ВЛИЯНИЕ ТЕМПЕРАТУРЫ ОБРАБОТКИ НА СОРБЦИОННЫЕ СВОЙСТВА БИОРАЗЛАГАЕМОГО ПОРИСТОГОГО МАТЕРИАЛА Текст научной статьи по специальности «Промышленные биотехнологии»

УДК 544.35+539.21

Минаков Г.С., Широких С.А., Кашевский С.В., Королёва М.Ю., Вайнерман Е.С.

ВЛИЯНИЕ ТЕМПЕРАТУРЫ ОБРАБОТКИ НА СОРБЦИОННЫЕ СВОЙСТВА БИОРАЗЛАГАЕМОГО ПОРИСТОГОГО МАТЕРИАЛА

Минаков Глеб Сергеевич, магистрант 1 года обучения кафедры наноматериалов и нанотехнологии, e-mail: gleb1itnet@gmail.com

Широких Сергей Александрович, аспирант кафедры наноматериалов и нанотехнологии, Кашевский Сергей Владимирович, студент 1 курса кафедры наноматериалов и нанотехнологии, Королёва Марина Юрьевна, д.х.н., профессор кафедры наноматериалов и нанотехнологии, Вайнерман Ефим Семенович2, д.х.н., в.н.с., НИИ детского питания

Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева, Москва, Россия 125047 Москва, Миусская пл., д. 9

2Научно-исследовательский институт детского питания, филиал Федерального государственного бюджетного учреждения науки Федерального исследовательского центра питания, биотехнологии и безопасности пищи, 143500, Московская область, г. Истра, ул. Московская, д. 48

В выполненной работе были исследованы скорость сорбции в начальный период времени и сорбционная ёмкость пористого материала на основе сшитого коллагена, подвергнутого температурной обработке при температурах 20, 60, 90 и 120 °C, при сорбции бидистиллированной воды и трансмиссионного масла. Установлено, что при увеличении температуры обработки пористого материала от 20 до 120 °C скорость сорбции и сорбционная ёмкость по трансмиссионному маслу остаются неизменными и равными 0,6 ± 0,1 кг/(см2) и 15 ± 1 г/г соответственно, скорость сорбции воды увеличивается от 0,031 ± 0,010 до 0,059 ± 0,010 кг/(см2), сорбционная емкость увеличивается от 0,9 ± 0,1 до 2,3 ± 0,1 г/г, что говорит о большей эффективности низкотемпературной обработки.

Ключевые слова: пористый сорбент, влияние температуры, биоразлагаемый материал, сорбция нефтепродуктов, сшитый коллаген

INFLUENCE OF PROCESSING TEMPERATURE ON THE SORPTION PROPERTIES OF BIOGRADABLE POROUS MATERIAL

Minakov G.S., Shirokikh S.A., Kashevsky S.V., Koroleva M.Yu., Vainerman E.S. D. Mendeleev University of Chemical Technology of Russia, Moscow, Russia

In this work, the sorption rate in the initial period of time and the sorption capacity of a porous material based on cross-linked collagen subjected to heat treatment at temperatures of20, 60, 90, and 120 °C during sorption of bidistilled water were investigated. It was found that with an increase in the temperature ofprocessing ofporous material from 20 to 120 °C, sorption rate and sorption capacity for gear oil remain unchanged and equal to 0.6 ± 0.1 kg/(s-m2) and 15 ± 1 g/g, respectively, the rate of water sorption increases from 0.031 ± 0.010 to 0.059 ± 0.010 kg/(s-m2), the sorption capacity increases from 0.9 ± 0.1 to 2.3 ± 0.1 g/g, indicating of the higher efficiency of low-temperature processing.

Keywords: porous sorbent, temperature effect, biodegradable material, sorption of petroleum products, cross-linked collagen

Уже долгое время актуальной для нефтегазовой промышленности является проблема разливов нефти на водных объектах во время ее добычи и транспортировки. Существует несколько способов ликвидации разливов: механический, физико-химический, термический и биологический. Механический основан на ограждении и сборе нефти. Физико-химический - на сборе нефти при помощи сорбции. Термический - на её сжигании. Биологический заключается в использовании биологических объектов, разлагающих

нефтепродукты до безопасных для окружающей среды компонентов. Наиболее эффективным методом является физико-химический или метод сорбции.

Сорбенты, используемые в целях сбора нефти, могут быть как органическими, так и неорганическими, но наибольшей эффективностью отличаются синтетически созданные

высокопористые полимерные материалы [1]. Поверхность таких материалов должна быть гидрофобна. Так же большим преимуществом является возможность использования их неоднократно [2,3]. Не менее важно, чтобы использование и утилизация сорбента не ухудшали экологическую обстановку [4].

Таким образом, для сбора нефтепродуктов предпочтительно использовать сорбенты из биоразлагаемого материала. Они не вредят экологии при правильной утилизации. Например, такими

являются материалы на основе сшитого коллагена

[5].

При изменении условий создания и обработки такого материала меняется его структура, что позволяет добиться большей гидрофобности поверхности.

В данной работе была исследована зависимость сорбционных свойств материала на основе сшитого коллагена от температуры его обработки. Дисперсия нановолокон коллагена, на основе которой получен сорбционный материал, была выделена из предварительно очищенной шкуры крупного рогатого скота. Сшитый коллаген был получен по методике, описанной в патенте [6].

Структуру полученного пористого материала на основе сшитого коллагена изучали с помощью сканирующего электронного микроскопа JSM-6510LV, JOEL. На рисунке 1 представлена микрофотография структуры пористого материала.

Рис. 1. Структура пористого материала на основе сшитого коллагена

Из представленного—изображения видно, что структура волокон достаточно четкая, стенки между ними имеют связанную структуру, степень сшивки высокая. Средний размер пор, определенный по подобным микроизображениям, был равен 63 ± 5 мкм.

Для сравнения сорбционных свойств использовали трансмиссионное масло и бидистиллированную воду. На рисунке 2 для сравнения показаны кинетические кривые сорбции трансмиссионного масла и воды образцами, подвергнутыми воздействию различной

температуры.

Для сравнения сорбционных свойств использовались два основных параметра, получаемых из кинетических кривых: сорбционная ёмкость, равная количеству поглощенной жидкости за 3 мин (время большее, чем время достижения равновесия), и скорость сорбции в начальный период времени, рассчитанная по начальным участкам кинетических кривых образцов, подвергнутых термической обработке.

IV

э

о

Е

о с

0

CQ Н

О

Т

1

15 12

е9

и

i« =

3

о

ее %

•о

~ О Трансмиссионное масло 20 °С

ъ ^

Трансмиссионное масло 120 °С □ Вода 20 °С # "Вода 120 °С

О

^я я ■ ■ " " "

□ да □ °

0

1 2

Время, мин

—1

3

Рис. 2. Кинетические кривые сорбции трансмиссионного масла и воды пористым материалом на основе сшитого коллагена

Сравнительные показатели сорбционной емкости по бидистиллированной воде пористого материала представлены на рисунке 3. 2,5

60 90 120

Температуря, °С

Рис. 3. Сорбционная емкость по бидистиллированной воде пористых материалов, обработанных при разных температурах

Сравнительные показатели скорости сорбции бидистиллированной воды пористыми материалами после температурной обработки представлены в таблице 1.

Таблица 1. Скорость сорбции воды пористыми

Температура обработки, oC Скорость, кг/(см2)

20 0,031 ± 0,010

60 0,048 ± 0,010

90 0,060 ± 0,010

120 0,059 ± 0,010

Таким образом, при увеличении температуры обработки пористого материала от 20 до 120 °С скорость сорбции и сорбционная ёмкость по трансмиссионному маслу остаются неизменными и

равными 0,6 ± 0,1 кг/(с-м )

15 ± 1 г/г

соответственно, скорость сорбции

бидистиллированной воды увеличивается от 0,031 ±

0.010.до 0,059 ± 0,010 кг/(с-м2), сорбционная емкость увеличивается от 0,9 ± 0,1 до 2,3 ±0,1 г/г. Это позволяет сделать вывод о том, что термическая обработка пористого материала на основе сшитого коллагена может приводить к дефектам структуры и ухудшению гидрофобных свойств. Поэтому целесообразно проводить термообработку при более низких температурах.

Список литературы

1. Щербаков В. А., Хасанова Л. Х., Салатова Ю. А., Королёва М. Ю. Изучение сорбционных свойств высокопористого поли (стирол-дивинилбензола), полученного на основе обратной высококонцентрированной эмульсии // Успехи в химии и химической технологии. — 2016. - Т. 30, № 12. - С. 40-42

2. 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, no. 105931.

3. Shirokikh, S. A., Koroleva, M. Y., Montalvan-Estrada, A., Yurtov, E. V. Highly porous polymeric composite with y-Fe2O3 nanoparticles for oil products sorption // Revista Cubana de Química. — 2020. — Vol. 32(1). — P.104-116.

4. Koroleva M.Yu., Shirokikh S.A., Khasanova L.Kh., Babusenko E.S., Yurtov E.V. Highly porous polymeric sponges for oil sorption // Mendeleev Communications. - 2019. - Vol. 29. - P. 176-17

5. 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. - Вып. 10(220). - С. 62 - 63

6. Vainerman E. S., Portnaya I. B. Porous polymer material and process for production thereof: Pat. 5494939 USA. - 1996.