах 20 и 65 °С. Типичная структура, характерная для образцов подобного типа, описана в работе [2].
На рисунках 1 и 2 приведены кинетические кривые сорбции трансмиссионного масла (вязкость 670 мПа-с) и бидистиллированной воды образцами с различной концентрацией глутарового альдегида. Данные, приведенные на рисунке 1, были получены при использовании образцов, высушенных при 65 °С, а на рисунке 2 - при 20 °С.
А 5 мае % ЕА. масло ■ 0,1 мае % ЕА. масло Д 5 мае % ЕЛ. вола
о к к
ю
В
о к и о к о ер
о и ч
Е! О
У
6 1 □ 0,1 I
5 -
-4 з -
Л Д □
2 - А □ □
1 - и ■ ■
■
0 - -1-
£
о
и
3"
о
й
V
о
н §
п
10 9 -8 -7 -6 -5 -4 -3 2 1 О
И Г
а 5 мас.% ЕЛ. масло
■ 0,1 мас.% ГЛ. масло
Д 5 мас,% ГА. вода
□ 0,1 мае 11 о 1 А, вода
А д Д д Д
А А А
□ □
0
10
40
—>
50
□ □
0 10 20 30 40 50 Время, с
20 30 Время, с
Рис. 2. Кинетические кривые сорбции трансмиссионного масла и воды пористым материалом на основе сшитого коллагена, полученным при добавлении глутарового альдегида в разной концентрации. Температура сушки образцов 20 °С
Из приведенных кинетических кривых видно, что при увеличении концентрации глутарового альдегида от 0,1 до 5,0 мас.% в исходной дисперсии, использованной для получения сорбентов, время достижения сорбционной ёмкости по трансмиссионному маслу и воде пористыми материалами на основе сшитого коллагена возрастает от 20 до 40 с для всех исследуемых образцов. В таблице 1 представлены сорбционные ёмкости по трансмиссионному маслу и воде образцов, полученных при различной концентрации глутарового альдегида и высушенных при температурах 20 до 65 °С.
Таблица 1. Сорбционные емкости по трансмиссионному маслу и бидистиллированной воде пористых материалов на основе сшитого коллагена, полученных при различных концентрациях глутарового альдегида и
высушенных при различных температурах
Рис. 1. Кинетические кривые сорбции трансмиссионного масла и воды пористым материалом на основе сшитого коллагена, полученным при добавлении глутарового альдегида в разной концентрации. Температура сушки образцов 65 °С
Сорбируемая жидкость Температура сушки, °С Концентрация ГА, мас.% Сорбционная емкость, г/г
Трансмиссионное масло 65 5,0 4,9 ± 0,1
2,0 5,3 ± 0,1
1,0 3,8 ± 0,1
0,1 3,8 ± 0,1
20 5,0 5,5 ± 0,2
2,0 4,7 ± 0,1
1,0 4,6 ± 0,1
0,1 1,1 ± 0,1
Вода 65 5,0 8,6 ± 0,2
2,0 6,1 ± 0,2
1,0 5,8 ± 0,2
0,1 2,0 ± 0,1
20 5,0 5,3 ± 0,2
2,0 6,6 ± 0,3
1,0 5,9 ± 0,2
0,1 2,6 ± 0,1
Из полученных данных видно, что при увеличении концентрации глутарового альдегида в исходной дисперсии от 0,1 до 5,0 мас.% сорбционная емкость образцов пористого материала на основе сшитого коллагена возрастала. Наибольшей сорбционной емкостью по трансмиссионному маслу, равной 5,3 ± 0,1 г/г, в случае сушки образцов при 65 °С обладал сорбент, полученный на основе дисперсии волокон коллагена, содержание глутарового альдегида в которой составило 2 мас.%. При температуре сушки 20 °С максимальное значение сорбционной емкости составило 5,5 ± 0,2 г/г для сорбента, полученного при концентрации глутарового альдегида 5 мас.%. Однако необходимо отметить, что при увеличении концентрации глутарового альдегида от 0,1 до 5,0 мас.% сорбционная емкость по воде также значительно увеличивалась от 2,0 ± 0,1 до 8,6 ± 0,2 г/г у образцов, высушенных при 65 °С, и от 2,6 ± 0,1 до 6,6 ± 0,3 г/г при сушке при 20 °С.
Таким образом, при увеличении концентрации глутарового альдегида от 0,1 до 5,0 мас.% при получении пористого материала на основе сшитого коллагена сорбционная емкость возрастает как по трансмиссионному маслу, так и по воде. Наиболее целесообразно для сорбции нефтепродуктов использовать образцы пористого полимерного материала на основе сшитого коллагена, полученные с использованием глутарового альдегида в качестве сшивающего агента с концентрацией 2-5 мас.% и высушивать образцы при 20 °С. Однако требуется
дополнительная модификация поверхности данного сорбента для увеличения его гидрофобности.
Данная работа выполнена при финансовой поддержке Фонда содействия инновациям (договор № 15091ГУ/2020).
Список литературы
1. Широких С.А., Загоскин П.С., Вайнерман Е.С., Королёва М.Ю. Биоразлагаемый пористый материал для сорбции нефтепродуктов с поверхности воды // Успехи в химии и химической технологии. - 2019. - Т. 33, № 10(220). - С. 62-63
2. Минаков Г.С., Широких С.А., Королева М.Ю, Вайнерман Е.С., Юртов Е.В. Наноструктурированные полимерные материалы на основе сшитого коллагена для сорбции нефтепродуктов с поверхности воды // Сборник тезисов XI ежегодной конференции Нанотехнологического общества России. - 2020. - С. 38-39
3. Широких С.А., Крылов Д.И., Загоскин П.С., Королёва М.Ю. Изучение влияния размера вторичных отверстий на сорбционные свойства высокопористого сополимера стирола и дивинилбензола // Успехи в химии и химической технологии. - 2020. - Т. 34, № 12. - С. 118-120
4. 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, 105931.
5. Vainerman E. S., Portnaya I. B. Porous polymer material and process for production thereof: Pat. 5494939 USA. - 1996
