Модификация смешанного листового опада раствором метилтриэтоксисилана для получения эффективного нефтесорбента

Размещено на http://www.allbest.ru/

Казанский национальный исследовательский технологический университет

Кафедра инженерной экологии

МОДИФИКАЦИЯ СМЕШАННОГО ЛИСТОВОГО ОПАДА РАСТВОРОМ МЕТИЛТРИЭТОКСИСИЛАНА ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ ЭФФЕКТИВНОГО НЕФТЕСОРБЕНТА

Прохорова Светлана Викторовна

Магистр

Целью статьи является исследование возможности применения смешанного листового опада немодифицированного и модифицированного в качестве сорбционного материала для очистки вод, загрязненной нефтью и нефтепродуктами. Сорбционный процесс проводили в течение 15 мин. Модификацию сорбционного материала осуществляли в водной среде метилтриэтоксисилана, а также в органических растворителях, которые растворяются в метилтриэтоксисилане (ацетон, толуол, изобутиловый и этиловый спирт). Провели с материалом такие эксперименты как: определение нефтеемкости, водопоглощения и остаточного содержания нефти в воде и на основании данных экспериментов выбрали наилучший сорбционный материал. листовый опад сорбционный нефтепродукт

Ключевые слова: нефть; вода; листовой опад; сорбция; кремнийорганические соединения, модификация; органические растворители

Нефтепродукты (НП) попадают в окружающую среду в результате техногенных аварий, сброса неочищенных и недостаточно очищенных нефтесодержащих сточных вод, и в значительном количестве вследствие неорганизованного отвода ливневого и талого стоков с территорий, загрязненных различными нефтепродуктами и маслами [1]. Они являются одними из наиболее распространенных антропогенных загрязнителей поверхностных водоёмов и водотоков, в некоторых регионах и подземных источников питьевого водоснабжения. Предельные и ароматические углеводороды оказывают токсическое и наркотическое воздействие на организм, поражая сердечнососудистую и нервную системы. Углеводороды нефти способны проникать в жировую ткань водных организмов, накапливаться в ней и затем попадать в продукты питания человека [2].

Наряду с крупными водоемкими нефтеперерабатывающими и нефтехимическими заводами, машиностроительными и другими предприятиями, генерирующими огромный поток нефтесодержащих сточных вод, но в то же время в большей степени охваченными оборотным водоснабжением, существуют многочисленные небольшие предприятия типа авторемонтных заводов, центров обслуживания автомобилей, нефтебаз и других объектов, очистка нефтесодержащих стоков которых является актуальной проблемой [7].

Сорбционный метод очистки сточных вод от нефтепродуктов является наиболее эффективным и экологически приемлемым методом.

Преимуществом метода является возможность удаления загрязнений чрезвычайно широкой природы практически до любой остаточной концентрации, отсутствие вторичных загрязнений и управляемость процессом.

Исследования последних лет показывают, что дорогие промышленные сорбенты могут быть заменены на материалы, полученные из природного сырья или отходов производств, основой которых является целлюлоза - легко поддающийся модификации биополимер. В частности, известны образцы на основе люцерны, фасоли, рисовой и гречневой шелухи, древесных опилок, скорлупы орехов, яичная скорлупа, сухие стебли, лузга подсолнечника, скошенная трава, шелуха из-под семечек, скорлупы фруктовых косточек [3]. Отличительной чертой является и то, что каждый регион способен выбрать свою сырьевую базу в зависимости от специфики промышленности. В Республике Татарстан ей с успехом может выступать отходы растительного происхождения (листовой опад), который ежегодно образуется в больших количествах и вывозится на свалки. Такое использование природного материала является весьма нерациональным. Достоинствами данного материала является его широкое распространение, дешевизна, высокая эффективность и воспроизводимость.

Исследования проводились на образце, который включает в себя несколько видов деревьев, наиболее часто встречающихся в нашем регионе. Состав такого сорбционного материала состоит из листьев: тополя - 46,9 %, липы - 27,9 %, березы - 15,7 %, дуба - 1,9 %, прочих видов деревьев - 7,6 % [4].

В исходном виде смешанный листовой опад имеет невысокие технологические характеристики - высокую влажность (10,01 %), а вследствие этого низкую адсорбционную емкость по нефти (2,7 г/г) [5]. Из-за этого листва легко разбухает в воде и во многих органических жидкостях, поэтому в чистом виде её использовать в качестве сорбента нефти малоэффективно.

Блокировать адсорбционные центры при сорбции воды возможно, если обработать смешанный листовой опад кремнийорганическими соединениями (КОС). Эти соединения являются поверхностно-активными, состоящими из полярных силоксановых группировок Si-O и неполярных углеводородных радикалов. Адсорбируясь на поверхности гидрофильного сорбционного материала, кремнийорганические соединения обращаются к нему полярными группами и фиксируются за счёт химического взаимодействия с полярными группами адсорбента. Гидрофобные углеводородные радикалы при этом ориентируются в сторону, противоположную поверхности минерала. Благодаря этому, поверхность ранее гидрофильного листового опада становится более гидрофобной и тем больше, чем выше концентрация модификатора. Чаще всего КОС применяют с целью увеличения технических характеристик сорбента [6].

Экспериментальная часть

В качестве объектов исследования в работе выбрали:

1. Нефть НГДУ «Азнакаевскнефть» (Республика Татарстан).

2. Исходным продуктом (сорбционным материалом) выступал осенний смешанный листовой опад (2015 г).

3. В качестве гидрофобизаторов использовали метилтриэтоксисилан для дополнительной обработки поверхности сорбционного материала с целью увеличения технических характеристик адсорбента.

В исследовании провели модификацию сорбционного материала кремнийорганическим соединением в водной среде метилтриэтоксисилана, а также на основе органических растворителей (ацетон, толуол, изобутиловый и этиловый спирт) с получением наилучших нефтяных сорбентов.

Основные характеристики кремнийорганического модификатора (метилтриэтоксисилана) приведены в таблице 1.

Таблица 1

Основные характеристики метилтриэтоксисилана

Обработка образцов листвы метилтриэтоксисиланом в жидкой фазе в воде и органических растворителях (этилового и изобутилового спирта, ацетона и толуола) проводили следующим образом: в колбы объемом 250 смі помещалось 3 г смешанного листового опада с раствором гидрофобизатора. Концентрацию модификатора варьировали от 1 % до 10 %. Содержимое колбы тщательно перемешивали на перемешивающем устройстве в течение 1-2 ч при температурах 40 - 60 °С. Затем модифицированные образцы отделяли от раствора и высушивали до постоянной массы.

Далее с материалом проводили такие эксперименты как: определение нефтеемкости (рисунок 1), водопоглощения (рисунок 2) и остаточного содержания нефти в воде (рисунок 3). Определение сорбционной емкости проводилось по следующей методике: в чашки Петри помещалась латунная сетка, наливалось по 1 мл девонской нефти/ воды - 70 мл и сплошным слоем наносился исследуемый образец массой 1 г. Через 5 минут образцы изымались, после стекания некоторой части нефти/воды, взвешивались на лабораторных весах марки ВЛТ-150П до постоянной массы. Остаточное содержание нефти в воде определяется методом экстракции. В делительную воронку сливают остаток нефтезагрязненной воды с чашек Петри, добавляют 5 мл четыреххлористого углерода и интенсивно встряхивают. В результате образуется 2 слоя: верхний-нефть + четыреххлористый углерод и нижний-вода. Нижний слой сливают, а верхний - помещают в сушильный шкаф, выпаривают до постоянного веса, взвешивают и определяют остаточное содержание нефти в воде [8].

Рисунок 1 Зависимость нефтеемкости от концентрации модификатора листового опада (в водной среде и среде органических растворителей - этилового и изобутилового спирта, ацетона и толуола)

График зависимости нефтеемкости от концентрации модификатора (рисунок 1), полученный в ходе экспериментов показывает, что наибольшую сорбционную емкость по отношению к нефти имеет листовой опад модифицированный 10 % раствором метилтриэтоксисилана в ацетоне (5,3 г/г), а наименьшую - 10 % водном растворе метилтриэтоксисилана (3,6 г/г).

Рисунок 2 Зависимость водопоглощения от концентрации модификатора листового опада в водной среде и в среде органических растворителей - этилового и изобутилового спирта, ацетона и толуола

Из рисунка 2 видно, что насыщение образцов водой у модифированного образца в 10 % растворе метилтриэтоксисилана в ацетоне самый высокий (3,2 г/г), а в 10 % водном растворе метилтриэтоксисилана - наименьший (1,4 г/г).

Рисунок 3 Зависимость остаточного содержания нефти в воде от концентрации модификатора листового опада в водной среде и в среде органических растворителей (этилового и изобутилового спирта, ацетона и толуола)

Остаточное содержание нефти в воде уменьшается как с увеличением концентрации модификатора, а также временем выдержки. При обработке образца 10 % водным раствором метилтриэтоксисилана остаточное содержание нефти в воде 0,0137 г/л, а при использовании 10 % раствора метилтриэтоксисилана в этиловом спирте - 0,0003 г/л.

Анализируя проведенные результаты, можно придти к выводу о том, что предпочтительнее обрабатывать сорбционный материал раствором гидрофобизатора на основе этилового спирта и ацетона, чем в чистом силане, а также растворами изобутилового спирта или толуола.

Вероятно, в этой эмульсии растворитель, быстрее испаряется с поверхности сорбента, усиливая эффект дегидратации.

Таким образом, проведенные исследования говорят о потенциальной возможности применения отходов растительного происхождения модифицированных спиртовым раствором метилтриэтоксисилана в качестве сорбентов для удаления тонких нефтяных пленок. Результаты исследований свидетельствуют об эффективности растительного сырья, что открывает широкие возможности производства на его основе экологически безопасных, дешевых сорбентов.

Отработанные же сорбенты, пропитанные нефтепродуктом, подлежат утилизации, поскольку содержащиеся в их порах загрязненные вещества представляют собой угрозу вторичного загрязнения окружающей среды. Поэтому нами были предложены методы его правильной утилизации.

Первый метод - это высокотемпературное сжигание в печи. При этом сгорают не только сорбированные загрязнители, но и органический модификатор, нанесенный на СЛО. Оставшийся неорганический шлак можно использовать в различных строительных технологиях или отправлять на захоронение на полигон.

Второй метод - это прессование загрязненного сорбционного материала в брикеты и использование его в качестве топлива.

Заключение

1. Рассмотрены возможности использования листвого опада в качестве основы получения доступного сорбента для удаления нефтяных загрязнений из водных сред.

2. Описаны эксперименты и разработаны способы химической модификации сорбционного материала на основе кремнийорганических соединений с целью получения новых сорбентов, обладающих высокой поглощающей способностью по отношению к нефти.

3. Предложены возможные способы утилизации отработанных органомодифицированных сорбентов.

Библиографический список

1. Трусова В. В. Автореф. дисс. Очистка оборотных и сточных вод предприятий от нефтепродуктов сорбентом на основе бурых углей. Иркутск, 2014. С. 4.

2. Климов Е. С. Природные сорбенты и комплексоны в очистке сточных вод. Ульяновск: УлГТУ, 2011. 11 с.

3. Громыко Н. В. Новые сорбционные материалы для очистки сточных вод от нефтепродуктов [Электронный ресурс]: Электронный периодический рецензируемый научный журнал «SCI-ARTICLE.RU»,№27 (ноябрь) 2015 // http://sci-article.ru/number/11_2015.pdf (дата обращения 2.11.2016).

4. Прохорова С. В. Технические науки: электрон. научн. журн.,1 (19) (2016), http://www.researches-of-technical-sciences.ingnpublishing.com/files/2016/ITN/1-19/esj-rts-2016-1-19-Prohorova.pdf.

5. Голубчиков М. А. Автореф. дисс. Очистка сточных вод от нефтепродуктов модифицированными адсорбентами на основе карбонатного шлама. Казань, 2015. 70 с.

6. Губкина Т. Г. Способы получения гидрофобных сорбентов нефти модификацией поверхности вермикулита органосилоксанами [Электронный ресурс]:Вестник МГТУ, том 14, №4, 2011 г // http://vestnik.mstu.edu.ru/v14_4_n46/articles/767_773_gubki.pdf (дата обращения 2.11.2016).

7. Технология очистки сточных вод: Учеб.пособие / А. Б. Ярошевский, С. М. Романова, С. В. Фридланд, В. А. Рощин, И. Г. Шайхиев; Казан. гос. технол. ун-т. Казань, 2005. 92 с.

8. Инновационные технологии в машиностроении: сборник трудов VII Международной научно-практической конференции / Юргинский технологический институт. Томск: Изд-во Томского политехнического университета, 2016. 461 с.

Размещено на Allbest.ru