CC BY
31
БИОХИМИЯ И БИОТЕХНОЛОГИЯ
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 С ВОДНОЙ ПОВЕРХНОСТИ МАСЛА И-20А
ОТХОДОМ ВАЛЯЛЬНО-ВОЙЛОЧНОГО ПРОИЗВОДСТВА
Ключевые слова: масло индустриальное, удаление с водной поверхности, отход валяльно-войлочного производства,
модификация плазмой.
Исследованы сорбционные характеристики отхода валяльно-войлочного производства (кноп) по отношению к индустриальному маслу марки И-20А. Показано, что обработка кнопа высокочастотной плазмой пониженного давления способствует увеличению маслоемкости и гидрофобности. Найдено, что плазменная обработка не изменяет структуры биополимеров кератина шерсти, а лишь изменяет структуру поверхности.
Keywords: oil industrial, remove from water, waste-fulling offelt production, modification of the plasma.
Sorption characteristics of the waste production of walk-tomentose (knop) with respect to an industrial grade oil I-20A.
It is shown that high plasma processing mop low pressure helps to increase oil absorption and reduce the hydrophilicity. We found that plasma treatment does not alter the structure of biopolymers keratin hair, but only changes the surface structure.
В продолжение работ по исследованию отхода производства валяльно-войлочных изделий (кноп) в качестве перспективных сорбционных материалов (СМ) для удаления нефти [1-5] и продуктов ее переработки из водных сред исследована сорбция компрессорного масла марки И-20А с водной поверхности. Ранее было показано, что кноп является эффективным СМ для удаления масел марок ТП-22 и КС-19 [6-7] с водной и твердой поверхности, а увеличение сорбционных характеристик и гидрофобности возможно с помощью плазменной обработки. Физикохимические показатели масла И-20А и некоторые физические свойства кнопа, а также максимальные значения водопоглощения и маслоемкости приведены в работе [6]. В частности, найдено, что максимальное водопоглощение кнопа составляет 4,37 г/г, а маслоемкость по маслу И-20А, определенная в статических и динамических условиях - 20,06 г/г и 8,54 г/г соответственно [6].
С целью увеличения маслоемкости кнопа по отношению к названному маслу и снижения водопо-глощения проводилась обработка исследуемого СМ в потоке высокочастотной (ВЧ) плазмы пониженного давления. 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 работе [6]. Полученные после плазмообра-ботки образцы кнопа использовались для определения маслоемкости по отношению к маслу марки И-20А в статических и динамических условиях. Полученные данные приведены в таблице 1, из которых следует, что обработка кнопа ВЧ-плазмой пониженного давления способствует повышению его макси-
мальнои маслоемкости по отношению к исследуемому сорбату.
Как следует из приведенных в табл. 1 данных, наибольшие значения маслоемкости, определенные в статических условиях, получены для образцов кнопа, обработанных плазмой в атмосфере пропана с бутаном (режим № 1) и аргона с пропаном (режим № 7).
Масло, при попадании на водный объект, образует на поверхности воды плавающий слой. При нанесении кнопа 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 20 С приливалось 3 мл (2,72 г) масла марки И-20А и наносился 1 г плазмообработанного образца кнопа. По окончании контактирования, последний с поглощенной водой и маслом удалялся, а остаточное количество масла определялось экстракцией СС14. Последнее обстоятельство позволило определить количество сорбированного масла и воды, раздельно.
Проведенными экспериментами найдено, что наилучшими показателями степени удаления масла И-20А и снижения водопоглощения обладают образцы № 1 (96,15%; -52,77%), № 7 (96,92%; -54,55%) и № 10 (95,00%; -50,55%), соответственно, т.е. подвергнутые ВЧ-плазменной обработке в атмосфере аргона с пропаном и пропана с бутаном.
Таблица 1 - Значения максимальной
маслоемкости плазмообработанных образцов кнопа в статических и динамических условиях по отношению к маслу марки И-20А
Режим плазмообработки Маслоемкость, г/г
Статические условия Динамические условия
1 21,76 9,97
2 21,54 9,74
3 21,38 9,63
4 21,65 9,58
5 21,53 9,65
6 21,32 9,67
7 21,73 9,88
8 21,58 9,54
9 21,45 9,36
10 21,47 9,70
Кноп 20,06 8,54
В связи с вышеизложенным, в дальнейшем проводилась обработка еще 30 образцов кнопа путем варьирования значений 1а, иа, и 1 в атмосфере как в смеси пропана с бутаном, так и в смеси аргона с пропаном в соотношениях 70:30 соответственно с режимами, приведенными в работе [6]. Образцам кнопа, обработанным ВЧ-плазмой пониженного давления в атмосфере смеси аргона с пропаном присвоены обозначения 11а-25а, пропана с бутаном
- 11б-25б, соответственно. Подвергнутые обработке плазмой образцы кнопа исследовались для удаления исследуемого сорбата в количестве 3 мл с водной поверхности. Условия проведения эксперимента описаны ранее. По полученным данным найдено, 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. Наилучшие значения маслоемкости и гидрофобные характеристики достигнуты образцами кнопа, обработанными плазмой в режимах № 11а (98,08%; -62,08%), № 17а (98,08%; -61,64%) и № 17б (98,08%; -62,31%). Ввиду того, что степень удаления масла исследуемыми СМ достаточно высока, в последующих экспериментах объем масла марки И-20А на поверхности воды увеличили до 5 и 7 мл на 50 мл воды. 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 2. 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 таблиц, наибольшая степень очистки от синтетических масел и наименьшее водопоглощение наблюдается при использовании кнопа, обработанного плазмой в атмосфере смеси аргона с пропаном в режиме № 17б.
Таблица 2 - Значения масло- и водопоглощения для образцов кнопа в экспериментах с маслом марки И-20А (количество масла 5 и 7 мл)
№ образца Мас- лопогло- щение, г/г Водопо-глоще-ние, г/г Степень удаления масла, % Изменение водопо-глоще-ния, %
Объем масла на поверхности воды 5 мл (4,34 г)
Кноп 4,17 5,73 96,08
11а 4,25 4,16 97,92 -27,40
17а 4,26 4,18 98,16 -27,05
17б 4,27 4,15 98,38 -27,57
Объем масла на поверхности воды 7 мл (6,07 г)
Кноп 5,89 3,39 97,03
11а 5,95 2,45 98,02 -27,73
17а 5,93 2,48 97,69 -26,84
17б 5,95 2,44 98,02 -28,02
Ранее было показано [7] с помощью ИК-спектроскопии, что плазменная обработка в гидрофобном режиме не отражается на химическом составе волоса шерсти, но изменяется его реакционная способность, что выражается в изменении интенсивности полос поглощения.
Обработка кнопа плазмой приводит к изменению структуры поверхности СМ. Как видно из рис. 1, при воздействии на поверхность
шерстяного волокна потока плазмы в гидрофобном режиме происходит сглаживание чешуек волосков шерсти, что подтверждается гистограммами распределения последних по высоте. Для волокон кнопа наибольшее количество чешуек имеют высоту подъема над базовой линией 120-180 нм, после обработки волокон шерсти потоком плазмы высота подъема чешуек уменьшается и составляет от 50 нм до 150 нм, причем наибольшее количество чешуек имеют высоту 110 нм.
С целью определения кристалличности, исходный и модифицированный кноп исследованы методом рентгеноструктурного анализа (РСА). В результате проведенного РСА выявлено, что наиболее кристаллической структурой обладает кноп, обработанный в потоке ВЧ плазмы пониженного давления. Более выраженной аморфной структурой обладает исходный кноп. Методом РСА выявлено наличие структурных изменений в модифицированном образце СМ. Найдено, что обработка в атмосфере аргона с пропаном приводит к увеличению кристалличности структуры кнопа.
Таким образом определены параметры ВЧ плазмы пониженного давления, при обработке которой образцов кнопа достигаются наибольшая степень удаления масел марок ТП-22 [6], КС-19 [7],
И-20А с водной поверхности и наименьшее
водопоглощение: давление в рабочей камере Р = 26,6 Па, сила тока на аноде 1а = 0,4 А, напряжение на аноде иа = 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 %.
15
10
5
%
100 150 200 250 300 ПГП
а
л 5 рт
_.....гтГГПТППИШШ іііПіїі ГІГГГ ГТттч-1—
150 200
б
Рис. 1 - Микрофотографии поверхности и гистограммы распределения выступающих фрагментов по высоте: а - исходного кнопа, б -
кнопа, после обработки плазмой в гидрофобном режиме (увеличение 100000 раз)
Выявлено, что наилучшие результаты достигнуты образцами кнопа, подвергнутыми ВЧ плазменной обработке в атмосфере аргона с пропаном для масел марок ТП-22 и И-20А, а для КС-19 в атмосфере пропана с бутаном.
Литература
1. 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.
2. 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.
3. 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.
4. Шайхиев, И.Г. Использование отходов переработки шерсти для очистки сточных вод от поллюантов / И.Г. Шайхиев, Д.Д. Шайхлисламова, Р.Х. Низамов, О.Г. Желновач, Г.Р. Нагимуллина // Тезисы доклада Международной конференции по химической технологии ХТ’07, Москва, - 2007. - т. 2. - С. 286-288.
5. Шайхиев И.Г. Использование альтернативных сорбентов при ликвидации аварийных розливов нефти / И.Г. Шайхиев, Р.Х. Низамов, С.В. Степанова // Тезисы доклада конференции «Охрана окружающей среды на объектах нефтегазового комплекса», Альметьевск -Москва, - 2008. - С. 30-31.
6. Шайхиев, И.Г. Влияние обработки ВЧ-плазмой
пониженного давления на эффективность удаления отходом валяльно-войлочного производства с водной поверхности масла ТП-22 / И.Г. Шайхиев, З.Т. Фазуллина, И. Ш. Абдуллин, И.Г. Гафаров // Вестник Казан. технол. ун-та. - 2011. - № 19. - С. 42-48.
7. Шайхиев, И.Г. Влияние обработки ВЧ-плазмой
пониженного давления на эффективность удаления с водной поверхности масла КС-19 отходом валяльновойлочного производства / И.Г. Шайхиев,
З. Т. Фазуллина, И. Ш. Абдуллин, И.Г. Гафаров // Вестник Казан. технол. ун-та. - 2012. - Т. 15, № 4. -С. 126-128.
© И. Г. Шайхиев - д-р. техн. наук, зав. каф. инженерной экологии КНИТУ, [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».
