Использование зеина для фильтрации воды от нефтепродуктов

DOI:

Загрязнение нефтепродуктами природных вод представляет собой значительную угрозу, так как они являются одним из наиболее распространенных и опасных загрязнителей [1]. Эти продукты состоят из сложной смеси предельных и непредельных углеводородов, а также их различных производных.

Сам термин «нефтепродукты» (далее – НП) обычно относят именно к углеводородной фракции (включая алифатические, ароматические и ациклические соединения), которая представляет собой основной и наиболее характерный компонент нефти и ее переработанных форм. Международным параметром для определения присутствия нефтепродуктов в воде является «углеводородный индекс нефти» (HOI).

Цель исследования – определить возможность использования кукурузного белка в качестве компонента фильтрующей засыпки для очистки воды от нефтепродуктов.

Материалы и методы

Для того чтобы снизить вредное воздействие нефтепродуктов как на организм человека и животных, так и на водные биоценозы, необходимо контролировать и регулировать концентрацию нефтепродуктов в воде в соответствии с санитарными требованиями [3; 4].

Любое присутствие нефти в воде может привести к тяжелым экологическим последствиям, поэтому № 7-ФЗ «Об охране окружающей среды» [8] вводит штрафы за сброс нефтепродуктов в водные объекты с превышением норм предельно допустимой концентрации (далее – ПДК). Согласно этим нормам, ПДК нефтепродуктов в воде должна составлять 0,3 мг/дм3 для водных объектов хозяйственно-культурного назначения и 0,05 мг/дм3 для водных объектов рыбохозяйственного значения.

Чтобы обеспечить соблюдение этих норм, для анализа сточных вод могут применяться различные методы в зависимости от требуемой точности и ресурсов, а также типа измеряемых нефтепродуктов.

Среди наиболее распространенных методов измерения концентрации нефтепродуктов в воде: ИК-спектрофотометрия, гравиметрический анализ, флуоресцентная спектроскопия и газовая хроматография (см. рис. 1) [5; 7].

Независимо от выбранного метода, на первом этапе всегда проводится жидкостная экстракция для отделения нефтепродуктов от воды с помощью растворителя или экстрагента, чтобы увеличить их концентрацию и устранить любые вещества, которые могут повлиять на точность анализа. Кроме этого, обычно используется хроматографическая колонка, заполненная оксидом алюминия, чтобы устранить влияние полярных соединений.

Стоит отметить, что Российское законодательство, касающееся сброса нефти в водоемы, очень строго, и несоблюдение норм ПДК может привести к различным наказаниям, начиная со штрафов заканчивая временным запретом на деятельность. Промышленным предприятиям и компаниям важно убедиться в том, что их процессы очистки сточных вод эффективно удаляют НП, прежде чем сбрасывать их в водоемы или канализацию.

Биосорбенты получают из возобновляемых источников, таких как материалы растительного происхождения, отходы животноводства и морская биомасса, и их можно легко модифицировать для увеличения их адсорбционной способности, что делает их универсальными и эффективными в отношении различных загрязняющих веществ.

Растительный белок зеин, который входит в категорию проламинов, содержится в зернах кукурузы [10; 11], уникален тем, что, несмотря на его нерастворимость в воде, он легко растворяется в этаноле. В процессе гидролиза этот белок отделяет значительные количества глутаминовой кислоты, что составляет 26,9 % его массы, а также лейцина и пролина, содержание которых достигает 21,1 % и 10,53 % соответственно. За счет этого гидрофобность белка в 50 раз выше, чем у альбумина или фибриногена. Зеин может взаимодействовать с углеводородными цепями неф- тепродуктов через гидрофобные взаимодействия, улучшая общую адсорбционную способность фильтра.

Кроме исследуемого кукурузного белка в качестве компонентов для проведения экспериментальной части были выбраны: активированный кокосовый уголь и диатомит.

По определению диатомитом называют горную породу осадочного типа, основу которой составляет панцирь диатомовых водорослей. Характерным свойством вещества является наличие отрицательно заряженных ионов. За счет этого диатомит притягивает к себе положительно заряженные бактерии и вирусы. Также он обладает большой поверхностной площадью и высокой пористостью, что способствует физическому захвату частиц [2]. Может улучшить механическую фильтрацию, задерживая крупные частицы и распределяя поток жидкости для более равномерной адсорбции с углем.

Следующим компонентом для фильтрующих засыпок выступает активированный уголь, который считается одним из популярных адсорбентов, применяемых в различных целях. Активированный уголь адсорбирует молекулы нефтепродуктов через ван-дер-ваальсовы силы и гидрофобные взаимодействия. Высокая пористость угля позволяет захватывать и удерживать большие количества органических молекул. Химическая структура представляет пористую форму углерода с высокой поверхностной площадью, благодаря чему уголь обладает адсорбционными свойствами [9].

Рис. 1. Методы определения нефтепродуктов в воде

Для исследования эффективности использования кукурузного белка в процессе фильтрации воды от нефтепродуктов были составлено семь вариаций засыпок для фильтра. Данные наполнители состоят из описанных выше компонентов: активированного угля, диатомита и кукурузного белка. Стоит отметить, что каждый компонент отличается своими физико-химическими свойствами (табл. 1).

Комбинирование этих материалов позволяет использовать их сильные стороны, создавая более эффективные и универсальные фильтрующие системы. Оптимизация пропорций описанных выше адсорбентов может значи- тельно улучшить очистку воды и минимизировать воздействие нефтепродуктов на окружающую среду.

Для каждого варианта фильтрующего наполнителя были изготовлены фильтры, которые представляли собой, срезанную бутылку, в горлышко, которой закладывалась марля, после этого засыпался наполнитель (рис. 2).

Состав компонентов, содержащихся в засыпках, оставался неизменным. Отличие фильтрующих смесей друг от друга заключалось в различных пропорциях используемых адсорбентов (табл. 2).

Таблица 1

Рис. 2. Пример засыпки для проведения фильтрации

Физико-химические свойства сорбентов

Свойство	Наименование адсорбента
	Активированный уголь	Диатомит	Кукурузный белок
Удельная поверхность, м2/г	700–1500	30–45	1–10
Плотность, г/см3	0,3–0,6	0,5–0,7	1,5
Пористость	Высокая	Высокая	Низкая
Гидрофобность	Высокая	Низкая	Низкая

Таблица 2

Пропорции исследуемых фильтрующих засыпок

Фильтр	Активированный уголь	Диатомит	Кукурузный белок
Исходная проба	–	–	–
Засыпка № 1	34	33	33
Засыпка № 2	45	30	25
Засыпка № 3	60	10	30
Засыпка № 4	60	30	10
Засыпка № 5	40	10	50
Засыпка № 6	10	40	50
Засыпка № 7	90	5	5

Чтобы определить эффективность кукурузного белка в процессе фильтрации, в воду, полученную из систем центрального водоснабжения г. Волгограда, был добавлен бензин в произвольном объеме. Таким образом, получился исходный образец с загрязненной нефтепродуктами водой.

Для определения полученных результатов, пробы были переданы в испытательную лабораторию, где используя методику ПНД Ф 14.1.2722012 [6], исследовалась массовая концентрация нефтепродуктов в пробах сточных вод методом ИК-спектрофотометрии с применением концен-тратомеров серии КН-3.

Массовую концентрацию нефтепродуктов в пробе воды, X, мг/дм ³ , рассчитывают по формулам (1) и (2):

X =

X ИЗМ ^Х V ЭК ^Х K V

Y ХОЛ ,

где X _ХОЛ – результат измерений массовой концентрации нефтепродуктов в холостой пробе, мг/дм³, в пересчете на объем пробы дистиллированной воды; X _ИЗМ – результат измерений массовой концентрации нефтепродуктов в элюате на концент-ратомере, мг/дм³; V _ЭК – объем четыреххлористого углерода, использованного для проведения экстракции ( V _ЭК = 30 см³); V – объем пробы анализируемой воды, см³; К – коэффициент разбавления (соотношение объемов мерной колбы и аликвоты элюата).

X ХОЛ =

X ИЗМ ^Х ^ ЭК V

Результаты и обсуждение

Используя формулы (1) и (2), была определена массовая концентрация нефтепродуктов в исследуемых пробах и получены следующие данные (рис. 3, табл. 3).

Рис. 3. Массовая концентрация нефтепродуктов в воде

Сравнительная характеристика фильтрующих засыпок

Таблица 3

Фильтр (Уголь / Диатомит / Зеин, %)	Концентрация до, мг/дм³	Концентрация после, мг/дм³	Снижение концентрации, %
Без фильтрации (загрязненная вода)	97,47	–	–
Фильтр № 1 (34/33/33)	97,47	68,67	29,55
Фильтр № 2 (45/30/25)	97,47	74,43	23,64
Фильтр № 3 (60/10/30)	97,47	64,83	33,49
Фильтр № 4 (60/30/10)	97,47	70,11	28,07
Фильтр № 5 (40/10/50)	97,47	59,55	38,90
Фильтр № 6 (10/40/50)	97,47	66,27	32,01
Фильтр № 5 (90/5/5)	97,47	72,03	26,10

Исходя из полученных данных, можно отметить следующие наблюдения:

Концентрация нефтепродуктов с применением фильтрующей засыпки № 1 (34 % угля, 33 % диатомита, 33 % зеина) составляет 68,67 мг/дм³. Баланс между углем, диатомитом и зеином, показывает снижение концентрации нефтепродуктов на 29,6 %. Оптимальная комбинация, где все три компонента присутствуют в равных долях. Диатомит распределяет поток жидкости, позволяя активированному углю и кукурузному белку эффективно адсорбировать нефтепродукты.

Концентрация нефтепродуктов с применением засыпки № 2 (45 % угля, 30 % диатомита, 25 % зеина) состаляет 74,43 мг/дм³. Увеличение содержания угля за счет уменьшения диатомита и зеина нарушает баланс, что ведет к меньшей эффективности, несмотря на большой объем угля, снижение на 23,6 %.

Использование засыпки № 3 (60 % угля, 10 % диатомита, 30 % зеина) приводит к концентрации 64,83 мг/дм³. Высокое содержание активированного угля и кукурузного белка при низком содержании диатомита демонстрирует значительное снижение на 33,4 %.

Содержание нефтепродуктов с использованием фильтра № 4 (60 % угля, 30 % диатомита, 10 % зеина) составляет 70,11 мг/дм³. Снижение содержания белка и увеличение диатомита также ведет к менее эффективному снижению на 28,1 %.

Использование засыпки № 5 (40 % угля, 10 % диатомита, 50 % зеина) привело к концентрации нефтепродуктов 59,55 мг/дм³. Высокое содержание кукурузного белка и умеренное содержание угля показывают наилучшее снижение на 38,9 %.

Фильтрующая засыпка № 6 (10 % угля, 40 % диатомита, 50 % зеина) концентрацию содержания нефтепродуктов после применения составляет 66,27 мг/дм³. Высокое содержание зеина и диатомита, но низкое содержание угля показывают снижение на 31,98 %.

Фильтрующий наполнитель № 7 (90 % угля, 5 % диатомита, 5 % зеина) приводит к концентрации равной 72,03 мг/дм³. Высокое содержание угля и минимальное содержание зеина и диатомита показывают менее эффективную фильтрацию со снижением содержа- ния НП на 25,1 %. Объясняется это тем, что сокращение количества диатомита ухудшает распределение потока жидкости, снижая эффективность активированного угля. Уменьшение кукурузного белка снижает дополнительные гидрофобные взаимодействия.

Таким образом, можно сделать вывод, что использование кукурузного зеина для очистки воды от нефтепродуктов демонстрирует значительную эффективность. Оптимизация содержания активированного угля и диатомита в сочетании с зеином приводит к улучшению фильтрации от загрязнений нефтепродуктов.

Заключение

Применение кукурузного белка, как фильтрующего агента для удаления нефтяных загрязнений из воды, может сократить уровень загрязняющих веществ. Высокая концентрация зеина улучшает адсорбцию нефтепродуктов через гидрофобные взаимодействия, создавая дополнительные точки захвата загрязняющих веществ. Исследование и оптимизация использования кукурузного белка в составе фильтрующих материалов могут привести к созданию более эффективных и экологически безопасных систем фильтрации. Результаты исследования могут быть использованы для улучшения существующих систем фильтрации, что в свою очередь позволит снизить затраты на обслуживание и замену фильтрующих элементов.