VI Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся

Старт в науке

Полимерные сорбенты для очистки воды от нефти и ее продуктов

• Авторы
• Руководители
• Файлы работы
• Наградные документы

Грибова Е.А. 1

---

1МБОУ СОШ №23

Лим Л.А. 1

---

1Дальневосточный государственный федеральный университет

Работа в формате PDF

94.9 KB

Автор работы награжден дипломом победителя III степени

Диплом школьникаСвидетельство руководителя

Введение

В современном мире человечество активно использует нефтепродукты в различных сферах жизни. Во время добычи нефти, транспортировки, переработки и потребления происходят утечки и проникновение в окружающую среду жидких углеводородов. Нефть и ее продукты являются токсичными веществами. В связи с этим одна из актуальных проблем – очистка окружающей среды от нефтепродуктов, попавших в природу вследствие человеческой деятельности.

В водах мирового океана добывают существенную часть нефти и газа. Морским путем (как более дешевым) производят транспортировку нефтепродуктов в разные страны. Таким образом, при авариях нефтепродукты попадают в воды мирового океана. При промывке цистерн нефтеналивных судов остатки нефти также оказываются в воде. Дополнительно, жидкие углеводороды попадают в моря и океаны с водами рек, несущих загрязнения с поверхности континентов. Около 35% нефтепродуктов попадает в мировой океан при транспортировке нефти, 32% вклад рек, 10% загрязнения городскими и промышленными отходами жидких углеводородов и 10 % из атмосферы и естественных источников [1].

Растворимость нефти в воде мала, поэтому нефтепродукты аккумулируются в океане на поверхности воды, а также в донных отложениях [2]. Чрезмерное количество жидких углеводородов нарушает химический и, как следствие, биологический баланс окружающей среды и может привести к гибели живых организмов.

Для удаления нежелательных нефтепродуктов (при превышении ПДК в воде 0,05 мг/л) используют различные методы: механические, физико-химические, химические и биологические. Один из наиболее эффективных физико-химических способов – сорбция [3]. По принципу действия различают адсорбцию (поверхностное связывание нефти) и абсорбцию (диффузионное поглощение нефти) [4].

Известно большое количество природных (хлопок, торф, опилки и тд.) и искусственных (пенополиуретан, синтетической вискозы, гидратцелюлозы, и др.) материалов для сорбционной очистки воды от нефти и нефтепродуктов [3]. Значительное количество сорбентов – волокнистые материалы как естественного, так синтетического происхождения. Их использование обусловлено химическими и физическими характеристиками полезными как при адсорбции (в связи и большой площадью поверхности) так и абсорбции (из-за высокой впитывающей способности). Например, были получены положительные результаты при исследовании сорбционных способностей материалов из отходов термопластов полиэтиленово-полипропиленовых одноразовых медицинских шприцев и пластмассовых бутылок из полиэтилентерефталата [5].

Несмотря на то, что исследованы и применяются большое количество сорбентов, актуален поиск новых сорбентов. Идеальный сорбент для ликвидации разливов нефти должен быть максимально дешевым, из доступных сырьевых ресурсов, не токсичным для окружающей среды и живых организмов, утилизируемым, обладающим долговременной плавучестью. Данным требованиям отвечают синтетические полимеры, самым дешевым из которых является полиэтилен (ПЭ).

Цель данной работы – исследование свойств волокнистого нефтесорбента на основе полиэтилена.

Для достижения поставленной цели требуется решить следующие задачи:

- изучить методы измерения нефтеемкости; выбрать наиболее информативный метод;

- получить экспериментальные данные нефтеемкости для волокнистого полиэтиленового сорбента;

- сделать выводы о пригодности и целесообразности использования данного сорбента для очистки воды от нефти и нефтепродуктов.

Автор работы лично делала обзор литературы, формулировала экспериментальную часть, провела все эксперименты, вводила данные для анализа в программу Exel, обсуждала с научным руководителем результаты.

Экспериментальная часть

Материалы и оборудование:

В качестве модельного нефтепродукта (НП) было использовано подсолнечное масло марки "Злато" в связи со сходством его физико-химических свойств с моторными маслами, нетоксичностью и простотой использования.

Волокнистый сорбент получали нарезкой триммером бесцветной, прозрачной полиэтиленовой пленки номинальной толщиной 5 мкм. Толщина волокна – 1 мм. Полученный волокнистый материал распушали вручную до получения беспорядочной спутанной структуры.

Аналитические весы ME403 (Mettler Toledo, Швейцария) и АХ 200 (Shimadzu, Япония).

Определение нефтеемкости проводили по следующей методике:

Предварительно взвешенные образцы массой около 1 г погружали в исследуемое масло для насыщения. Каждый образец прикрепляли на тарированную медную проволочку. После выдерживания в течение 15 мин в масле образец подвешивали к нижнему крюку автоматических весов Mettler Toledo ME403 и фиксировали массы с интервалом 1 мин, до установления постоянных значений.

Нефтеёмкость рассчитывалась как разность текущей и начальной масс масла, отнесённая к единице массы. Для каждого эксперимента проводили 2 параллельных опыта. Нефтеемкость проволочки принимается пренебрежимо малой.

Расчет нефтеемкости (Н) сорбента проводился по формуле:

где m₁ – масса сорбента и удерживаемым нефтепродуктом, г;

m₂ – масса сорбента, г.

Результаты и обсуждение

Были проведены три типа экспериментов по определению нефтеемкости волокнистого ПЭ сорбента. Условия проведения экспериментов приведены в Табл. 1.

На рисунке 1-3 представлены профили удерживания волокнистого сорбента: при комнатной температуре чистого масла; с поверхности водной среды при комнатной температуре; в водной среде со льдом соответственно. Из полученных данных видно:

- максимальная нефтеемкость в начальный момент времени составляет 9,89; 21,15; 21,30 г/г в экспериментах 1-3 соответственно; наибольшая из них в эксперименте 3;

- нефтеемкость в конце периода измерения составила 3,01; 4,09; 5,09 г/г в эксепериментах 1-3 соответственно; при этом потеря массы составила 69,5; 80,6; 76,1 % соответственно в экспериментах 1-3;

- сравнение нефтеемкости волокнистого ПЭ сорбента с литературными данными [3, 6, 7, 8], учитывая, что в большинстве источников не указаны конкретные условия получения экспериментальных данных, затруднительно, потому что не указывается точное время и условия измерения.

Рис. 1 Профиль удерживания масла волокнистым сорбентом при комнатной температуре.

Рис. 2 Профиль удерживания масла волокнистым сорбентом после сорбции масла в водной среде при комнатной температуре.

Рис. 3 Профиль удерживания масла волокнистым сорбентом после сорбции масла в водной среде со льдом.

Рис. 4 Сравнение профилей удерживания масла волокнистым сорбентом в разных условиях.

Сравнение профилей удерживания в экспериментах 1-3 показывает:

- что скорость потери массы значительно больше в экспериментах 2 и 3; но положение точки перегиба примерно одинаково для трех кривых;

- после точки перегиба скорость потери массы одинакова во всех трех экспериментах;

- нефтеемкость максимальна в условиях ледового испытания, что можно объяснить увеличением вязкости масла, как модельного НП.

Заключение

В работе установлено, что значение нефтеемкости волокнистого ПЭ сорбента в начальный момент времени составило 9,89; 21,15; 21,30 г/г в экспериментах 1-3, соответственно. Следовательно данный тип волокнистого сорбента перспективен для очистки вод от нефти и ее продуктов. Максимальное значение нефтеемкости наблюдали в третьем эксперименте в условиях ледового испытания, что позволяет рекомендовать подобного рода сорбент для очистки вод в условиях холодных вод рек, озер, морей и океанов, например, в Арктике, где разливы жидких углеводородов быстро приводят к значительному ущербу хрупкой экосистемы.

Список использованных источников и литературы

Аширов, А. Ионообменная очистка сточных вод, растворов и газов / А. Аширов.– Л. : Химия,1983. – 295 с.

Смирнов, А.Д. Сорбционная очистка воды / А.Д Смирнов. – Л. : Химия,1982.– 168 с.

Сироткина, Е.Е. Материалы для адсорбционной очистки воды от нефти и нефтепродуктов / Е.Е. Сироткина, Л.Ю. Новоселова // Химия в интересах устойчивого развития. – 2005. –Т. 13. № 3. – С. 359–377.

Каменщиков, Ф.А. Нефтяные сорбенты / Ф.А. Каменщиков, Е.И. Богомольный – М. : Регулярная и хаотическая динамика, 2005.– 268 с.

Пат. 2093618 Российская Федерация, МПК D 01 D5/08  Cпособ получения волокна из термопластичного материала / Волокитин Г.Г., Скрипникова Н.К., Борзых В.Э., Унжаков С.О., Шиляев А.М., Никифоров А.А., Курганский В.П., Бордунов В.В., Бородина О.И. ; заявитель и патентообладатель товарищество с ограниченной ответственностью "Везувий–11". – № : 95 95104902; заявл. 16.03.1995; опубл. 20.10.1997, – 3 с.

Чухарева, Н.В. Сравнение сорбционных свойств торфа верхового и низинного типов по отношению к товарной нефти и стабильному газовому конденсату/ Н.В. Чухарева, Л.В. Шишмина // Химия растительного сырья. –2012 –№ 4. – С. 193–200.

Телегин, Л.Г. Охрана окружающей среды при сооружении и эксплуатации нефтепроводов/ Л.Г. Телегин, Б.И. Ким, В.И. Зоненко М. : Недра,1988. – 200 с.

Заусалина, А.В. Сравнительная эффективность сорбентов нефти и нефтепродуктов, используемых в условиях Томской области / А.В. Заусалина, А.В. Валь, Г.Ю. Боярко // Защита окружающей среды в нефтегазовом комплексе. –2015. – №4. – С. 51–55.