Влияние обработки ВЧ-плазмой пониженного давления на эффективность удаления с водной поверхности масла КС-19 отходом валяльно-войлочного производства

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 КС-19

ОТХОДОМ ВАЛЯЛЬНО-ВОЙЛОЧНОГО ПРОИЗВОДСТВА

Ключевые слова: масло компрессорное, удаление с водной поверхности, отход валяльно-войлочного производства,

модификация плазмой.

Исследованы сорбционные характеристики отхода валяльно-войлочного производства (кноп) по отношению к компрессорному маслу марки КС-19. 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 compressor, remove from water, waste-fulling offelt production, modification of the plasma.

Sorption characteristics of the waste production of walk-tomentose (knop) with respect to the compressor oil KS-19. 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 КС-19 с водной поверхности. Ранее было показано, что кноп является эффективным СМ для удаления масла марки ТП-22 [6] с водной и твердой

поверхности, а увеличение сорбционных характеристик и гидрофобности возможно с помощью плазменной обработки. Физико-химические показатели масла КС-19 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 КС-19, определенная в статических и динамических условиях - 17,98 г/г и 10,01 г/г соответственно [6].

Следует отметить, что масло- и нефтеемкость кнопа в статических условиях превышает таковой показатель, определенный в динамических условиях. Для целлюлозосодержащих СМ, в частности, лузги, соломы зерновых культур наблюдается обратная зависимость [7]. С целью увеличения маслоемкости кнопа по отношению к названному маслу и снижения во-допоглощения 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 варьи-рованием параметров, при которых проводилась плазменная обработка, идентичны таковым, при которых проводилась обработка кнопа в работе [6]. Полученные после плазмообработ-ки образцы кнопа использовались для определения маслоемкости по отношению к маслу марки КС-19 в статических и динамических условиях. Полученные

данные приведены в таблице 1, из которых следует, что обработка кнопа ВЧ-плазмой пониженного давления способствует повышению его максимальной мас-лоемкости по отношению к исследуемому сорбату. Таблица 1 - Значения максимальной

маслоемкости плазмообработанных образцов

кнопа в статических и динамических условиях по отношению к маслу марки КС-19

Режим плазмообработки Маслоемкость, г/г

Статические условия Динамические условия

1 20,88 10,89

2 20,73 10,7б

3 20,7б 10,39

4 20,б5 10,59

5 20,74 10,23

б 20,58 10,78

7 20,8б 10,83

8 20,б9 10,77

9 20,73 10,74

10 20,81 10,44

Кноп 17,98 10,01

Как следует из приведенных в таблице 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 200С приливалось 3 мл (2,72 г) масла марки

12б

КС-19 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 КС-19 и изменения водопоглощения обладают образцы № 1 (97, 42%; -74,07%), № 7 (96,69%; -73,16%) и № 10 (96,32%; -30,14%), т.е. подвергнутые ВЧ плазменной обработке в атмосфере аргона с пропаном и пропана с бутаном.

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 (97,46%; -65,03%), № 17а (97,09%; -62,77%) и № 17 б (97,46%; -64,58%). Ввиду того, что степень удаления масла исследуемыми СМ достаточно высока, в последующих экспериментах объем масла марки КС-19 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 № 17а.

Идентичность химического строения биополимеров исходного кнопа (рис. 1,а) и образцов кнопа, обработанных высокочастотной плазмой в гидрофобном режиме в смеси аргона и пропана в

соотношении 70:30 (рис. 1,6), подтверждается

данными ИК-спектроскопии. Проанализировав спектральные картины, очевидно, 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. Для -ОН-группы характерны полосы поглощения в областях 3600-3000 см-1 и 1400-1000 см-1. Они проявляются в широком интервале частот, что связано со способностью гидроксильной группы образовывать водородные связи. Участие

гидроксильной группы в образовании

межмолекулярных водородных связей проявляется в значительном увеличении интенсивности полос поглощения. Увеличение интенсивности пика в области 3600-3000 см свидетельствует об увеличении количества водородных связей, что способствует дополнительному структурированию кератина шерсти.

Таблица 2 - Значения масло- и водопоглощения для образцов кнопа в экспериментах с маслом марки КС- 19

№ образца Мас-лопог-лощение, г/г Водопо-глоще-ние, г/г Степень удалее- ния масла, % Измене- ние водопог- лощения, %

Объем масла на поверхности воды 5 мл

Кноп 4,37 2,66 96,58

11а 4,47 1,10 98,67 -58,83

17а 4,47 1,03 98,67 -61,20

17б 4,48 1,11 98,89 -58,27

Объем масла на поверхности воды 7 мл

Кноп 6,21 2,31 98,02

11а 6,25 1,73 98,58 -25,32

17а 6,26 1,68 98,74 -27,49

17б 6,24 1,87 98,42 -19,26

Вышеприведенные исследования свойств исходных волос кнопа и обработанных ВЧ-плазмой пониженного давления, показали, что, варьируя параметрами плазменной обработки можно различным образом изменять активность функциональных групп кератина, вызывая

повышение или понижение их реакционной

способности, не приводящих к изменению в их составе.

Таким образом определены параметры ВЧ плазмы пониженного давления, при обработке которой образцов кнопа достигаются наибольшая степень удаления масла марки КС-19 с водной поверхности и наименьшее водопоглощение:

плазмообразующий газ - аргон с пропаном, 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 %.

б

Рис. 1 - ИК-спектр а) исходного кнопа; б) кнопа, обработанного ВЧ-плазмой пониженного давления

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. - Т. 14, № 19. - С. 42-48.

7. Самойлов, Н.А. Сорбционный метод ликвидации аварийных разливов нефти и нефтепродуктов /

Н.А. Самойлов, Р.Н. Хлесткин, А.В. Шеметов, А.А. Шаммазов // - М.: Химия, - 2001. - С. 190.

а

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.

© И. Г. Шайхиев - д-р. техн. наук, зав. каф. инженерной экологии КНИТУ, ildars@inbox.ru; З. Т. Фазуллина - асп. той же кафедры, fazullina511@mail.ru; И. Ш. Абдуллин - д-р техн. наук, проректор КНИТУ, abdullin_i@kstu.ru; И. Г. Гафаров - д-р. техн. наук, директор ООО «Ренари».