Экология/2. Экологические и метеорологические проблемы больших городов и промышленных зон.

Химия и химические технологии/1. Пластмассы, полимерные и синтетические материалы, каучуки, резино-технические изделия, шины и их производство.

К.т.н. Веприкова Е.В., вед. инж. Терещенко Е.А., д.х.н. Чесноков Н.В.,

д.х.н. Кузнецов Б.Н.

Институт химии и химической технологии СО РАН, Россия

Композиционные сорбенты на основе полистирольного волокна для ликвидации нефтяных загрязнений

Попадание нефти и нефтепродуктов на поверхность почвы и объектов гидросферы является важным техногенным фактором, нарушающим экологический баланс окружающей среды. Возрастающий масштаб деятельности человека в области добычи нефти, ее транспортировки и переработки придает проблеме ликвидации нефтяных загрязнений особую актуальность. Для устранения нефтяных загрязнений успешно применяются различные нефтяные сорбенты. Особое место по своей эффективности среди них занимают волокнистые материалы. Большой интерес представляют композиционные волокнистые нефтесобиратели, наполненные различными растительными отходами. В таких материалах удается сочетать значительную степень замещения синтетического материала (до 45% и выше) и высокие показатели нефтеемкости, что стимулирует их широкое применение для решения экологических задач [1].

Цель данной работы – исследование свойств композиционных волокнистых сорбентов с различными растительными наполнителями.

Сорбенты получали методом взрывного автогидролиза при следующих условиях: температура 125 ± 5 ^оС, давление 3,0 МПа, время выдержки 60 с. Для получения полимерного волокна использовали гранулы вспененного полистирола. В качестве наполнителей использовали опилки, окорку и кору осины, кору сосны, бересту березы, солому. Установка и способ получения сорбентов подробно описаны в работах [2,3].

Образование композиционных сорбентов на основе полистирольного волокна происходит в результате трех процессов, протекающих одновременно при взрывном автогидролизе в момент декомпрессии: разрушение гранул вспененного полистирола с образованием волокна; механическая деформация структуры частиц древесного наполнителя, приводящая к их разрыхлению и разрушению с образованием волокон; смешение частиц древесного наполнителя и полистирольного волокна с образованием полидисперсной массы. Композиционные сорбенты представляют собой комковатую массу, состоящую из волокон разной длины (2,0 – 30,0 мм) и диаметра (0,25 – 1,0 мм). Выход воздушно-сухого сорбента составляет 95 – 98 мас.%.

Нефтеемкость (НЕ, г/г), водопоглощение (ВП, г/г), степень отжима нефти, плавучесть сорбентов после сбора нефти и степень возврата нефти в воду с плавающих конгломератов определяли по методикам ТУ 214 – 10942238 –03–95. Нефтеемкость определяли по сырой нефти Тюменского месторождения (r 0,85 г/см³). Степень удержания древесного наполнителя (С_уд,, %), определяли по методике, описанной в работе [4].

Установлено, что возможность применения растительного наполнителя определяется характером его механической деформации в условиях взрывного автогидролиза. Так, с использованием коры сосны невозможно получить композиционный волокнистый сорбент. В процессе автогидролиза данный древесный материал разрушается с образованием мелкодисперсной крошки, которая практически полностью (на 95%) высыпается из воздушно-сухого сорбента. Автогидролиз других исследуемых наполнителей приводит к образованию волокон, а в случае бересты березы – мелких чешуйчатых частиц.

Такие структурные изменения позволяют получать волокнистые сорбенты, в которых степень удержания различных растительных наполнителей составляет 85,0 – 95,3 % (табл. 1). Сорбент, содержащий автогидролизованную солому, демонстрирует самое низкое значения степени удержания наполнителя в полистирольном волокне. Это обусловлено неполным разрушением резаной соломы в процессе получения сорбента.

Таблица 1. Свойства сорбентов с различными древесными наполнителями (содержание наполнителей 32 мас. %)

Наполнитель	Суд., %	НЕ*, г/г	ВП, г/г	Степень отжима нефти, %	Плаву честь, % (200 ч)
Опилки осины	95,3	7,2/9,4	6,7	82	100
Окорка осины	94,2	7,1/9,3	6,8	80	100
Кора осины	92,0	7,1/9,3	6,8	80	100
Береста березы	94,0	7,9/9,9	6,7	85	100
Солома	85,0	7,3/9,5	8,1	90	100
Экосорб		6,9/7,8	5,5	70	100
IRVELEN		7,2/8,4	5,2	75	100

Примечание: С_уд. – степень удержания древесного наполнителя, НЕ – нефтеемкость, ВП – водопоглощение, * - в числителе НЕ при 20^оС, в знаменателе – НЕ при 0^о С.

В зависимости от размера частиц исходной соломы (5,0 или 10,0 мм) количество не разрушенных остатков (размером более 3,0 мм) составляет от 10 до 33 мас.% соответственно. Крупные частицы соломы не удерживаются в волокнистой массе сорбента. Так же для сорбента с соломой наблюдается самое высокое водопоглощение, превышающее его нефтеемкость. Данный сорбент является единственным образцом, для которого наблюдалось отделение частиц наполнителя от массы волокна после сбора нефти.

Невысокое значение степени удержания наполнителя демонстрирует сорбент с корой осины. Установлено, что в процессе взрывного автогидролиза кора осины разрушается с образованием до 15 мас.% мелкодисперсной фракции (0,0 – 0,125 мм), которая плохо удерживается полистирольным волокном.

Было установлено, что для всех исследованных наполнителей степень их удержания в полистирольном волокне зависит от размера частиц исходного растительного материала. Оптимальный размер фракции опилок, окорки и коры осины, бересты березы – 1,0–2,0 мм. Солому целесообразно резать до размера 5,0 – 10,0 мм.

Все исследованные композиционные волокнистые сорбенты по нефтеемкости при 20 ^оС практически не уступают промышленным материалам «Экосорб» и «IRVELEN», представляющим собой чистое полимерное волокно. При нулевой температуре исследованные сорбенты поглощают больше нефти. По степени отжима нефти композиционные сорбенты превосходят образцы сравнения. Композиционные сорбенты характеризуются 100 % плавучестью в течение длительного времени нахождения в воде после сбора нефти. Установлено, что степень возврата нефти через 200 ч не превышает 0,6 – 1,0 %. В экспериментах по сбору нефти отсутствовали эффекты разбухания и разрушения сорбентов, наполненных берестой березы и производными осины.

Рис.1 Зависимость нефтеемкости волокнистых сорбентов от содержания растительных наполнителей

1 - окорка осины; 2 – опилки осины; 3 – береста березы.

Сорбент с берестой березы обладает наибольшей нефтеемкостью по сравнению с сорбентами, наполненными соломой и различными производными осины (табл. 1). Установлено, что для такого сорбента существенный прирост нефтеемкости по сравнению с чистым полистирольным волокном наблюдается с повышением содержания бересты от 10 до 60 мас.% (рис.1).

При использовании в качестве наполнителей окорки и опилок осины сорбенты, превосходящие по нефтеемкости полистирольное волокно, должны содержать не более 40 мас.% древесного материала.

Поскольку композиционные волокнистые сорбенты получены без использования химических связующих веществ, значение степени удержания наполнителя в сорбенте является важным показателем качества наравне с нефтеемкостью. На рис. 2 представлены данные о влиянии количества растительного наполнителя на степень его удержания в сорбенте. Видно, что лучшие результаты по данному показателю достигаются для сорбентов, содержащих от 10 до 40 мас. % опилок осины. Сорбенты, содержащие такие же количества окорки осины, несколько уступают по степени удержания сорбентам с опилкам, но превосходят сорбенты с берестой. Однако, сорбенты с

60 мас.% бересты превосходят сорбенты с производными осины не только по

Рис. 2 Влияние содержания наполнителя на степень его удержания в волокнистом сорбенте

- окорка осины;

- опилки осины;

- береста березы

нефтеемкости, но и по степени удержания наполнителя (рис. 1 и 2).

Таким образом, метод взрывного автогидролиза позволяет получать композиционные волокнистые сорбенты с различными растительными наполнителями без использования связующих веществ. Такие сорбенты по своим свойствам не уступают промышленным нефтесобирателям.

Список литературы

1. Каменщиков Ф.А., Богомольный Е.И. Удаление нефтепродуктов с водной поверхности и грунта. М: – Ижевск: Институт компьютерных исследований, 2006. 528 с.

2. Веприкова Е.В., Терещенко, Е.А., Чесноков Н.В., Кузнецов Б.Н. Волокнистые древесно-полистирольные сорбенты для ликвидации нефтяных загрязнений // Журнал Сибирского Федерального Университета. Химия.-№1, 2011 . С. 27 – 37.

3. Веприкова Е.В., Терещенко Е.А., Чесноков Н.В.[и др.]. Способ получения сорбента. Патент № 2435641 РФ. Заявка №2010123558/05 от 09.06.2010. Опубл. 10.12.2011. Бюл. №34.

4. Тихомиров В.Б. Физико-химические основы получения нетканых материалов. М.: Легкая индустрия, 1971. 328 с.