CC BY
47
УДК 628.543.5.665
И. Г. Шайхиев, С. В. Степанова, О. А. Кондаленко,
И. Ш. Абдуллин
ИССЛЕДОВАНИЕ УДАЛЕНИЯ НЕФТЯНЫХ ПЛЕНОК С ВОДНОЙ ПОВЕРХНОСТИ ПЛАЗМООБРАБОТАННЫМИ ОТХОДАМИ ЗЛАКОВЫХ КУЛЬТУР
3. ЛУЗГОЙ ЯЧМЕНЯ
Ключевые слова: нефть, очистка воды, лузга ячменя, плазма.
Исследованы сорбционные свойства отходов от переработки сельскохозяйственных культур (ячменя). Определена максимальная нефтеемкость. Изучена возможность изменения сорбционными материалами гидрофобных свойств путем обработки плазмой высокочастотного разряда.
Keywords: oil, water treatment, barley peel, plasma.
Sorption qualities of waster of agricultural processing (barley) for collecting ofpetrol scum from water surface are researched. The maximum of petrol-volume is determined. The possibility of transformation of sorption materials of hydrophobic qualities by treatment of high frequency gas plasm solution is considerate.
В предыдущих сообщениях [1-4] обсуждалась возможность использования целлюлозосодержащих отходов сельского хозяйства для удаления пленок нефти с поверхности воды. В данной работе рассмотрена возможность применения лузги ячменя (ЛЯ) и ее модификатов, полученных с помощью плазменной обработки в качестве нефтесорбента.
Исходная ЛЯ имеет следующие физико-механические показатели: насыпная плотность
- 0,17 г/см3, влажность - 7,31 %, зольность - 1,73 %, плавучесть - 76 %.
В качестве поллютанта использовалась нефть девонского отложения, добытые НГДУ «Елховнефть» ОАО «Татнефть» (Республика Татарстан).
Для обработки исходного материала использовалась высокочастотная (ВЧ) плазма пониженного давления. В качестве плазмообразующих газов применялись воздух, смеси пропана с бутаном, аргона с воздухом, аргона с пропаном в соотношениях 70:30 соответственно.
Режимы, при которых проводилась обработка, и ход эксперимента аналогичны выбранным для обработки лузги пшеницы и овса [1, 2].
Первоначально определялась сорбционная емкость по нефти в статических и динамических условиях. На основании полученных результатов насыщаемости материала нефтью с течением времени при температуре 20 °С построены зависимости сорбции последней от образца ЛЯ после плазменной обработки. Анализ графиков изменения нефтеемкости в зависимости от времени показал, что последние имеют гиперболический вид и сорбция нефти происходит в течение первых пятнадцати минут контактирования исследуемых образцов с нефтью. Спустя 45 минут после начала эксперимента количество поглощенного сорбата практически не увеличивалось. Для полного насыщения достаточно 15 минутного контактирования СМ с поверхностью нефти.
Показатели максимальной нефтеемкости приведены в таблице 1. Отмечено, что наибольшее значение искомого параметра достигается при использовании образцов, обработанных в режимах № 1 и № 7. Найденные значения нефтеемкости составляли: для исходной ЛЯ - 4,886 г/г; образец №1 - 6,210 г/г, образец №7 - 6,148 г/г соответственно.
Максимальной сорбционной емкостью по нефти, определяемой в динамических условиях, определенной пропусканием определенного количества нефти через слой СМ массой 1 грамм, также обладают образцы, обработанные в атмосфере смеси пропана с бутаном № 1 (3,59 г/г) и смеси аргона с пропаном № 7 (3,23 г/г).
Таблица 1 - Максимальная сорбционная емкость по нефти образцов ЛЯ в статических и динамических условиях, водопошлощение
№ образца Максимальная сорбционная емкость по нефти в статических условиях, г/г Максимальная сорбционная емкость по нефти в динамических условиях, г/г Максимальное водо-поглощение, г/г
Лузга ячменя 4,886 2,65 3,935
1 6,210 3,59 2,542
2 4,865 2,76 3,378
3 5,832 2,99 2,752
4 5,198 2,59 3,452
5 5,912 3,13 2,675
6 5,214 2,83 3,822
7 6,148 3,23 2,951
8 5,361 2,78 3,504
9 5,264 2,74 3,845
10 6,092 3,14 2,952
У полученных после плазменной обработки образцов ЛЯ определялось значение водо-поглощения. Ход эксперимента соответствовал описанному выше. Полученные результаты, также представленные в табл. 1, показали, что наименьшим значением водопоглощения по отношению к исходной ЛЯ обладают образцы № 1, 3, 5 и 7.
Следующий этап работы заключался в изучении эффективности удаления нефтяных пленок с водной поверхности. Эксперименты проводились при 15 °С. На поверхность воды (50 мл) приливалось 3 мл нефти и наносился 1 грамм СМ. Количество остаточной нефти после сорбции определялось методом экстракции. Полученные значения нефте- и водопоглощения, эффективности очистки, а также изменения гидрофобности представлены в таблице 2, из которой следует что наибольшей степенью очистки от нефти и гидрофобностью обладают образцы № 1 и № 7.
Из приведенных данных видно, что наибольшей гидрофобностью обладают образцы ЛЯ, обработанные ВЧ-плазмой пониженного давления в атмосфере смеси пропана с бутаном и смеси аргона с пропаном. Визуально отмечено практически полное удаление нефти с поверхности воды. Полученные результаты продемонстрировали возможность уменьшения водопо-глощения с одновременным увеличением степени очистки воды от нефти.
В связи с данным обстоятельством в дальнейшем проводилась обработка еще 30 образцов ЛЯ путем изменения напряжения на аноде ВЧ разряда, силы тока на аноде, давления в разрядной камере, длительности обработки в атмосфере как смеси пропана с бутаном, так и в смеси аргона с пропаном в соотношениях 70:30. Режимы проведения обработки приведены в работе [1]. Образцам ЛЯ, обработанным плазмой, в атмосфере смеси аргона с пропаном присвоили обозначение 11а-25а, в атмосфере смеси пропана с бутаном, 11 б-25б соответственно.
У полученных образцов определялись водопоглощение и суммарная сорбционная емкость нефти и воды в статических условиях. Методика проведения эксперимента соответствовала описанной ранее. На поверхность воды наливалось 3 мл нефти. Значения результатов приведены в таблице 3.
Таблица 2 - Значения нефте - и водопоглощения для образцов СМ
№ образца Суммарная значение поглощенной воды и нефти, г Масса поглощенной нефти, г/г Масса поглощенной воды, г/г Степень очистки, % Изменение водопоглощения, %
Лузга ячменя 3,880 2,660 1,220 99,63
1 3,640 2,665 0,975 99,81 -20,08
2 3,648 2,665 0,983 99,81 -19,43
3 3,827 2,663 1,164 99,74 -4,61
4 3,776 2,663 1,113 99,74 -8,77
5 3,816 2,663 1,153 99,74 -5,49
6 3,697 2,664 1,033 99,78 -15,51
7 3,646 2,664 0,982 99,78 -19,33
8 3,655 2,664 0,991 99,78 -18,77
9 3,705 2,662 1,043 99,70 -14,51
10 3,765 2,662 1,103 99,70 -9,59
Таблица 3 - Значения водопоглощения для плазмообработанных образцов лузги ячменя (а - плазмообразующий газ аргон-пропан, б - плазмообразующий газ пропан-бутан)
№ образца Суммарное значение поглощенной воды и нефти, г/г Нефтепогло-щение, г/г Водопогло-щение, г/г Изменение водопогло-щения, % Степень очистки, %
ЛЯ 3,880 2,660 1,220 99,62
11 а/11 б 3,540/3,440 2,664/2,665 0,876/0,775 -26,22/-36,48 99,78/99,81
12а/12б 3,616/3,602 2,662/2,665 0,954/0,937 -21,85/-23,20 99,70/99,81
13 а/13 б 3,669/3,656 2,661/2,663 1,008/0,993 -17,38/-18,61 99,66/99,74
14а/14б 3,651/3,677 2,662/2,662 0,989/1,015 -18,93/-16,80 99,70/99,70
15 а/15 б 3,660/3,760 2,665/2,664 0,995/1,096 -18,44/-10,16 99,81/99,78
16а/16б 3,640/3,630 2,663/2,662 0,977/0,968 19,92/-20,65 99,74/99,70
17а/17б 3,784/3,606 2,661/2,663 1,087/0,943 -10,91/-22,71 99,66/99,74
18а/18б 3,653/3,590 2,662/2,663 0,991/0,927 -18,77/-24,02 99,70/99,74
19а/19б 3,630/3,650 2,664/2,663 0,966/0,987 -20,82/-19,10 99,78/99,74
20а/20б 3,640/3,596 2,661/2,662 0,979/0,934 -19,75/-23,44 99,66/99,70
21а/21б 3,711/3,608 2,663/2,662 1,048/0,946 -14,15/-22,46 99,74/99,70
22а/22б 3,490/3,452 2,665/2,668 0,825/0,784 -32,38/-35,74 99,81/99,93
23 а/23 б 3,659/3,615 2,662/2,661 0,997/0,954 -18,28/-21,80 99,70/99,66
24а/24б 3,647/3,628 2,661/2,661 0,986/0,967 -19,18/-20,74 99,66/99,66
25а/25б 3,638/3,633 2,663/2,661 0,975/0,972 -20,08/-20,32 99,74/99,66
Наибольшей гидрофобностью из исследованных образцов обладают № 11 б, № 22б, 22а
В виду того, что степень удаления нефти данными образцами превышала 99,6 % , было решено увеличить объем нефти до 5 и 7 мл на 50 мл воды и исследовать эффективность СМ, обработанных плазмой при наиболее оптимальных режимах. Методика проведения эксперимента соответствовала описанной ранее. Время проведения эксперимента составило 15 минут.
Найдено, что степень удаления нефти при использовании обработанных образцов составила не менее 99,8 %. Наибольшая степень очистки от нефти и наименьшее водопоглощение наблюдается при использовании ЛЯ, обработанной в атмосфере смеси пропана с бутаном, образец № 11 б. Результаты представлены в таблице 4.
Таблица 4 - Значения нефте - и водопоглощения для образцов ЛЯ в эксперименте с нефтью девонского отложения
№ образца Суммарная сорбционная емкость, г Масса нефти, г Масса воды, г Степень очистки, % Изменение водопоглощения, %
Объем нефти на водной поверхности - З мл
Лузга ячменя 4,920 4,443 0,477 99,84
22а 4,870 4,444 0,426 99,87 -10,69
11б 4,73В 4,447 0,291 99,93 -38,91
22б 4,870 4,445 0,425 99,89 -10,90
Объем нефти на водной поверхности - 7 мл
Лузга ячменя 6,640 6,223 0,417 99,89
22а 6,659 6,223 0,436 99,89 4,56
11б 6,382 6,224 0,158 99,93 -62,11
22б 6,458 6,222 0,236 99,87 -43,41
Обработка ВЧ-плазмой пониженного давления не приводит к изменению структуры биополимеров, входящих в состав ЛЯ, что подтверждается данными ИК-спектроскопии (рис 1), а приводит к изменению структуры поверхности СМ, подтверждением данного обстоятельства являются микрофотографии поверхности модифицированных и исходных образцов, представленные на рисунках 2а и 2б.
Как видно из рисунка 1 , при воздействии на поверхность ЛЯ потока плазмы в гидрофобном режиме происходит сглаживание выступающих фрагментов поверхности. Так, для немодифицированной ЛЯ наибольшее количество чешуек имеют высоту 700-800 нм, тогда как у образца ЛЯ, обработанного плазмой в наиболее оптимальном режиме 350-500 нм.
Рентгеноструктурный анализ исходного и модифицированного образцов шелухи ячменя подтвердил образование более упорядоченной структуры материала за счет структурнодинамических изменений без какой-либо химической модификации волокон при их взаимодействии с ВЧ- разрядом (рис. 2).
Рис. 1 - ИК-спектры образцов: 1 - исходная ЛЯ; 2 - образец №11б, обработанный в атмосфере смеси пропана с бутаном в режиме Р=26,6 Па, 1а=0,6 А, иа=1,5 кВ, 1=1 мин, 0=0,06 г/сек
Рис. 2 - Микрофотографии поверхности: а) исходная ЛЯ; б) образец №11б, обработанный в атмосфере смеси пропана с бутаном в режиме Р=26,6 Па, 1а=0,6 А, иа = 1,5 кВ, 1=1 мин, 0=0,06 г/сек
Угол сканирования-
а
Угол сканирования б
Рис. 3 - Дифратограмма лузги ячменя: а) исходный образец; б) образец 11б, обработанный в атмосфере смеси пропана с бутаном в режиме Р=26,6 Па, 1а=0,6 А, иа = 1,5 кВ, 1=1 мин, 0=0,06 г/сек
Очевидно, что проведенная обработка лузги ВЧ-плазмой пониженного давления приводит к улучшению гидрофобных свойств СМ, объясняющееся образованием на его поверхности нанослоя углерода, в результате процесса карбонизации пропана и бутана, входящих в состав плазмообразующего газа.
В случае использования сорбционной очистки поверхности воды от нефтепродуктов всегда встает вопрос об утилизации отработанных СМ. Исследована утилизация использованных материалов с сорбатом путем сжигания. Для экспериментального уничтожения больших
количеств отходов использована установка «Акула-1Ж» основанная на принципе пульсирующего горения, для утилизации твердых, жидких и газообразных промышленных и бытовых отходов, включая токсичные, взрывоопасные и отравляющие вещества. Масса золы после сжигания не превышала 6%. Проведен сравнительный элементный анализ образцов золы рентгенофлуоресцентным методом. Рассчитан класс опасности отходов - III (вещества умеренно опасные).
Таким образом, по проделанной работе можно сделать следующие выводы:
- исследована возможность использования ЛЯ в качестве СМ по отношению к нефти девонского отложения. Определены значения по нефтеемкости в статических и динамических условиях.
- проведена обработка ЛЯ ВЧ-плазмой пониженного давления. Найдены, оптимальные
параметры обработки, приводящие к увеличению значения нефтепоглощения в экспериментах с нефтями девонского отложений: плазмообрающий газ - пропан-бутан, давление в рабочей камере P = 26,6 Па, сила тока на аноде 1а = 0,6 А, напряжение на аноде Ua = 1,5 кВ, расход
плазмообразующего газа Q = 0,06 г/сек, время обработки t = 1 минута.
- показано, что обработка образцов лузги в атмосфере газа пропана с бутаном и аргона с пропаном приводит к снижению водопоглощения сорбционных материалов в экспериментах по удалению нефтяных пленок с поверхности воды.
Литература
1. Шайхиев, И.Г. Исследование удаления нефтяных пленок с водной поверхности плазмообработанными отходами злаковых культур 1. Лузгой овса / И. Г. Шайхиев [и др.] // Вестник Казан. технол. унта. - 2011. - Т. 14, № 12. - С. 110 - 118.
2. Шайхиев, И. Г. Исследование удаления нефтяных пленок с водной поверхности плазмообработанными отходами злаковых культур. 2. Лузгой пшеницы / И. Г. Шайхиев [и др.] //Вестник Казан. технол. ун-та. - 2011. - Т. 14, № 13. - С. 129 - 136.
3. Абдуллин, И.Ш. Получение сорбентов из отходов сельскохозяйственного производства с помощью
плазмы высокочастотных разрядов пониженного давления / И. Ш. Абдуллин [и др.] // Известия академии промышленной экологии. - 2002. - № 2. С. 78-83.
3. Шайхиев, И.Г. Отходы переработки льна в качестве сорбентов нефте-продуктов. 1. Определение нефтеемкости / И.Г. Шайхиев [и др.]. // Вестник Башкирского университета. - 2010. - Т. 15. - № 2. -С. 304-306.
© И. Г. Шайхиев - канд. техн. наук, зав. каф. инженерной экологии КНИТУ, [email protected]; С. В. Степанова - канд. техн. наук, доц. той же кафедры; О. А. Кондаленко - асп. той же кафедры; И. Ш. Абдуллин - д-р техн. наук, проф., проректор КНИТУ.
