Способ получения сорбента на основе тростника обыкновенного

Изобретение относится к способу получения сорбента на основе тростника обыкновенного, который может быть использован для очистки водных сред, аварийных разливов нефти и нефтепродуктов в водоемах, а также для сбора нефтепродуктов с почвы и других поверхностей вблизи автозаправочных станций. Способ включает скашивание растительной массы тростника в период физиологического покоя тростника при устойчивых отрицательных температурах окружающей среды, измельчение скошенной массы до размеров частиц 5-10 мм, пиролиз измельченной массы в муфельной печи при температуре 500 °С в течение 1 часа, гидролиз 1 М раствором лимонной кислоты, нейтрализацию 5% мас. раствором бикарбоната натрия, промывку дистиллированной водой и сушку до постоянной массы. Изобретение обеспечивает получение сорбента, который характеризуется повышенной сорбционной емкостью и позволяет увеличить степень очистки воды от нефтепродуктов. 1 табл., 1 пр.

 

Изобретение относится к производству сорбционных материалов, в частности к производству сорбентов на основе природных полимеров, которые могут применяться для очистки водных сред, аварийных разливов нефти и нефтепродуктов в водоемах, а также для сбора нефтепродуктов с почвы и других поверхностей вблизи автозаправочных станций.

Известен способ получения сорбента из шрота семян винограда для очистки почв от нефтяных загрязнений с использованием нефтеокисляющих микроорганизмов. Способ включает удаление из сырья балластных веществ путем экстракции. Экстракцию проводят в два этапа. На первом этапе жидким диоксидом углерода при соотношении материала и растворителя 1:1, на втором этапе растворителем хладон R-134A при соотношении материала и растворителя 1:1,5 под давлением с последующим резким сбросом давления до атмосферного. На полученный носитель осуществляют иммобилизацию ассоциата микроорганизмов путем распыления водной суспензии микробиологического препарата. В качестве микробиологического препарата используют биопрепарат Микрозим (tm) «Петро Трит» (Патент RU 2651172, МПК B01J 20/32, B01J 20/3085, B01J 20/30 B01J 20/24, опубл. 18.04.2018).

Недостатком данного способа является применение для удаления балластных веществ растворителя в виде экстракционного бензина, петролейного эфира, нефраса, многоступенчатость процесса, включающая замораживание и сушку, что делает процесс энергозатратным.

Известен способ получения сорбента из целлюлозосодержащих отходов табачно-махорочного производства растительного происхождения в виде табачной пыли смешивают с водной суспензией бентонитовой глины, имеющей соотношение (мас.ч.): бентонитовая глина: вода, равное 3:5. Пластичную массу, имеющую соотношение компонентов (мас. %): табачная пыль - 50…70, глинистая суспензия - 30…50, гранулируют. Гранулы подвергают химической обработке в растворе серной кислоты и термической обработке при температуре 300-750°С (Патент RU 2644880, МПК B01J 20/24, B01J 20/30, B01J 20/12, B01J 20/30, опубл. 14.02.2018).

Недостатками данного способа являются необходимость создания избыточного давления, повышенные требования к герметичности оборудования, высокие затраты на поддержание высокой температуры обработки.

Известен способ получения сорбентов из растительного сырья. Способ получения сорбента включает обработку предварительно высушенного и измельченного листового опада низкотемпературной плазмой высокочастотного разряда при давлении в разрядной камере 26,6 МПа, при силе тока на аноде 0,5 А и напряжении 7,5 кВ в течение 60 секунд. В качестве плазмообразующего газа используют смесь аргона с пропаном при их массовом соотношении газов 70:30. Сорбент рекомендован для удаления нефти и нефтепродуктов с поверхности воды (Патент 2595654, МПК B01J 20/30, B01J 20/24, опубл. 27.08.2016).

Недостатками данного способа являются необходимость создания избыточного давления, повышенные требования к герметичности оборудования и энергозатратность.

Известен способ получения композиционных сорбентов для очистки сточных вод от специфических загрязнителей (Патент RU 2484893, МПК B01J 20/06, B01J 20/22, опубл. 22.06.2012), включающий использование целлюлозных волокон в качестве носителей частиц гидроксида железа, полученных химическим осаждением на волокнах в их водной дисперсии.

Недостатком способа по аналогу является большая сложность приготовления сорбента, а также его низкая эффективность.

Известен способ получения сорбента на основе природного полимера в виде растительной массы камыша (Патент RU 2307706, МПК B01J 20/24, опубл. 10.10.2007), включающий ее измельчение на частицы размером до 10…15 мм, отмывку от загрязнений, сушку при температуре 60…65°С, затем при 100…105°С до постоянной массы, измельчение до получения волокнистой массы с насыпной массой 0,14-0,20 г/см3, характеризующийся содержанием клетчатки не менее 45 мас. % и азота по Къельдалю не менее 0,3 мас. %.

Однако по данному способу предварительное измельчение исходного сырья проводится до относительно больших размеров получаемых частиц, что затрудняет формование гранул сорбента.

Наиболее близким является способ получения гранулированного сорбента на основе тростника обыкновенного (Патент RU 2625107, МПК B01J 20/24, B01J 20/30, опубл. 11.07.2017), заключающийся в скашивании растительной массы тростника в период физиологического покоя тростника при устойчивых отрицательных температурах окружающей среды, измельчении скошенной массы до размеров частиц 5-10 мм с последующим формованием из них с усилием 80 кН гранулированного сорбента.

Недостатком данного способа является получение сорбента с незначительной сорбционной способностью.

Задачей изобретения является разработка способа получения сорбента направленным модифицированием на основе тростника южного (обыкновенного) Phragmites australis, который характеризуется повышенной сорбционной емкостью.

Техническим результатом заявленного способа является увеличение степени очистки воды от нефтепродуктов.

Технический результат достигается в способе получения сорбента на основе тростника обыкновенного, заключающемся в скашивании растительной массы тростника в период физиологического покоя тростника, при устойчивых отрицательных температурах окружающей среды и измельчении скошенной массы до размеров частиц 5-10 мм, при этом измельченную массу последовательно подвергают пиролизу в муфельной печи при температуре 500°С в течение 1 часа, гидролизу 1 М раствором лимонной кислоты, нейтрализации 5% масс. раствором бикарбоната натрия, промывке дистиллированной водой и сушке до постоянной массы.

Технический результат достигается направленным физическим и химическим модифицированием скошенного и измельченного стебля тростника обыкновенного, что улучшает его сорбционные свойства за счет увеличения пористости. Воздействие высоких температур и гидролиза слабой кислотой способствует разрыву межмолекулярных связей в биополимере с последующим увеличением пористости, что обеспечивает повышение сорбционных свойств материала.

Полученный сорбент исследовался по следующим показателям: насыпная плотность (ГОСТ 19440-94), флотационная способность, водопоглощение (ГОСТ 4453-74), нефтепоглощение, адсорбционную активности по йоду (ГОСТ 6217-74), адсорбция твердое тело-жидкость и удельная поверхность.

Эти параметры позволяют охарактеризовать сорбционные свойства предлагаемого материала.

Флотационная способность образцов определялась по методу Каменщикова Ф.А., согласно которого навеску сорбента определенного веса помещали в заполненную на половину водой коническую колбу емкостью 250 мл.

Водопоглощение (ВП), определяли по методике ГОСТ 4453-74. ВП определялось по количеству воды, поглощенной и удерживаемой адсорбентом на протяжении 24 часов. Образцы помещали в воду и оставляли, взбалтывая каждые 2 часа на перемешивающем устройстве. После чего плавающие образцы извлекали из сосуда и давали стечь жидкости в течение нескольких минут. Повторно взвешивали и по полученным данным рассчитывали коэффициент водопоглощения (W) по формуле:

где M₁ - вес образца после пребывания в воде, г;

М - вес образцов до погружения в воду.

Нефтепоглощение сорбента определялось следующим образом. В предварительно взвешенный сосуд с водой наливали слой нефти толщиной 2…3 мм и определяли массу жидкости. Затем на поверхность наносили испытуемый сорбент небольшими порциями до полного освобождения поверхности воды от нефти и повторно взвешивали для определения массы поглощенных нефтепродуктов.

Методика определения адсорбционной активности по йоду заключается в поглощении ионов йода и определения адсорбционной активности. Анализ проводился следующим образом:

Навеску образцов массой порядка 1 г (с точностью до четвертого знака) помещают в коническую колбу вместимостью 250 см³, добавляют 100 см³ раствора йода в йодистом калии, закрывают пробкой и вручную каждую минуту взбалтывают в течение 30 мин. Затем раствору дают отстояться и из колбы пипеткой осторожно, чтобы не попали частички образцов, отбирают 10 см³ раствора, помещают в коническую колбу и титруют 0,1 н раствором тиосульфата натрия. В конце титрования добавляют 3…5 капель раствора крахмала и титруют до исчезновения синей окраски.

Одновременно проводят определение начального содержания йода в растворе, для этого 10 см³ раствора йода в йодистом калии помещают в коническую колбу и титруют 0,1 н раствором тиосульфата натрия, добавив в конце титрования раствор крахмала, вычисляют по общепринятой формуле.

За результат анализа принимают среднее арифметическое результатов трех параллельных определений, абсолютное расхождение между которыми не превышает допускаемое расхождение, равное 3%.

Методика определения адсорбции и удельной поверхности: в тщательно вымытых хромовой смесью и затем дистиллированной водой колбах готовят растворы ПАВ. Для этого в мерные колбы на 100 мл наливают раствор ПАВ и добавляют дистиллированной воды до метки. После этого раствор хорошо перемешивают. Адсорбция ПАВ на сорбенте достигается через 2 часа. После этого растворы ПАВ с исследуемым сорбентом фильтруют и определяют поверхностное натяжение, удельную поверхность сорбента определяют, используя эмпирические уравнения Ленгмюра и Френдлиха.

Результаты исследований представлены в таблице.

Пример.

Тростник южный (обыкновенный) Phragmites australis является сорным растением, произрастающим повсеместно, кроме Крайнего Севера и пустынь.

Период физиологического покоя тростника, при устойчивых отрицательных температурах окружающей среды соответствует февралю-марту, когда его влажность составляет 6-12%. В этот период производят выкашивание растительной массы тростника. Скошенную растительную массу тростника загружают в ножевую мельницу РМ 120 и измельчают до получения частиц размером 5-10 мм. Измельченный тростник пиролизуют в муфельной печи при температуре 500°С в течение 1 часа. Пиролизованные образцы помещают в 1 М раствор лимонной кислоты (ГОСТ 908-2004) (рабочая концентрация 1 моль/л). После перемешивания при температуре 20°С, раствор кислоты сливают, проводят нейтрализацию 5% масс. раствором бикарбоната натрия (ГОСТ 2156-76) и промывают дистиллированной водой. Затем образцы помещают в фарфоровую чашку и сушат до постоянной массы.

Таким образом, способ получения сорбента на основе тростника обыкновенного, заключающийся в скашивании растительной массы тростника в период физиологического покоя тростника, при устойчивых отрицательных температурах окружающей среды, измельчении скошенной массы до размеров частиц 5-10 мм и последовательном пиролизе в муфельной печи при температуре 500°С в течение 1 часа, гидролизе 1 М раствором лимонной кислоты, нейтрализации 5% масс. раствором бикарбоната натрия, промывке дистиллированной водой и сушке до постоянной массы, позволяет увеличить степень очистки воды от нефтепродуктов.

Способ получения сорбента на основе тростника обыкновенного, заключающийся в скашивании растительной массы тростника в период физиологического покоя тростника при устойчивых отрицательных температурах окружающей среды и измельчении скошенной массы до размеров частиц 5-10 мм, отличающийся тем, что измельченную массу последовательно подвергают пиролизу в муфельной печи при температуре 500°С в течение 1 часа, гидролизу 1 М раствором лимонной кислоты, нейтрализации 5% мас. раствором бикарбоната натрия, промывке дистиллированной водой и сушке до постоянной массы.