Влияние параметров ВЧ плазмы пониженного давления на эффективность удаления угаром с водной поверхности масла КС-19

Автор: Шайхиев И.Г., Фасхутдинова З.Т., Абдуллин И.Ш., Ханхунов Ю.М.

Журнал: Вестник Восточно-Сибирского государственного университета технологий и управления @vestnik-esstu

Статья в выпуске: 6 (45), 2013 года.

Бесплатный доступ

Исследованы сорбционные характеристики отхода валяльно-войлочного производства (угар) по отношению к компрессорному маслу марки КС-19. Показано, что обработка угара высокочастотной плазмой пониженного давления способствует увеличению маслоемкости и гидрофобности. Найдено, что плазменная обработка не изменяет структуры биополимеров кератина шерсти и целлюлозных составляющих, входящих в состав угара, а лишь изменяет структуру поверхности.

Масло компрессорное, отход валяльно-войлочного производства, удаление с водной поверхности, модификация плазмой

Короткий адрес: https://sciup.org/142142805

IDR: 142142805

Текст научной статьи Влияние параметров ВЧ плазмы пониженного давления на эффективность удаления угаром с водной поверхности масла КС-19

Наиболее эффективным способом очистки поверхностных вод от разливов нефти и нефтепродуктов является сорбционная очистка. В качестве сорбентов используются материалы природного и искусственного происхождения, обладающие высокой нефтеемкостью. Однако сдерживающим фактором использования сорбентов для ликвидации разливов нефтепродуктов является их относительная дороговизна. В связи с этим актуальной становится задача поиска эффективных и дешевых сорбционных материалов (СМ) для удаления нефти и продуктов ее переработки с водной и земной поверхности. Особый интерес в этом плане представляют альтернативные реагенты из отходов промышленного и сельскохозяйственного производства.

Ранее [1] было показано, что кноп, отход производства валяльно-войлочных изделий, обработанный в потоке высокочастотной (ВЧ) плазмы пониженного давления, является хорошим СМ для извлечения нефти [1,2] и технических масел [3-5] с твердой и водной поверхности.

В связи с вышеизложенным исследована возможность использования в качестве СМ для удаления масел из водных сред угара – отхода валяльно-войлочного производства, который образуется при очистке шерсти, засоренной репьем. Угар имеет в составе репейные остатки и волокна шерсти большей длины, чем волокна кнопа. Содержание шерсти в угаре составляет 54 %, целлюлозных растительных остатков - 46 %.

Исследованы сорбционные характеристики угара по отношению к маслу марки КС-19, входящему в состав промышленных стоков.

Первоначально определялись значения маслоемкости в статических и динамических условиях и максимального водопоглощения, которые составили 21,13 г/г; 11,18 г/г и 3,98 г/г соответственно.

С целью увеличения маслоемкости и снижения водопоглощения исследуемого СМ проводилась обработка угара в потоке высокочастотной (ВЧ) плазмы пониженного давления. Исследовалось влияние ВЧ низкотемпературной плазменной обработки СМ на его сорбционные свойства по отношению к маслу марки КС-19, а также на увеличение гидрофобности. Первоначально в качестве плазмообразующих газов использовались воздух, смеси пропана с бутаном, аргона с воздухом, аргона с пропаном в соотношениях 70:30.

Режимы с варьированием параметров, при которых проводилась плазменная обработка, приведены в таблице 1.

Таблица 1

Режимы обработки угара ВЧ плазмой пониженного давления

№ режима обработки	Входные параметры обработки
	Газ-носитель	Соотношение	P, Па	I а , А	U а , кВ	t, мин	Q, г/с
1	Пропан-бутан	70:30	26,6	0,5	7,5	1	0,06
2	Аргон-воздух	70:30
3	Аргон-пропан	70:30
4	Воздух
5	Пропан-бутан	70:30	13,3	0,5	7,5	1	0,02
6	Аргон-воздух	70:30
7	Аргон-пропан	70:30
8	Воздух
9	Аргон-воздух	70:30	26,6	0,8	7,5	30	0,06
10	Аргон-пропан	70:30

P - давление в рабочей камере, Па; I а - сила тока на аноде, А; U а - напряжение на аноде, кВ; Q - расход плазмообразующего газа, г/с

Полученные после плазмообработки образцы угара использовались для определения маслоемкости по отношению к маслу марки КС-19 в статических и динамических условиях. Полученные данные, из которых следует, что плазмообработка угара способствует повышению его максимальной маслоемкости по исследуемому сорбату и снижению водопоглощения, приведены в таблице 2.

Таблица 2

Значения максимальной маслоемкости и водопоглощения плазмообработанных образцов угара в статических и динамических условиях

Режим плазмообработки	Маслоемкость, г/г		Максимальное водопоглощение, г/г
Режим плазмообработки	статические условия	динамические условия	Максимальное водопоглощение, г/г
1	23,18	11,98	1,15
2	22,91	11,75	1,42
3	22,83	11,84	1,34
4	22,13	11,56	1,29
5	22,56	11,73	1,45
6	22,80	11,81	1,32
7	23,24	11,95	1,07
8	22,76	11,69	1,48
9	22,58	11,78	1,35
10	22,43	11,88	1,40
Угар	21,13	11,18	3,98

Масло образует на поверхности воды плавающий слой. При нанесении реагента на эту поверхность вместе с поглощением масла происходит также поглощение воды, что уменьшает маслоемкость СМ. В связи с этим в последующем исследовалось влияние параметров плазменной обработки на водо- и маслопоглощение угара. Для проведения экспериментов на поверхность воды при 20 ⁰С приливалось 3 мл исследуемого масла и наносился 1 г исследуемого СМ. По окончании контактирования угар с поглощенной водой и маслом удалялся, а остаточное количество масла в воде определялось экстракцией последнего CCl 4 , что позволило определить количество сорбированного масла и воды. Полученные значения масло- и водопоглощения приведены в таблице 3.

Таблица 3

Значения масло- и водопоглощения для плазмообработанных образцов угара в эксперименте с маслом марки КС-19

Режим	Суммарное значение водо- и масло-поглощения, г/г	Водо-поглощение, г/г	Масло-поглощение, г/г	Степень удаления масла, %	Изменение водопоглоще-ния, %
1	3,75	1,08	2,67	98,16	-74,77
2	3,80	1,15	2,65	97,43	-73,13
3	3,85	1,21	2,64	97,06	-71,73
4	3,90	1,25	2,65	97,43	-70,79
5	4,09	1,48	2,61	95,96	-65,42
6	3,87	1,24	2,63	96,69	-71,03
7	3,72	1,05	2,67	98,16	-75,47
8	4,01	1,36	2,65	97,43	-68,22
9	4,04	1,40	2,64	97,06	-67,29
10	3,69	1,03	2,66	97,79	-75,93
Угар	6,76	4,28	2,48	91,18

По данным, приведенным в таблице 3, очевидно, что наибольшей степенью удаления масла и гидрофобностью обладают образцы угара, обработанные в режимах № 1 и 7, 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 СМ путем варьирования значений I а , U а , и t в атмосфере как смеси пропана с бутаном, так и в смеси аргона с пропаном в соотношениях 70:30 соответственно. Режимы проведения обработки приведены в таблице 4. Образцам угара, обработанным ВЧ плазмой пониженного давления в атмосфере смеси аргона с пропаном, присвоены обозначения 11а-25а, пропана с бутаном – 11б-25б. Подвергнутые обработке плазмой образцы СМ исследовались для удаления исследуемого сорбата в количестве 3 мл с водной поверхности. Условия проведения эксперимента описаны ранее.

Полученные значения масло- и водопоглощения плазмообработанных образцов угара приведены в таблице 5, из которой очевидно, что обработка угара 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. Данное обстоятельство подтверждается снижением значений максимального водопоглощения, полученных в экспериментах с дистиллированной водой. Найдено, что наилучшие гидрофобные показатели достигнуты образцами угара, обработанными ВЧ плазмой пониженного давления в режимах № 11а, 17а и 17б. Ввиду того что степень удаления масла исследуемыми СМ достаточно высока, в последующих экспериментах объем масла марки КС-19 на поверхности воды увеличивался до 5 и 7 мл на 50 мл воды. Исследовалось действие образцов угара, обработанных ВЧ плазмой при вышеназванных режимах с параметрами, приведенными в таблице 4. Методика проведения эксперимента соответствовала описанной ранее. Время контактирования сорбата с СМ составило 15 мин, дальнейшее увеличение взаимодействия, как показали проведенные эксперименты, не влияло на изменение сорбционных показателей образцов угара. Полученные значения водопоглощения приведены в таблице 6.

Таблица 4

Режимы проведения плазмообработки угара в атмосфере смеси пропана с бутаном и смеси аргона с пропаном (70:30)

№ режима	Изменяемые параметры плазмообработки*
№ режима	1 а , А	П а , кВ	t, мин
11	0,6	1,5	1
12		2,0
13		2,5
14		3,0
15		3,5
16	0,3	2,5
17	0,4
18	0,5
19	0,7
20	0,8
21	0,6	2,5	3
22			5
23			10
24			15
25			20

Постоянные параметры: Р=26,6 Па; Q=0,06 г/с.

Таблица 5

Значения масло- и водопоглощения для образцов угара после плазмообработки в атмосфере аргона с пропаном (11а-25а) и пропана с бутаном (11б-25б) в эксперименте с маслом марки КС-19

№ образца	Суммарное поглощение масла и воды, г/г	Маслопо-глощение, г/г	Водопоглоще-ние, г/г	Степень удаления масла, %	Изменение водопоглощения, %
11а/11б	3,63/3,98	2,70/2,66	0,93/1,32	99,26/97,79	-78,27/-69,16
12а/12б	3,88/3,94	2,67/2,67	1,21/1,27	98,16/98,16	-71,73/-70,33
13а/13б	3,93/3,97	2,66/2,67	1,25/1,30	98,53/98,16	-70,79/-69,63
14а/14б	4,00/3,99	2,66/2,68	1,34/1,31	97,79/98,53	-68,69/-69,39
15а/15б	3,66/3,95	2,67/2,67	0,99/1,28	98,16/98,16	-76,87/-70,09
16а/16б	3,81/3,80	2,68/2,66	1,13/1,14	98,53/97,79	-73,60/-73,36
17а/17б	3,59/3,61	2,69/2,70	0,90/0,91	98,90/99,26	-78,97/-78,74
18а/18б	3,82/3,72	2,68/2,68	1,14/1,04	98,53/98,53	-73,36/-75,70
19а/19б	3,83/3,89	2,67/2,68	1,17/1,21	98,16/98,53	-73,36/-71,73
20а/20б	3,97/3,82	2,69/2,66	1,28/1,16	98,90/97,79	-70,09/-72,90
21а/21б	3,84/3,83	2,68/2,68	1,16/1,15	98,53/98,53	-72,90/-73,13
22а/22б	3,98/3,96	2,66/2,67	1,32/1,29	97,79/98,16	-69,16/-69,86
23а/23б	3,95/4,01	2,67/2,67	1,28/1,34	98,16/98,16	-70,09/-68,69
24а/24б	3,98/3,85	2,68/2,67	1,30/1,18	98,53/98,16	-69,63/-72,43
25а/25б	4,02/4,04	2,67/2,68	1,35/1,36	98,16/98,53	-68,46/-68,22
Угар	6,82	2,48	4,28	91,18

Таблица 6

Значения масло– и водопоглощения для образцов угара в экспериментах с маслом марки КС-19 (количество масла 5 и 7 мл)

№ образца	Суммарное поглощение масла и воды, г/г	Маслопо-глощение, г/г	Водопогло-щение, г/г	Степень удаления масла, %	Изменение водопо-глощения, %
Объем масла на пове			рхности воды 5 мл (4,49 г)
Угар	6,91	4,40	2,51	97,13
11а	5,42	4,49	0,93	99,12	-62,95
17а	5,39	4,50	0,89	99,34	-64,54
17б	5,39	4,49	0,90	99,12	-64,14
Объем масла на пове			рхности воды 7 мл (6,28 г)
Угар	8,03	5,98	2,05	94,32
11а	7,10	6,27	0,83	98,90	-59,51
17а	6,89	6,30	0,59	99,37	-71,22
17б	6,99	6,28	0,71	99,05	-65,37

Как видно из таблицы 6, наибольшая степень очистки от масла марки КС-19 и наименьшее водопоглощение наблюдаются при использовании угара, обработанного плазмой в атмосфере смеси аргона с пропаном в режиме № 17а.

Степень удаления исследуемого масла при использовании плазмообработанных образцов угара превысила 99 %. Обработка плазмой способствует уменьшению значения водопоглощения по сравнению с немодифицированным угаром.

Идентичность химического строения биополимеров исходного образца и образцов угара, обработанных высокочастотной плазмой в гидрофобном режиме в смеси пропана и бутана в соотношении 70:30, подтверждается данными ИК-спектроскопии. При анализе спектральных картин, найдено, что плазменная обработка в гидрофобном режиме не отражается на химическом составе волос шерсти и целлюлозных остатков, но изменяется их реакционная способность, что выражается в изменении интенсивности полос поглощения. В частности, увеличение интенсивности пика в области 3600–3000 см-1 свидетельствует об увеличении количества межмолекулярных водородных связей с –ОН-группами, что способствует дополнительному структурированию кератина шерсти и целлюлозных составляющих угара.

Подтверждением вышесказанному служат исследования исходного и плазмообработанного угара и компонентов, входящих в его состав методом рентгеноструктурного анализа (РСА), которым показано, что более кристаллической структурой обладает исследуемый СМ, модифицированный в потоке плазмы (режим 17 а). Исходный угар имеет более выраженную аморфную структуру.

Обработка угара плазмой приводит к изменению структуры поверхности СМ. Как видно из рисунка, при воздействии на поверхность шерстяного волокна потока плазмы в гидрофобном режиме происходит сглаживание чешуек волосков шерсти, что подтверждается гистограммами распределения последних по высоте. Для волокон шерсти угара наибольшее количество чешуек имеют высоту подъема над базовой линией 250350 нм, после обработки волокон шерсти потоком плазмы высота подъема чешуек уменьшается и составляет от 120 до 220 нм, причем наибольшее количество чешуек имеют высоту 150 нм.

Вышеприведенные исследования свойств исходного угара и образцов угара, обработанных высокочастотной плазмой, показали, что, варьируя параметрами плазменной обработки, можно различным образом изменять активность функциональных групп кератина шерсти и целлюлозных составляющих угара, вызывая повышение или понижение их реакционной способности, не приводящей к изменению в их составе.

Рис. Микрофотографии поверхности и гистограммы распределения выступающих фрагментов по высоте: а - исходных волокон шерсти угара; б - волокон шерсти угара, после обработки плазмой в гидрофобном режиме (увеличение 100000 раз)

Таким образом, определены параметры ВЧ плазмы пониженного давления, при обработке которой образцов угара достигаются наибольшая степень удаления масла марки КС-19 с водной поверхности и наименьшее водопоглощение: плазмообразующий газ – смесь аргона с пропаном в соотношении 70:30, давление в рабочей камере Р = 26,6 Па, сила тока на аноде Iа = 0,4 А, напряжение на аноде Uа = 2,5 кВ, расход плазмообразующего газа Q = 0,06 г/с, время обработки t = 1 мин.

Статья научная