ЭЛЕКТРОВАКУУМНЫЕ СТЕКЛА МОЛИБДЕНОВОЙ ГРУППЫ – ПЕРСПЕКТИВНАЯ МАТЕРИАЛОВЕДЧЕСКАЯ ОСНОВА СОЗДАНИЯ НЕФТЕСОРБЕНТОВ И НОВЫХ ПУТЕЙ ИХ ПОЛУЧЕНИЯ

Гафиуллина А.А.¹, Коган В.Е.², Згонник П.В.³, Шахпаронова Т.С.⁴

¹Студентка, ²доктор химических наук, профессор, ³кандидат химических наук, доцент, ⁴кандидат химических наук, доцент,

Национальный минерально-сырьевой университет «Горный»

ЭЛЕКТРОВАКУУМНЫЕ СТЕКЛА МОЛИБДЕНОВОЙ ГРУППЫ – ПЕРСПЕКТИВНАЯ МАТЕРИАЛОВЕДЧЕСКАЯ ОСНОВА СОЗДАНИЯ НЕФТЕСОРБЕНТОВ И НОВЫХ ПУТЕЙ ИХ ПОЛУЧЕНИЯ

Аннотация

В статье рассмотрены результаты исследований возможности получения пеностекла из стекла С52-1. Практическая непотопляемость и результаты исследования кинетики поглощения полученным пеностеклом нефти и нефтепродуктов говорят о перспективности его использования в качестве сорбента. Установленное в работе наличие ликвации в стекле С52-1 и отсутствие избыточного углерода на поверхности полученного пеностекла открывают возможности его наноструктурирования путем применения технологии получения пористых стекол.

Ключевые слова: нефтесорбенты, пеностекло, метастабильная ликвация, пористое стекло.

Gafiullina A.A.¹, Kogan V.E.², Zgonnik P.V.³, Shakhparonova T.S.⁴

¹Student, ²Doctor of Chemical Sciences, professor, ³PhD in Chemistry, associate professor, ⁴PhD in Chemistry, associate professor,

National Mineral Resources University (University of Mines)

ELECTROVACUUM GLASSES OF THE MOLYBDENIC GROUP – PERSPECTIVE MATERIALS RESEARCH BASIS OF CREATION OF OIL SORBENTS AND NEW WAYS OF THEIR RECEIVING

Abstract

In the paper results of researches of possibility of receiving a foam glass from C52-1 glass are considered. Practical floodability and results of research of kinetics of absorption by the received foam glass of oil and oil products speak about prospects of its use in quality of a sorbent. The existence of a liquation in C52-1 glass established in work and lack of excess carbon on a surface of the received foam glass open possibilities of its nanostructuring by application of technology of receiving porous glasses.

Keywords: oil sorbents, foam glass, metastable liquation, porous glass.

Уже более двух столетий ведется активная добыча все большего и большего количества нефти. Следствием этого является увеличение объемов загрязнения в штатных ситуациях и, что самое опасное, учащаются случаи аварий при транспортировке нефти, среди которых наиболее тяжелыми по масштабам и последствиям являются аварии при водной транспортировке.

Как отмечается в работе [1], нефтяное загрязнение отличается от других антропогенных воздействий тем, что оно дает не постоянную, а «залповую» нагрузку на среду, вызывая ее быструю ответную реакцию. При оценке последствий такого загрязнения не всегда можно однозначно судить о возможности возврата экосистемы к ее устойчивому состоянию.

Освоение природных ресурсов и преобразование природных систем не сопровождающееся деградацией окружающей среды – вот та глобальная задача, которая стоит в настоящее время перед обществом. В случае нерационального использования сама среда не в состоянии справиться с загрязнениями и требуется проведение активной очистки.

Несмотря на принимаемые меры борьбы с загрязнением окружающей среды, количество техногенных катастроф при транспортировке нефти в России практически не снижается. При аварийных разливах нефти происходит быстрое и устойчивое загрязнение больших площадей грунта и акваторий, в том числе и придонной зоны, а также грунтовых вод и водосточных пластов.

Во всех мероприятиях, связанных с ликвидацией загрязнения, с восстановлением экосистемы, необходимо исходить из главного принципа: не нанести экосистеме больший вред, чем тот, который уже нанесен при загрязнении [2].

Методы ликвидации загрязнений нефтью и нефтепродуктами водной поверхности можно разделить на четыре основные группы [1; 3]: механические, осуществляемые с помощью всевозможных конструкций и устройств для сбора нефти; физико-химические, основанные на использовании физико-химических явлений; биологические, реализуемые с помощью микробиологических культур, и фотохимические, происходящие под действием солнечного света и катализаторов.

К преимуществам сорбционного метода можно отнести возможность удаления загрязнений чрезвычайно широкой природы практически до любой остаточной концентрации независимо от их химической устойчивости, отсутствие вторичных загрязнений и управляемость процессом.

Тенденция развития технологий сорбционной очистки воды определяется переходом от активированных углей к все возрастающему ассортименту и количеству естественных минеральных и органических веществ, к созданию новых синтетических сорбентов и, особенно, сорбентов с иммобилизированными углеводородокисляющими микроорганизмами – биосорбентов, использование которых по методу ликвидации загрязнений с водной поверхности относится к биологическим методам [4].

Весьма подробный анализ сорбционных материалов для очистки сточных и природных вод от нефтепродуктов приведен в работе [5], в которой, в частности, отмечается работа [6], авторы которой предложили новый тип биосорбента, представляющий собой ассоциации штаммов – деструкторов углеводородов, иммобилизированных на пористом сорбенте, представляющем собой пеностекло, полученное из пылевидной фракции стеклообразного фосфорного удобрения AVA, включающего калий, магний, кальций, бор, кремний и микроэлементы и создающего оптимальные условия для питания и жизнедеятельности клеток микроорганизмов.

Говоря о биосорбенте, рассмотренном в работе [6], следует отметить его основные недостатки, к которым следует отнести недостаточно высокую плавучесть, а также тот факт, что ассоциации штаммов – деструкторов углеводородов – могут работать лишь при температурах более 8 °C, а срок их хранения не превышает двух лет. При этом следует учитывать и то, что биосорбенты не могут обеспечить необходимой оперативности при ликвидации аварийных разливов нефти.

Все сказанное выше говорит о том, что пеностекла, первоначально предполагавшиеся для использования в качестве плавающего материала, в качестве нефтесорбентов до наших работ [3, 7, 8] в качестве нефтесорбентов никем не исследовались.

В настоящей работе, как и в работах [3, 7, 8], в качестве объекта исследования использовано промышленное стекло – стекло молибденовой группы С52-1 по ОСТ 11ПО.735.002-73 (гранулят производства ООО «Светлана. Маловишерский стекольный завод»), состав которого относится к стеклам системы (Na,K)₂O – Al₂O₃ – B₂O₃ – SiO₂.

Проведенная в первом приближении (замена Na₂O на Ме₂O = Na₂O + K₂O, а B₂O₃ на R₂O₃ = B₂O₃ + Al₂O₃) оценка на основании изотерм метастабильной ликвации в системе Na₂O – B₂O₃ – SiO₂, приводящихся в работе [9], показала, что состав стекла С52-1 будет находиться на изотерме при температуре 750 °C. Таким образом, исследуемое нами стекло С52-1, в отличие от однофазных стекол, изучавшихся в работах [3, 7, 8], является ликвирующим, а проведение политермической обработки по режиму, тождественному режиму вспенивания, способствует завершению процесса фазового разделения с образованием химически нестойкой щелочноборатной фазы, что подтверждают электронно-микроскопические исследования. Данный факт говорит в пользу того, что достижение позитивного результата по вспениванию стекла С52-1 открывает возможности дальнейшей модификации пористой структуры сорбентов (ее наноструктурирования) по методике получения пористых стекол.

Исходя из сказанного, при отработке рецептурно-технологических параметров получения пеностекла в качестве функции отклика помимо практической непотопляемости было выбрано отсутствие на поверхности стекла локализованного остаточного углерода, наличие которого практически исключало бы возможность дальнейших исследований по выщелачиванию щелочноборатных фрагментов структуры.

Позитивные результаты были получены при дополнительном использовании, помимо основного вспенивателя (мела и диатомита), разработанных нами рецептур на основе органических веществ растительного происхождения в специально подобранном растворителе, в которых суммарное содержание углерода не менее 1 моль на 100 г стекла. Ряд полученных результатов патентноспособен, что вынуждает нас не останавливаться детально на рассмотрении конкретных составов, способов и режимов получения нефтесорбентов. Отметим лишь, что нами получено десятикратное увеличение объема при вспенивании стекла, о чем говорит соответствующее понижение плотности.

Характер кинетических кривых поглощения коррелирует с таковым для сорбентов со стеклообразной поверхностью [3; 7; 8] (имеется максимум при нахождении сорбента в нефти 7,5 мин и в дизельном топливе – 5 мин). Высота максимума и абсолютные значения поглощения меньше в случае дизельного топлива, что обусловлено его более низкими плотностью и кинематической вязкостью (837,8 кг/м3 и 4,1 сСт), чем у нефти (863,3 кг/м3 и 25,0 сСт) при 20 °C.

Полученные сорбенты характеризуются закрытоячеистой структурой, и процесс поглощения ими обусловлен наличием открытых пор на поверхности образцов, на что указывает электронно-микроскопическое исследование, и капиллярными силами, действующими, в частности, в пространстве порозности между образцами сорбента.

Результаты получены в рамках выполнения государственного задания Минобрнауки России по проекту № 4.982.2014/К «Развитие термодинамической и кинетической теории межфазного ионного обмена применительно к природным и промышленным объектам» от 11.07.2014.

Список литературы / References

1. Каменщиков Ф.А. Нефтяные сорбенты / Ф.А. Каменщиков, Е.И. Богомольный. – М. – Ижевск: НИЦ «Регулярная и хаотическая динамика», 2005. – 278 с.
2. Исмаилов Н.М. Восстановление нефтезагрязненных почвенных экосистем / Н.М. Исмаилов, Ю.И. Пиковский. – М.: Наука, 1988. – С. 222 – 230.
3. Коган В.Е. Использование пеностекла и полимерных материалов в качестве эффективных нефтесорбентов / В.Е. Коган, П.В. Згонник, Д.О. Ковина, В.А. Черняев // Стекло и керамика. – 2013. – № 12. – С. 3 – 7 (Kogan V.E. Foam glass and polymer materials: effective oil sorbents / V.E. Kogan, P.V. Zgonnik, D.O. Kovina, V.A. Chernyaev // Glass and Ceram. – 2014. – V. 70, N 11 – 12. – P. 425 – 428).
4. Аренс В.Ж. Нефтяные загрязнения: как решить проблему / В.Ж. Аренс, О.М. Гридин, А.Л. Яншин // Экология и промышленность России. – 1999. – № 9. – С. 33 – 36.
5. Собгайда Н.А. Сорбционные материалы для очистки сточных и природных вод от нефтепродуктов // Вестник ХНАДУ. – 2011. – Вып. 52. –С. 120 – 124.
6. Карапетян Г.О. Экологически безопасное стеклообразное удобрение «Агровитаква-AVA», восстанавливающее природные ресурсы / Г.О. Карапетян, К.Г. Карапетян, В.Е. Коган // Тр. юбилейной научно-техн. конф. АИН РФ. – СПб.: СПбГТУ, 2001. – С. 15 – 18.
7. Коган В.Е. Нефтесорбенты из пеностекла и кинетика нефтепоглощения / В.Е.Коган, П.В. Згонник, Д.О. Ковина // Теория и практика современной науки. Т. II / Науч.-инф. издат. центр: «Институт стратегических исследований». – M.: Изд-во Спецкнига, 2013. – С. 36 – 41.
8. Коган В.Е. Физико-химические аспекты получения нефтесорбентов из фосфатных пеностекол и кинетика нефтепоглощения / В.Е. Коган, П.В. Згонник, Т.С. Шахпаронова, Д.О.Ковина // Актуальные проблемы гуманитарных и естественных наук. – 2014. – № 04 (63). Ч. I. – С. 33 – 36.
9. Явления ликвации в стеклах / Под ред. М.М. Шульца. – Л.: Наука, 1974. – 219 с.

Список литературы на английском языке / References in English

1. KamenshhikovF.A. Neftjanyesorbenty / F.A. Kamenshhikov, E.I. Bogomol'nyj.– M. – Izhevsk: NIC "Reguljarnajaihaoticheskajadinamika", 2005. – 278 s.
2. IsmailovN.M.Vosstanovlenieneftezagrjaznennyhpochvennyhjekosistem / N.M.Ismailov, Ju.I. Pikovskij. – M.: Nauka, 1988. – S. 222 – 230.
3. KoganV.E. Ispol'zovaniepenosteklaipolimernyhmaterialovvkachestvejeffektivnyhneftesorbentov / V.E. Kogan, P.V. Zgonnik, D.O. Kovina, V.A. Chernjaev // Stekloikeramika. – 2013. – № 12j. – S. 3 – 7 (KoganV.E. Foamglassandpolymermaterials: effectiveoilsorbents / V.E.Kogan, P.V.Zgonnik, D.O. Kovina, V.A. Chernyaev // GlassandCeram. – 2014. – V. 70, N 11 – 12. – P. 425 – 428).
4. Arens V.Zh. Neftjanye zagrjaznenija: kak reshit' problemu / V.Zh. Arens, O.M. Gridin, A.L. Janshin // Jekologija i promyshlennost' Rossii. – 1999. – № 9. – S. 33 – 36.
5. Sobgajda N.A. Sorbcionnye materialy dlja ochistki stochnyh i prirodnyh vod ot nefteproduktov // Vestnik HNADU. – 2011. – Vyp. 52. – S. 120 – 124.
6. Karapetjan G.O. Jekologicheski bezopasnoe stekloobraznoe udobrenie "Agrovitakva – AVA", vosstanavlivajushhee prirodnye resursy / G.O. Karapetjan, K.G. Karapetjan, V.E. Kogan // Tr. jubilejnoj nauchno-tehn. konf. AIN RF. – SPb.: SPbGTU, 2001. – S. 15 – 18.
7. Kogan V.E. Neftesorbenty iz penostekla i kinetika neftepogloshhenija / V.E. Kogan, P.V. Zgonnik, D.O. Kovina // Teorija i praktika sovremennoj nauki. T. II / Nauch.-inf. izdat. centr: "Institut strategicheskih issledovanij". – M.: Izd-vo Speckniga, 2013. – S. 36 – 41.
8. Kogan V.E. Fiziko-himicheskie aspekty poluchenija neftesorbentov iz fosfatnyh penostekol i kinetika neftepogloshhenija / V.E. Kogan, P.V. Zgonnik, T.S. Shahparonova, D.O. Kovina // Aktual'nye problemy gumanitarnyh i estestvennyh nauk. – 2014. – № 04 (63). Ch. I. – S. 33 – 36.
9. Javlenija likvacii v steklah / Pod red. M.M. Shul'ca. – L.: Nauka, 1974. – 219 s.