Исследование отхода от переработки сахарной свеклы в качестве сорбционного материала минеральных масел

УДК 628.316.12

И. Г. Шайхиев, С. В. Степанова, К. И. Шайхиева, А. И. Мавлетбаева

ИССЛЕДОВАНИЕ ОТХОДА ОТ ПЕРЕРАБОТКИ САХАРНОЙ СВЕКЛЫ В КАЧЕСТВЕ СОРБЦИОННОГО МАТЕРИАЛА МИНЕРАЛЬНЫХ МАСЕЛ

Ключевые слова: жом сахарной свеклы, масла, сорбция, маслоемкость.

Проведено исследование по возможности использования высушенного жома сахарной свеклы различного фракционного состава в качестве сорбционного материала масел различного назначения при различных температурах в статических и динамических условиях. Определено, что значение максимальной маслоемкости жома сахарной свеклы уменьшается при понижении температуры. Найдено, что наибольшими сорбционными характеристиками обладает средняя фракция реагента с размерами 1,2-5 мм.

Keywords: sugar beet pulp, oil, sorption, oil capacity.

A study on the possibility of using sugar beet pulp dried different fractional composition as an oil sorption material for different purposes at different temperatures under static and dynamic conditions. It was determined that the maximum oil absorption of sugar beet pulp decreases with decreasing temperature. It was found that the highest sorption characteristics has an average fraction of the reagent with the size 1,2-5 mm.

Введение

В продолжение работ [1-4] по исследованию жома сахарной свеклы (ЖСС) в качестве сорбционного материала для удаления нефтепродуктов из водных сред и твердой поверхности, исследовались его сорбционные характеристики по отношению к маслам. В качестве сорбатов использовались масла следующих марок: турбинное масло марки ТП-22С, трансмиссионное масло марки ТЭп-15В, моторные масла марок М10Г2К, М8В, М63/12Г1, индустриальное масло марки И-20А и веретенное мало марки АУ. Учитывая то обстоятельство, что на большей территории Российской Федерации преобладают низкие температуры, в работе исследовались сорбционные характеристики ЖСС по отношению к указанным НП при температурах +4 0С и +20 0С. Некоторые физико-химические показатели исследуемых масел приведены в таблице 1.

Таблица 1 - Значения плотности и вязкости масел при различных температурах

Наименование сорбата Плотность при температуре, г/см3 Динамическ ая вязкость при 20 0С, сП

20 0С 4 0С

Турбинное масло ТП-22С 0,866 0,877 73,3

Трансмиссионное масло ТЭп-15В 0,917 0,929 184,6

Моторное масло М10Г2К 0,907 0,921 173,0

Моторное масло М8В 0,888 0,901 126,7

Моторное масло М63/12Г! 0,877 0,888 63,0

Индустриальное масло И-20А 0,876 0,889 78,2

Веретенное масло АУ 0,873 0,887 76,2

В работе в качестве сорбционного материала применялся высушенный ЖСС, полученный на

ОАО «Буинский сахарный завод». Исследуемая масса жома первоначально подвергалась дроблению с целью выяснения влияния фракционного состава на маслоемкость реагента. В результате ситовой обработки выделены три фракции: крупная - от 5,0 мм и более (до 12,0 мм); средняя - от 1,2 мм до 5,0 мм и мелкая - менее 1,2 мм.

По литературным данным [5], вещественный (качественный) состав жома разнообразен и имеет значительные количественные вариации: в 100 кг сухих веществ свежего жома содержится около 20 кг клетчатки, 30-35 кг гемицеллюлозы, примерно такое же количество пектина, 8-10 кг белков, 2-3 кг сахара и около 2 кг минеральных веществ. Содержание сухого вещества в свежем жоме составляет 6-7 %, в составе которого находятся 2,5 % клетчатки; 2,6 % пектиновых веществ; 0,2 % золы; 0,2 % сахарозы и 0,6 % азотистых веществ.

Целлюлоза (клетчатка - высокомолекулярный полисахарид, нерастворимый даже в горячей воде), представляет главную составную часть клеточных стенок растений (в том числе и растений сахарной свеклы). Спутниками целлюлозы являются гемицеллюлозы, а также менее сложные полисахариды клеточных стенок, в состав которых входят пектозаны, гексозаны, некоторое количество уроновых кислот. В свою очередь, пектиновые вещества состоят из пектозы (пропектин), растворимого пектина и полигалактуроновой (пектиновой) кислоты [5].

Азотистые вещества жома, в основном, представлены труднорастворимыми формами белка (до 80 % от общего количества азота). Общее содержание азота сложных белков-протеидов (аминокислот) колеблется в пределах 0,3-0,5 %. Кроме того, в 1 кг свежего жома содержится около 19 мг витамина С. В ЖСС найдены и другие витамины (мг/кг): В1 - 0,55; В2 - 0,20; В6 - 0,18; С -5,0; пектиновая кислота - 0,21; биотин - 0,001 [5].

Усредненный состав сухого жома приведен в таблице 2.

Таблица 2 - усредненный вещественный состав жома сахарной свеклы [6]

№ Показатели Содержание в

п/п ЖСС, %

1. Сухое вещество 86-93

2. Сухой протеин 7-9

3. Сырая клетчатка 19-23

4. Безазотистые

экстрактивные вещества 55-65

5. Зола 2,4-4,3

6. Жир 0,3-0,5

7. Количество кормовых

единиц в 100 кг жома 90-95

Обсуждение результатов

Определены характеристики используемого сорбционного материала - суммарный объем пор, насыпная плотность, влажность, коэффициент сухости и зольность. Полученные данные представлены в таблице 3. Как видно из результатов проведенных экспериментов, ЖСС обладает большим суммарным объемом пор, что является главным требованием, предъявляемых к сорбционным материалам.

Таблица 3 - Значение основных свойств жома сахарной свеклы

Основные Наименование фракции

свойства СМ крупная

Суммарный объем пор, см3/г 5,331 4,582 3,133

Насыпная 0,181 0,286 0,498

плотность, г/см3

Влажность Ш, % 8,835 8,098 7,564

Коэффициент 0,911 0,919 0,924

сухости жома, Ксух

Зольность З, % 0,397 0,384 0,382

соответственно). При пониженной температуре в первые 5 минут контактирования сорбционные показатели крупной и мелкой фракций практически одинаковы (1,59 г/г и 1,60 г/г, соответственно).

20

40

Крупная фракция I Средняя фракция

3,5 3

. 2,5 2 1,5 1

0,5 0

60 80

Время, мин

Мелкая фракция

20

40

Крупная Фракция I Средняя фракция

б

60 80

Время, мин

Мелкая фракция

Рис. 1 - Графики зависимости поглощения масла ТП-22С от времени и фракций жома сахарной свеклы: а) при 20 0С, б) при 4 0С

а

0

Для определения маслоемкости на поверхность вышеназванных масел объемом 50 см3 в чашке Петри насыпалось по 1 г ЖСС различного фракционного состава и через определенные промежутки времени с помощью латунной сетки, заранее помещенной в чашку Петри, насыщенный маслами сорбционный материал удалялся, излишний сорбат стекал и весовым методом определялось количество удаленного НП. Величину статической сорбционной емкости определяли как отношение массы поглощенного НП к массе сорбционного материала.

Графики сорбции масла марки ТП-22С в зависимости от температуры окружающей среды и фракции сорбционного материала приведены на рисунке 1.

По построенным зависимостям очевидно, что при нормальных условиях и при пониженной температуре наибольшим значением маслоемкости обладает средняя фракция ЖСС (3,18 г/г и 1,83 г/г,

При сравнении изотерм сорбции (рисунки 1а и 1 б), очевидно, что значение температуры значительно влияет на показатель максимальной маслоемкости. Например, для крупной фракции ЖСС значения названного параметра при 40С и 200С составляют 1,59 и 2,72 г/г, средней фракции - 1,83 и 3,18 г/г и 1,60 и 2,76 г/г для мелкой фракции, соответственно. Данное обстоятельство, по всей видимости, объясняется тем, что при сорбции на мелкопористых сорбционных материалах химических веществ, размеры которых близки к размерам пор, проникновение молекул углеводородов, входящих в состав масла, зависит от их кинетической энергии. При низкой температуре кинетической энергии углеводородов недостаточно для проникновения в поры сорбционного материала и сорбция происходит лишь на поверхности реагента.

Графики сорбции остальных видов масел имеют аналогичный вид. Значения максимальной

сорбционной емкости, определенной в статических условиях при 20 0С, приведены в таблице 4.

Таблица 4 - Значения максимальной маслоемкости жома сахарной свеклы в зависимости от фракционного состава при 20 0С

Наименование сорбата Максимальная маслоемкость, г/г

Крупная фракция Средняя фракция Мелкая фракция

Турбинное масло ТП-22С 2,72 3,18 2,76

Трансмиссионное масло ТЭп-15В 2,38 2,88 2,22

Моторное масло М10Г2К 2,29 2,72 2,28

Моторное масло М8В 2,23 2,57 2,18

Моторное масло М63/12Г! 1,81 2,28 1,74

Индустриальное масло И-20А 1,56 1,82 1,58

Веретенное масло АУ 1,60 1,96 1,63

По значениям максимальной маслоемкости при 20 0С исследуемые масла расположены в следующий ряд зависимостей (по средней фракции жома): ТП-22С > ТЭп-15В > М10Г2К > М8В > М63/12Г1 > АУ > И-20А. Очевидно, что для ЖСС не соблюдается правило, выявленное для целлюлозосодержащих сорбционных материалов -нефте- и маслоемкость последних увеличивается с повышением вязкость НП. Данное обстоятельство, определяется, по всей видимости, невысоким содержанием клетчатки и гемицеллюлозы и высоким содержанием пектинов и белковых веществ.

Значения максимальной маслоемкости, определенной в статических условиях при 4 0С, приведены в таблице 5.

Таблица 5 - Значения максимальной маслоемкости жома сахарной свеклы в зависимости от фракционного состава при 4 0С

Наименование Максимальная маслоемкость,

сорбата г/г

Крупная фракция Средняя фракция Мелкая фракция

Турбинное масло ТП-22С 1,59 1,83 1,60

Трансмиссионное масло ТЭп-15В 1,31 1,68 1,33

Моторное масло М10Г2К 1,24 1,72 1,44

Моторное масло М8В 1,62 1,89 1,68

Моторное масло М63/12Г! 1,23 1,55 1,27

Индустриальное масло И-20А 1,03 1,21 1,06

Веретенное масло АУ 1,01 1,17 1,05

По значениям максимальной маслоемкости при 40С исследуемые масла расположены в следующий ряд зависимостей (по средней фракции жома): М8В > ТП-22С > ТЭп-15В > М10Г2К > М63/12Г! > И-20А > АУ.

Дальнейшая экспериментальная работа заключалась в определении максимальной маслоемкости ЖСС в динамических условиях. Для этого через слой жома, помещенного в стеклянную колонку, массой 5 г пропускалось 100 г масла. По истечении всей массы сорбата, после определенной выдержки, когда прекратится каплепадение, измерялась масса вышеназванных масел в приемнике и определялась максимальная маслоемкость жома в динамических условиях, отнесенная к единице массы ЖСС. Следует отметить, что в экспериментах использовались средняя и крупная фракции ЖСС; при использовании мелкой фракции наблюдались определенные трудности с истечением масел через слой жома.

Значения максимальной маслоемкости, определенные в динамических условиях, приведены в таблице 6.

Таблица 6 - Значения максимальной маслоемкости жома сахарной свеклы в динамических условиях в зависимости от фракционного состава при 20 0С

Наименование сорбата Максимальная маслоемкость, г/г

Крупная фракция Средняя фракция

Турбинное масло ТП-22С 2,04 2,30

Трансмиссионное масло ТЭп-15В 2,58 2,58

Моторное масло М10Г2К 2,49 2,53

Моторное масло М8В 2,42 2,44

Моторное масло М63/12Г! 1,88 2,13

Индустриальное масло И-20А 2,05 2,40

Веретенное масло АУ 1,97 2,22

Значения максимальной маслоемкости, определенные в динамических условиях, расположены в следующий ряд (по средней фракции жома): ТЭп-15В > М10Г2К > М8В > И-20А > ТП-22С > АУ > М63/12ГЬ

Выводы

Таким образом, проведенными исследованиями определены значения максимальной маслоемкости ЖСС в зависимости от размера фракций в динамических и статических условиях при различных температурах. Определено, что наибольшие значения маслоемкости наблюдаются у средней фракции жома (размер частиц - от 1,2 до 5 мм). Проведенные эксперименты и полученные данные позволяют рекомендовать сухую массу жома в качестве сорбционного материала для ликвидации аварийных разливов масел и других НП [3, 4] на твердой поверхности.

Литература

1. А.Ф. Шарафисламова, И.Г. Шайхиев, Тезисы доклада Международной научно-практической конференции в области экологии и безопасности жизнедеятельности «Дальневосточная весна 2007», Комсомольск-на-Амуре, 2007. С. 187-189.

2. А.Ф. Шарафисламова, И.Г. Шайхиев, Материалы IV Всероссийской конференции «Актуальные вопросы защиты окружающей среды и безопасность территорий регионов России», Улан-Удэ, 2007. С. 7881.

3. И.Г. Шайхиев, С.В. Степанова, К.И. Шайхиев, А.И. Мавлетбаева, Вестник технологического университета, 18, 13, 246-248 (2015).

© И. Г. Шайхиев - д.т.н., зав. кафедрой инженерной экологии КНИТУ, ildars@inbox.ru; С.В. Степанова - к.т.н., доцент той же кафедры; К. И. Шайхиева - студентка гр. 1231-32 той же кафедры; А.И. Мавлетбаева - аспирант той же кафедры.

© I. G. Shaikhiev - D.Sc.Tech, Head of Industrial Ecology cathedra of Kazan National Research Technological University , phone. ildars@inbox.ru; S.V. Stepanova - Ph.D., Associate Professor of Environmental Engineering of the same university; K. I. Shaikhieva - student of 1231-32 group of Industrial Ecology cathedra of the same university; A. 1 Mavletbaeva - graduate student of Industrial Ecology cathedra of the same university.

4. И.Г. Шайхиев, К.И. Шайхиева, А.И. Мавлетбаева, Вестник технологического университета, 18, 14, 236237 (2015).

5. В.И. Титова, М.В. Дабахов, Е.В. Дабахова, Обоснование использования отходов в качестве вторичного материального ресурса в сельскохозяйственном производстве: учебное пособие, Изд-во ВВАГС, Н. Новгород, 2009. 178 с.

6. Н.В. Колесников, Хранение и использование свекловичного жома, Россельхозиздат, Москва, 1980. 155 с.