РЕЦЕПТУРНО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ПАРАМЕТРЫ ПОЛУЧЕНИЯ НЕФТЕСОРБЕНТОВ НА ОСНОВЕ ЭЛЕКТРОВАКУУМНОГО СТЕКЛА С95-2 И ЗАКОНОМЕРНОСТИ СОРБЦИИ ИМИ НЕФТИ

Коган В.Е.¹, Згонник П.В.², Шахпаронова Т.С.³, Богатенко Д.О.⁴

¹ORCID: 0000-0001-7848-3792, Профессор, доктор химических наук, ²ORCID: 0000-0001-8039-5169, Кандидат химических наук, ³ORCID: 0000-0003-0184-0039, Доцент, кандидат химических наук, ⁴ORCID: 0000-0003-1392-6462, Магистрант; Национальный минерально-сырьевой университет «Горный»

РЕЦЕПТУРНО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ПАРАМЕТРЫ ПОЛУЧЕНИЯ НЕФТЕСОРБЕНТОВ НА ОСНОВЕ ЭЛЕКТРОВАКУУМНОГО СТЕКЛА С95-2 И ЗАКОНОМЕРНОСТИ СОРБЦИИ ИМИ НЕФТИ

Аннотация

В статье рассмотрены результаты работ по установлению рецептурно-технологических параметров получения пеностекол на основе электровакуумного стекла С95-2. Показано, что, как и для ранее изученных сорбентов со стеклообразной поверхностью, кривые нефтепоглощения полученных сорбентов характеризуются наличием максимумов в начальный период времени. Экспериментально доказано, что необходимым условием получения максимумов является механизм поглощения нефти, обусловленный капиллярными силами в пространстве порозности между образцами сорбента.

Ключевые слова: разливы нефти, загрязнение воды, сорбция нефти пеностеклами, рецептурно-технологические параметры, кинетика поглощения нефти.

Kogan V.E.¹, Zgonnik P.V.², Shakhparonova T.S.³, Bogatenko D.O.⁴

¹ORCID: 0000-0001-7848-3792, Professor, PhD in Chemistry, ²ORCID: 0000-0001-8039-5169, PhD in Chemistry, ³ORCID: 0000-0003-0184-0039, Associate professor, PhD in Chemistry, ⁴ORCID: 0000-0003-1392-6462, Master student; National Mineral Resources University (Mining University)

PRESCRIPTION AND TECHNOLOGICAL PARAMETERS OF RECEIVING OIL SORBENTS ON THE BASIS OF ELECTROVACUUM GLASS C95-2 AND REGULARITY OF SORPTION OF OIL BY THEM

Abstract

In the paper results of works on establishment of prescription and technological parameters of receiving foam glasses on the basis of electrovacuum glass C95-2 are considered. It is shown that, as well as for earlier studied sorbents with a vitreous surface, oil absorption curves of the received sorbents are characterized by existence of maxima in an initial stage of time. It is experimentally proved that a necessary condition of receiving maxima is the oil absorption mechanism caused by capillary forces in porosity space between sorbent samples.

Keywords: oil spills, water pollution, sorption of oil by foam glass, prescription and technological parameters, oil absorption kinetics.

Несмотря на большое количество работ, посвященных разработке нефтесорбентов, вопрос ликвидации загрязнений нефтью и нефтепродуктами по сегодняшний день нельзя считать решенным. Основными причинами этого, на наш взгляд, является направленность подавляющего большинства работ на создание (методом проб и ошибок) нефтесорбентов для практического использования, а не на выявление физико-химических закономерностей протекания процессов нефтепоглощения на них, что способствовало бы созданию научных основ получения нефтесорбентов с заданным комплексом физико-химических свойств и эксплуатационных параметров, и неиспользование всего широкого ассортимента материалов для получения нефтесорбентов.

Работы, проводимые на кафедре общей и физической химии Национального минерально-сырьевого университета «Горный» под руководством проф. В.Е. Когана, направлены на преодоление двух сформулированных недостатков.

Настоящая публикация продолжает цикл работ по получению пеностекол для использования их в качестве нефтесорбентов и исследованию физико-химических закономерностей поглощения ими нефти, что до наших работ [1-5] никем не проводилось.

В качестве исходного стекла было использовано электровакуумное стекло платинитной группы С95-2 (бой трубок, выпускаемых ООО «Светлана-Маловишерский стекольный завод») по ОСТ 11ПО.735.002.73, которое по данным химического анализа содержит (мол. %): Na₂O – 10,08; K₂O – 4,85; CaO – 7,56; Al₂O₃ – 2,45; B₂O₃ – 2,45; SiO₂ – 72,61.

При получении пеностекла в качестве основного вспенивателя использовался мел МДТ-2 по ГОСТ-12085-88 (производства «ВИТЕП», Санкт-Петербург) фракции ≤ 100 мкм, который смешивался со стеклом С95-2 той же фракции. Гомогенизированная шихта смачивалась водой и из нее получали заготовки в форме параллелепипедов. Вспенивание производилось по политермическому режиму, при отработке которого реперными точками служили температура деформации (585 °С) и температура начала кристаллизации (790 °С) стекла С95-2. При отработке рецептурно-технологических параметров получения пеностекла в качестве функции отклика была выбрана практическая непотопляемость образцов. Определение плавучести образцов и их нефтепоглощения проведено в соответствии с ТУ 214-10942238-03–95 «Оценка эффективности сорбента». Однако позитивные результаты были получены лишь при дополнительном введении в шихту выгорающей добавки – торфа низкой степени разложения по ГОСТ Р 51213-98 (производство ЗАО «РОСТОРФИНВЕСТ», Псковская обл.). При этом было установлено, что характер получаемых пеностекол (равномерность распределения пор, наличие крупных пор, которые, наиболее вероятно, не способны сорбировать нефть, а также отсутствие остаточного углерода, обусловленное неполным выгоранием торфа) в значительной степени зависит от скорости подъема температуры в процессе вспенивания (рис. 1).

Рис. 1 – Фотографии полученных сорбентов после удаления поверхностной «корки»:

а) скорость подъема температуры 2 град/мин;

б) скорость подъема температуры 5 град/мин;

в) скорость подъема температуры 7 град/мин

 

Как видно из рис.1, повышение скорости подъема температуры приводит к ухудшению качества получаемых образцов. При этом пеностекло, полученное при скорости подъема температуры 7 град/мин, характеризуется наличием остаточного углерода, обусловленным неполным выгоранием торфа. С учетом этого дальнейшее его исследование не проводилось. Пеностекла, полученные при скорости подъема температуры как 2 град/мин, так и 5 град/мин характеризуются практической непотопляемостью.

При вспенивании стекла получено увеличение объема в 6,76 раз при скорости подъема температуры 2 град/мин и в 8,33 раза при скорости подъема температуры 5 град/мин. Об этом свидетельствует соответствующее понижение плотности от 2500 кг/м³ для исходного стекла до 368 кг/м³ и 298 кг/м³ при скорости подъема температуры 2 град/мин и 5 град/мин соответственно.

Для определения нефтепоглощения образцов использовали среднетрубную нефть 2.1.1.2 по ГОСТ Р 51858-2002, формируемую в системе трубопроводов ОАО «АК «Транснефть» путем смешивания сургутской, ухтинской и горьковской нефтей и транспортируемую ПСП «Кириши» на Приморск.

Для определения плавучести и нефтепоглощения полученные образцы нефтесорбента механически освобождались от поверхностной «корки» и размельчались до фракции 3 – 8 мм.

Как видно из рис. 2 (кривые 1, 2), полученные нефтесорбенты на основе электровакуумного стекла С95-2, как и все ранее исследованные нами нефтесорбенты со стеклообразной поверхностью [1 – 5], характеризуются наличием максимумов на кинетических кривых нефтепоглощения. Максимумы расположены при 5 мин, причем нефтепоглощение несколько выше у образцов, полученных при скорости подъема температуры 2 град/мин. Отмеченное, вероятно, связано с наличием у образцов, полученных при скорости подъема температуры 5 град/мин (рис. 1, б), крупных пор, которые, наиболее вероятно, не способны сорбировать нефть.

Пеностекло – это объемно-пористый материал с закрыто-ячеистой структурой. Открытые поры в исследованных образцах имеются в основном на его поверхности. Нефтепоглощение обусловлено двумя механизмами: поглощением нефти открытыми порами на поверхности раздела фаз (нефть – сорбент) и капиллярными силами, действующими, в частности, в пространстве порозности между образцами сорбента. Отсутствие дальнего порядка в стеклах и их химически микронеоднородное строение, обоснованное Р.Л. Мюллером [6, 7], наиболее вероятно, приводят к увеличению движущей силы второго механизма. Отмеченное способствует вытеснению поглощенной нефти из капилляров с последующим перетеканием ее в объем всей нефти. При этом через тот или иной промежуток времени достигается стационарное равновесие: количество нефти, втягиваемое в капилляр (пространство порозности между образцами), становится равным количеству нефти, возвращающемуся из сорбента в ее общий объем. Рассмотренное и обусловливает наличие максимумов на кинетических кривых нефтепоглощения в начальный период времени (рис. 2, кривые 1, 2).

Рис. 2 – Кинетика нефтепоглощения сорбентами из пеностекла С95-2 фракции 3 – 8 мм (1, 2) и единичными образцами размером 15x15x5 мм (3, 4), полученными при скорости подъема температуры 2 град/мин (1, 3) и 5 град/мин (2, 4)

Отсутствие максимумов на кинетических кривых нефтепоглощения единичными образцами (рис.2, кривые 3, 4) является экспериментальным подтверждением того, что необходимым условием получения максимумов на кривых нефтепоглощения сорбентами со стеклообразной поверхностью является механизм поглощения нефти, обусловленный капиллярными силами в пространстве порозности между образцами сорбента.

Литература

1. Коган В.Е. Нефтесорбенты из пеностекла и кинетика нефтепоглощения / В.Е. Коган, П.В. Згонник, Д.О. Ковина // Теория и практика современной науки: материалы IX Международной научно-практической конференции, г. Москва, 26 – 27 марта 2013 г. / Науч.-инф. издат. центр «Институт стратегических исследований». – М. Спецкнига, 2013 – С. 36 – 41.
2. 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. – № 12. – 2013. – 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. – V. 70, N 11 – 12, 2014. – P. 425 – 428. doi: 10.1007/s10717-014-9594-1).
3. Электровакуумные стекла молибденовой группы – перспективная материаловедческая основа создания нефтесорбентов и новых путей их получения / А.А. Гафиуллина, В.Е. Коган, П.В. Згонник, Т.С. Шахпаронова // Международный научно-исследовательский журнал. – 2015. – № 2 (33), Ч. 1. – С. 9 – 10.
4. Коган В.Е. Лабораторные исследования возможности изготовления сорбентов нефти и нефтепродуктов на основе малощелочных алюмоборосиликатных стекол / В.Е. Коган, П.В. Згонник, А.А. Гафиуллина // Нефтяное хозяйство. – № 8. – 2015. – С. 125 – 127.
5. Коган В.Е. Нефтесорбенты на основании стекол системы K₂O – (Mg,Ca)O – P₂O₅ и кинетика поглощения ими нефти и нефтепродуктов / В.Е. Коган, П.В. Згонник, Т.С. Шахпаронова, Д.О. Ковина // Международный научно-исследовательский журнал. – 2015. – № 11 (42), Ч. 3. – С. 50 – 51. doi: 10.18454/IRJ.2015.42.199.
6. Мюллер Р.Л. Химия твердого тела и стеклообразное состояние // Химия твердого тела. – Л.: ЛГУ, 1965. – С. 9 – 63.
7. Мюллер Р.Л. Электропроводность стеклообразных веществ: Сб. трудов. – Л.: ЛГУ, 1968. – 251 с.

References

1. Kogan V.E. Neftesorbenty iz penostekla i kinetika neftepogloshhenija / V.E.Kogan, P.V. Zgonnik, D.O. Kovina // Teorija i praktika sovremennoj nauki: materialy IX Mezhdunarodnoj nauchno-prakticheskoj konferencii, g. Moskva, 26 – 27 marta 2013 g. / Nauch.-inf. izdat. centr «Institut strategicheskih issledovanij». – M. Speckniga, 2013. – S. 36 – 41.
2. Kogan V.E. Ispol'zovanie penostekla i polimernyh materialov v kachestve jeffektivnyh neftesorbentov / V.E.Kogan, P.V. Zgonnik, D.O. Kovina, V.A Cher-njaev // Steklo i keramika. – № 12. – 2013. – S. 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. – V. 70, N 11 – 12, 2014. – P. 425 – 428. doi: 10.1007/s10717-014-9594-1).
3. Jelektrovakuumnye stekla molibdenovoj gruppy – perspektivnaja materialovedcheskaja osnova sozdanija neftesorbentov i novyh putej ih poluchenija / A.A.Gafiullina, V.E. Kogan, P.V. Zgonnik, T.S. Shakhparonova // Mezhdunarodnyj nauchno-issledovatel'skij zhurnal. – 2015. – № 2 (33), Ch. 1. – S. 9 – 10.
4. Kogan V.E. Laboratornye issledovanija vozmozhnosti izgotovlenija sorbentov nefti i nefteproduktov na osnove maloshhelochnyh aljumoborosi-likatnyh stekol / V.E.Kogan, P.V.Zgonnik, A.A. Gafiullina // Neftjanoe hozjajstvo. – № 8. – 2015. – S. 125 – 127.
5. Kogan V.E. Neftesorbenty na osnove stekol sistemy K₂O – (Mg,Ca)O – P₂O₅ i kinetika pogloshhenija imi nefti i nefteproduktov / V.E.Kogan, P.V.Zgon-nik, T.S. Shakhparonova, D.O. Kovina // Mezhdunarodnyj nauchno-issledovatel's-kij zhurnal. – 2015. – № 11 (42), Ch. 3. – S. 50 – 51.
6. Mjuller R.L. Himija tverdogo tela i stekloobraznoe sostojanie // Himija tverdogo tela. – L.: LGU, 1965. – S. 9 – 63.
7. Mjuller R.L. Jelektroprovodnost' stekloobraznyh veshhestv: Sb. trudov. – L.: LGU, 1968. – 251 s.