Исследование удаления нефтяных пленок с водной поверхности плазмообработанными отходами злаковых культур 2. Лузгой пшеницы

ПРОБЛЕМЫ НЕФТЕДОБЫЧИ, НЕФТЕХИМИИ, НЕФТЕПЕРЕРАБОТКИ И ПРИМЕНЕНИЯ НЕФТЕПРОДУКТОВ

УДК 628.543.5.665

И. Г. Шайхиев, С. В. Степанова, С. М. Трушков,

И. Ш. Абдуллин

ИССЛЕДОВАНИЕ УДАЛЕНИЯ НЕФТЯНЫХ ПЛЕНОК С ВОДНОЙ ПОВЕРХНОСТИ ПЛАЗМООБРАБОТАННЫМИ ОТХОДАМИ ЗЛАКОВЫХ

КУЛЬТУР 2. ЛУЗГОЙ ПШЕНИЦЫ

Ключевые слова: нефть, сорбция, лузга пшеницы, плазма.

Исследовано удаление нефти девонского отложений с водной поверхности с использованием лузги пшеницы, обработанной высокочастотной плазмой пониженного давления. Найдены оптимальные параметры плазмообработки, приводящие к увеличению гидрофобности и олеофильности сорбционного материала.

Key words: oil, sorption, husks of wheat, the plasma.

The removal of oil from the Devonian deposits of the water surface using the husks of wheat treated with high-frequency low-pressure plasma was investigated. The optimal parameters of plasma treatment leading to an increase in hydrophobicity and oil receptivity sorption material were found.

В продолжение работ по исследованию отходов переработки сельскохозяйственных производств в качестве сорбционных материалов для удаления нефти и продуктов ее переработки с водной поверхности [1-3] изучено влияние параметров высокочастотной (ВЧ) плазмы пониженного давления на сорбционные характеристики лузги пшеницы (ЛП).

Из литературных источников известен химический состав последней. Плодовые оболочки зерна имеют нескольких рядов клеток, масса их составляет 4-6 % от массы зерна. Семенные оболочки тонки, хрупки, состоят из пигментного и гиалинового слоев, их масса составляет 2-2,5 % от массы плодового зерна. В состав оболочек входят пентозаны и гемицеллюлозы (43-45 %), клетчатка (18-22 %), азотистые вещества (4-5 %), в небольшом количестве сахара, липиды [4].

Исходная ЛП имеет следующие физико-механические показатели: насыпная плотность

- 0,097 г/см3; влажность - 4,73 %; зольность - 0,48 %; плавучесть - 59,17 %.

Для определения нефтеемкости исследуемых сорбционных материалов (СМ) при температуре 20 0С использовалась девонская нефть, добытая НГДУ «Елховнефть» ОАО «Татнефть» с показателями, приведенными в работе [1]. Для обработки исходного материала применялась ВЧ-плазма пониженного давления. Режимы, при которых проводилась обработка ЛП плазмой, а так же природа плазмообразующего газа-носителя приведены в работе [1] и соответствуют таковым при обработке лузги овса. Полученные после плазменной обработки образцы ЛП использовались для определения нефтеемкости в статических и динамических условиях, а также для исследования сорбции нефти девонского отложений с водной поверхности и водопоглощения.

У исходной и полученных после плазменной обработки образцов ЛП определялись значения нефтеемкости в статических и динамических значения условиях, приведенные в табл. 1.

Анализ зависимостей поглощения нефти СМ в статических условиях от времени контактирования показал, что графики имеют гиперболический вид и сорбция нефти происходит в течение первых 15 минут взаимодействия исследуемых образцов с нефтью. Отмечено, что наибольшая нефтеемкость достигается при использовании образцов ЛП, обработанных ВЧ-плазмой

пониженного давления в режимах № 1 и № 10, т.е. в атмосфере плазмообразующих газов, состоящих из смеси аргона с пропаном и пропана с бутаном в соотношениях 70:30 (табл. 1).

Таблица 1 - Значения нефтеемкости и максимального водопоглощения плазмообработанных образцов лузги пшеницы в статических условиях

№ образца Значение нефтеемкости, г/г Максимальное водопоглощение, г/г

Статические условия Динамические условия

Исходная ЛП 4,929 2,21 2,89

1 5,814 2,93 1,74

2 5,432 2,11 2,62

3 4,731 2,29 2,18

4 4,745 2,18 2,68

5 5,602 2,68 1,98

6 4,706 2,27 3,02

7 5,495 2,76 2,41

8 5,310 2,31 2,79

9 4,465 2,19 2,98

10 5,84 2,82 1,78

Следующий этап работы заключался в изучении эффективности удаления нефтяных пленок с водной поверхности. Для этого к 50 мл дистиллированной воды приливалось 3 мл нефти девонского отложений и присыпался 1 гр исследуемых СМ. Ход проведения эксперимента соответствовал описанному в работе [1]. Полученные при Т = 15 0С значения суммарного поглощения нефти и воды, нефте- и водопоглощения приведены в таблице 2.

Таблица 2 - Значения нефте- и водопоглощения для плазмообработанных образцов лузги пшеницы в эксперименте с нефтью девонского отложений

№ образца Суммарное значение поглощенной воды и нефти, г/г Нефтепогло-щение , г/г Водопогло-щение, г/г Степень удаления нефти, % Изменение водопогло-щения, %

Исходная ЛП 3,983 2,670 1,323 99,62

1 3,291 2,668 0,623 99,92 -52,92

2 4,468 2,665 1,803 99,81 +36,28

3 3,640 2,667 0,973 99,88 -26,46

4 4,129 2,666 1,463 99,85 +10,58

5 3,780 2,667 1,113 99,88 -15,88

6 4,787 2,664 2,123 99,78 +60,46

7 3,618 2,665 0,953 99,81 -27,97

8 4,228 2,665 1,563 99,81 +18,14

9 4,130 2,667 1,463 99,88 +10,58

10 3,794 2,667 1,127 99,88 -14,82

По данным таблицы можно сделать вывод, что наибольшей степенью удаления нефти и наименьшим водопоглощением обладают образцы ЛП, обработанные ВЧ-плазмой пониженного давления в атмосфере аргона с пропаном и пропана с бутаном (режимы 1, 3, 5, 7 и 10). Вышеназванные плазмообработанные образцы ЛП имеют также меньшие значения максимального водопоглощения, определенные в экспериментах только с дистиллированной водой, по сравнению с исходной лузгой и образцами, модифицированными плазмой в атмосфере воздуха и аргона с воздухом в соотношении 70 : 30 (табл. 1).

Учитывая тот факт, что удалось добиться снижения водопоглощения, но названный параметр, тем не менее, имеет высокие показатели в последующем проводилась плазмой обработка еще 30 образцов ЛП в атмосфере как пропана с бутаном, так и в смеси аргона с пропаном. Режимы проведения обработки идентичны приведенным в работе [1]. Образцам ЛП, обработанным плазмой в атмосфере смеси аргона с пропаном, присвоены обозначение 11а-25а, в атмосфере смеси пропана с бутаном - 11 б-25б соответственно.

У полученных образцов определялись сорбция нефти с поверхности воды и водопо-глощение. Методика проведения эксперимента соответствовала описанному ранее [1].

Полученные результаты приведены в таблице 3.

Таблица 3 - Значения нефте - и водопоглощения для плазмообработанных образцов лузги пшеницы в эксперименте с нефтью девонского отложения

№ образца Суммарная значение поглощенн ой воды и нефти, г Нефтепогло-щение, г/г Водопогло-щение, г/г Степень удаления нефти, % Изменение водо-поглощения, %

Исходная ЛП 3,983 2,660 1,323 99,62

11а/11б 3,540/3,380 2,664/2,665 0,876/0,715 99,78/99,81 -33,79/-45,95

12а/12б 3,564/3,559 2,663/2,663 0,901/0,896 99,74/99,74 -31,89/-32,27

13а/13б 3,655/3,660 2,662/2,662 0,993/0,998 99,70/99,70 -24,94/-24,57

14а/14б 3,563/3,559 2,664/2,664 0,899/0,895 99,78/99,78 -32,05/-32,35

15а/15б 3,630/3,39 2,665/2,664 0,965/0,726 99,81/99,78 -27,06/-45,12

16а/16б 3,650/3,660 2,663/2,663 0,987/0,997 99,74/99,74 -25,39/-24,64

17а/17б 3,590/3,644 2,665/2,661 0,925/0,983 99,81/99,66 -30,08/-25,69

18а/18б 3,439/3,639 2,664/2,663 0,775/0,976 99,78/99,74 -41,42/-26,23

19а/19б 3,650/3,700 2,667/2,662 0,983/1,038 99,88/99,70 -25,69/-21,54

20а/20б 3,596/3,706 2,663/2,661 0,933/1,045 99,74/99,66 -29,48/-21,01

21а/21б 3,683/3,662 2,663/2,661 1,020/1,001 99,74/99,66 -22,90/-24,26

22а/22б 3,667/3,556 2,666/2,667 1,004/0,889 99,85/99,88 -24,11/-32,80

23а/23б 3,659/3,593 2,662/2,662 0,997/0,931 99,70/99,70 -24,64/-29,63

24а/24б 3,584/3,629 2,661/2,663 0,923/0,966 99,66/99,74 -26,45/-26,98

25а/25б 3,677/3,651 2,664/2,662 1,013/0,989 99,78/99,70 -22,97/-25,24

Исходя из данных, приведенных в таблице 3, очевидно, что большей гидрофобностью обладают образцы № 11 б, № 15б и № 18а. Данный факт подтверждается значениями максимального водопоглощения, полученными в экспериментах с дистиллированной водой и приведенными в таблице 4.

Таблица 4 - Значения максимального водопоглощения для плазмообработанных образцов лузги пшеницы в эксперименте с дистиллированной водой

№ образца Водопоглощение, г/г Изменение водопоглоще-ния, %

11 а/11 б 2,22/1,91 -19,57/-30,79

12а/12б 2,15/2,05 -22,10/-26,45

13 а/13 б 2,25/2,52 -18,48/-8,69

14а/14б 2,14/2,11 -22,46/-23,55

15 а/15 б 2,62/1,96 -5,07/-28,98

16а/16б 2,15/2,15 -22,10/-22,10

17а/17б 2,34/2,01 -15,22/-27,17

18а/18б 1,99/2,15 -27,89/-22,10

19а/19б 2,17/2,37 -21,38/-14,13

20а/20б 2,26/2,31 -18,12/-16,30

21а/21б 2,18/2,64 -21,01/-4,3 5

22а/22б 2,29/1,98 -17,03/-28,26

23 а/23 б 2,52/1,95 -8,69/-29,35

24а/24б 2,37/2,24 -14,13/-18,84

25а/25б 2,33/2,08 -15,58/-24,64

Исходная ЛП 2,76

Таблица 5 - Значения нефте - и водопоглощения для образцов лузги овса

№ образца Суммарное значение поглощенной воды и нефти, г Нефтепог- лощение, г/г Водопог- лощение, г/г Степень удаления нефти, % Изменение водопо- глощения, %

Объем нефти - 5 мл на водной поверхности

Исходная ЛП 4,76 4,444 0,316 99,86

11б 4,63 4,447 0,183 99,93 -42,09

15б 4,712 4,445 0,267 99,89 -15,50

18а 4,73 4,445 0,285 99,89 -9,81

Объем нефти - 7 мл на водной поверхности

Исходная ЛП 6,581 6,223 0,358 99,89

11б 6,436 6,225 0,211 99,91 -41,06

15б 6,52 6,224 0,296 99,90 -17,32

18а 6,536 6,223 0,313 99,89 -12,57

Ввиду того, что степень удаления нефти исследуемыми реагентами, превышает 99 %, объем нефти увеличили до 5 и 7 мл на 50 мл воды и исследовалось действие образцов ЛП, обработанных ВЧ-плазмой пониженного давления в режимах, способствующих повышению олеофильности и снижению водопоглощения. Методика проведения эксперимента соответствовала описанному ранее [1]. Продолжительность проведения эксперимента составило 15 минут, так как по истечении данного промежутка времени изменений значений поглощенного сорбата не происходило. Полученные результаты представлены в таблице 5.

Данные, приведенные в таблице 5, показывают, что степень удаления нефти при использовании обработанных ВЧ-плазмой пониженного давления образцов ЛП составила более 99 % с уменьшением значений водопоглощения по сравнению с исходной лузгой.

Как видно из приведенных таблиц, наибольшая степень очистки от нефти девонского отложений и наименьшее водопоглощение наблюдается при использовании образца ЛП, обработанной плазмой в атмосфере пропана с бутаном, режим обработки аналогичный таковому при плазмообработке лузги овса (образец № 11 б) [1].

Проведены ИК-спектрометрические исследования исходной ЛП (верхний спектр) и обработанного плазмой в режиме 11 б (нижний спектр) в атмосфере пропана с бутаном (рис. 1).

ШауопмтКагс

Рис. 1 - Наложение ИК-спектров исходной ЛП и образца № 11б

Проанализировав спектральные картины, очевидно, что плазменная обработка в гидрофобном режиме не отражается на химическом составе ЛП, что подтверждается идентичностью спектров исходного и модифицированного образцов лузги.

Обработка ЛП плазмой приводит к изменению структуры поверхности СМ. Как видно из рисунка 2, при воздействии на поверхность ЛП потока плазмы в гидрофобном режиме происходит сглаживание выступающих фрагментов поверхности за счет выжигания углеводородами, входящими в состав плазмообразующего газа.

Очевидно, что проведенная обработка шелухи ВЧ-плазмой пониженного давления приводит к улучшению гидрофобных свойств СМ, объясняющееся образованием на поверхности СМ нанослоя углерода, в результате процесса карбонизации пропана и бутана, входящих в состав плазмообразующего газа.

100.0 пт 0.0 пт

2.0 мт

а

Рис. 2 - Микрофотографии поверхности: а) исходная ШП;

б

б) образец 116

Таким образом, по проделанной работе можно сделать следующие выводы:

- исследована возможность использования ЛП в качестве СМ по отношению к нефтям карбонового и девонского происхождения. Определены значения по нефтеемкости в статических и динамических условиях;

- проведена обработка ЛП ВЧ плазмой пониженного давления. Найдены, оптимальные параметры обработки, приводящие к увеличению значения нефтепоглощения в экспериментах с нефтью девонского отложения: плазмообразующий газ - пропан-бутан, давление в рабочей камере Р = 26,6 Па, расход плазмообразующего газа 0 = 0,06 г/с , напряжение на аноде иа = 1,5 кВ , сила тока на аноде 1а = 0,6 А, время обработки 1 = 1 минута;

- показано, что обработка образцов ЛП плазмой в атмосфере газа пропана с бутаном приводит к уменьшению водопоглощения реагента до 44 %.

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. ун-та. - 2011. - Т.14, № 12.- С. 110-117.

2. Абдуллин, И. Ш. Получение сорбентов из отходов сельскохозяйственного производства с помощью плазмы ВЧ разрядов пониженного давления / И. Ш. Абдуллин [и др.] // Известия Академии промышленной экологии. - 2002. - № 2 . - С. 78-83.

3. Шайхиев, И.Г. Влияние плазменной обработки льняной костры на удаление разливов девонской нефти с водной поверхности / И.Г. Шайхиев [и др.] // Вестник Казан. технол. ун-та. - 2011. - Т.14, № 8 . - С. 165-171.

4. Особенности химического состава зерна [Электронный ресурс]. - Режим доступа:

http://www.comodity.ru/agricultural/59.shtml свободный.

© И. Г. Шайхиев - канд. техн. наук, зав. каф. инженерной экологии КНИТУ, ildars@inbox.ru; С. В. Степанова - канд. техн. наук, доц. той же кафедры; С. М. Трушков - соискатель той же кафедры; И. Ш. Абдуллин - д-р техн. наук, проректор КНИТУ.