УДК 628.543.5.665
ИССЛЕДОВАНИЕ ИЗМЕНЕНИЯ ПОВЕРХНОСТИ СЕМЕННЫХ ОБОЛОЧЕК ЯЧМЕНЯ ПОД ВЛИЯНИЕМ ПЛАЗМЫ ПОНИЖЕННОГО
ДАВЛЕНИЯ
О. А. Гальблауб, к. т. н., ассистент,
Olgagalblaub@gmail.com,
С. В. Степанова, к. т. н., доцент,
ssvkan@mail.ru,
И. Г. Шайхиев, д. т. н., зав. кафедрой, ildars@inbox.ru,
И. Ш. Абдуллин, д. т. н., профессор, проректор,
ФГБОУ ВПО Казанский национальный исследовательский технологический университет
Исследовано влияние обработки семенных оболочек ячменя плазмой пониженного давления на структуру и свойства растительных отходов. С помощью ИК-спектрометрического, рентгеноструктурно-го методов, а также микрофотографий установлен факт изменения поверхности под воздействием модификации. Установлено, что обработка образцов семенных оболочек ячменя в атмосфере смесей газов пропана с бутаном и аргона с пропаном приводит к снижению водопоглощения сорбционных материалов в экспериментах по удалению нефтяных пленок с поверхности воды. Предложен способ утилизации использованных материалов путем сжигания, при этом масса образовавшейся золы не превышала 6 % от общего количества. На основании сравнительного элементного анализа, выполненного рентгенофлуоресцентным методом, определено, что образцы золы относятся к III классу опасности.
The influence of processing barley seed hulls with low pressure plasma on the structure and properties of plant waste. Using infrared spectrometry, x-ray diffraction methods, and microphotographs, the changes on the surface under the influence of the modification were detected. It is established, that the processing of samples of barley seed hulls in the atmosphere of gas mixtures of propane to butane and argon-propane leads to lower water sorption materials in the experiments for removing oil films from the surface of the water. A method of recycling of used materials by burning, given the mass of ash formed does not exceed 6 % of the total, is suggested. On the basis of comparative elemental analysis of x-ray fluorescence method, it is identified that the ash samples belong to the III hazard class.
Ключевые слова: семенные оболочки ячменя, плазма, нефть, очистка воды.
Keywords: barley seed hulls, plasma, oil, water treatment.
Введение. На сегодняшний день проблема переработки отходов сельского хозяйства (соломы, шелухи, мучки и т. д.) является одной из наиболее актуальных. Самый распространенный способ их утилизации — сжигание, в результате которого в атмосферу выделяются вещества, загрязняющие окружающую среду и негативно влияющие на здоровье людей. Подходя к вопросу переработки сельскохозяйственных отходов во вторичные материальные ресурсы, можно решить одновременно две задачи: утилизации и получения продукции с минимальными затратами [1]. В настоящее время многие научно-исследовательские работы акцентированы на поиске новых сорбцион-ных материалов [2—4].
Методы и объекты исследований. В данной работе рассмотрена возможность применения отходов зерноперера-ботки и их модификатов, полученных обработкой плазмой пониженного давления, в качестве сорбента нефтяной пленки.
Из литературных данных известно, что основными компонентами семенных оболочек ячменя (СОЯ) являются целлюлоза (до 65 %) и лигнин (до 6 %). Наличие целлюлозы в таком количестве предполагает использование данного вида отхода в качестве сорбционного материала (СМ). Исходные СОЯ имеют следующие показатели: насыпная плотность — 0,17 г/см3, влажность — 7,31 %, зольность — 1,73 %, плавучесть — 76 %. Известно, что обработка высокочастотной (ВЧ) плазмой пониженного давления приводит к увеличению сорбционных свойств материалов растительного происхождения [5].
Первоначально проводились исследования по изменению поверхности СОЯ под влиянием параметров плазменной обработки (табл. 1).
Обсуждение результатов исследований. При сравнении микрофотографий поверхности образцов исходной СОЯ и плазмообработанной на рис. 1 заметно появление видимых на фото микротерщин, более глубоких и в большем количестве около 100—200 мкм.
Обработка ВЧ плазмой пониженного давления не приводит к изменению строения биополимеров, входящих в состав СОЯ, что подтверждается данными ИК-спектрос-копии (рис. 2), а приводит к трансформации структуры
Рис. 1. Микрофотографии поверхности образцов, выполненные на электронном сканирующем микроскопе
Mini SE MSX-3000:
а) исходной СОЯ; б) обработанный в атмосфере смеси пропана с бутаном в режиме P = 26,6 Па, Ia = 0,6 A, Ua = 2,5 кВ, t = 10 мин, Q = 0,06 г/сек
поверхности СМ. Подтверждением данного обстоятельства являются микрофотографии поверхности модифицированных и исходных образцов, представленные на рис. 3. Рентгено-структурный анализ исходного и модифицированного образцов СОЯ подтвердил образование более упорядоченной структуры материала за счет структурно-динамических изменений без какой-либо химической модификации волокон при их взаимодействии с ВЧ разрядом (рис. 3).
Таблица 1 Режимы обработки семенных оболочек ячменя высокочастотной плазмой пониженного давления
Очевидно, что проведенная обработка лузги ВЧ плазмой пониженного давления приводит к образованию на поверхности СОЯ нанослоя углерода, в результате процесса карбонизации пропана и бутана, входящих в состав плазмо-образующего газа.
Таким образом, проведенные исследования показали возможное увеличение шероховатости поверхности СОЯ под действием ВЧ плазмы пониженного давления.
Поэтому далее в работе рассмотрена возможность применения СМ и ее образцов, полученных с помощью плазменной обработки, в качестве нефтесорбентов. Для определения не-фтеемкости СМ при температуре 20 °С использовалась нефть карбонового отложения (НКО), добытая НГДУ «Елховнефть» ОАО «Татнефть».
Первоначально у полученных после плазменной обработки образцов СОЯ определялись при температуре 20 °С значения нефтеемкости в статических и динамических условиях. На основании полученных результатов построены изотермы сорбции НКО в зависимости от времени взаимодействия и определены значения максимального нефтепоглощения в статических условиях. Анализ кривых показал, что последние имеют гиперболический вид, и поглощение НКО происходит в течение первых 15 минут контактирования исследуемых образцов. Показатели максимальной нефтеем-кости приведены в табл. 2.
Отмечено, что наибольшее значение искомого параметра достигается при использовании образцов, обработанных в режимах № 1 и № 7. Максимальной сорбционной емкостью по нефти, определяемой в динамических условиях, определенной пропусканием определенного количества нефти через слой СМ массой 1 г,
№ ре- Входные параметры обработки
жима обработки Газ-носитель Соотношение P, Па А U., кВ t, мин Q, г/сек
1 Пропан-бутан
2 Аргон-воздух 70:30 26,6 0,5 0,06
3 Аргон-пропан
4 Воздух 1
5 Пропан-бутан 7,5
6 Аргон-воздух 70:30 13,3 0,5 0,02
7 Аргон-пропан
8 Воздух
9 Аргон-
воздух 70:30 26,6 0,8 30 0,06
10 Аргон-пропан
15 14 13 12 11 10
А 8
7
б\
4000 3500
3000 2500 2000 ^^уепитЪеге (ст-1)
1500 1000
Рис. 2. ИК-спектры образцов: 1 — исходная СОЯ; 2 — образец № 226, обработанный в атмосфере смеси пропана с бутаном в режиме Р = 26,6 Па, 1а = 0,6 А, иа = 2,5 кВ, г = 10 мин, Я = 0,06 г/сек
Интенсивность 70000
60000
50000
40000
30000
20000
10000
0
5
25 30 35 40 Угол сканирования
наименьшим значением водопоглощения по отношению к исходной СОЯ обладают образцы № 1 и 7.
Из приведенных данных видно, что наибольшей гидрофобностью обладают образцы СОЯ, обработанные ВЧ плазмой пониженного давления в атмосфере смеси пропана с бутаном и аргона с пропаном. Визуально отмечено практически полное удаление нефти с поверхности воды. Полученные результаты продемонстрировали возможность уменьшения водопогло-щения с одновременным увеличением степени очистки воды от нефти за счет изменения поверхности СОЯ путем обработки ВЧ плазмой пониженного давления.
Таблица 2
Максимальная сорбционная емкость по нефти образцов СОЯ в статических и динамических условиях, водопоглощение
Рис. 3. Дифрактограмма образцов СОЯ: 1) исходный образец; 2) образец 226, обработанный в атмосфере смеси пропана с бутаном в режиме Р = 26,6 Па, 1а = 0,6 А, иа = 2,5 кВ, г = 10 мин, Я = 0,06 г/сек
№ образца Максимальная сорбционная емкость по нефти, г/г Максимальное водопогло-щение, г/г
в статических условиях в динамических условиях
СОЯ 5,287 2,89 3,935
1 6,566 3,17 2,542
2 5,051 2,53 3,378
3 6,281 2,77 2,752
4 5,813 2,47 3,452
5 5,937 3,05 2,675
6 5,197 2,39 3,822
7 6,462 3,25 2,951
8 6,370 2,76 3,504
9 5,442 2,52 3,845
10 6,159 2,96 2,952
также обладают образцы, обработанные в атмосфере смеси пропана с бутаном № 1 и смеси аргона с пропаном № 7.
В последующем исследовалось удаление НКО с водной поверхности с использованием плазмомодифицированных образцов СОЯ в связи с особой актуальностью проблемы локализации аварийных разливов нефтепродуктов в водных объектах. Для имитации разлива НКО при температуре 20 °С к 50 мл дистиллированной воды в чашке Петри приливалось 3 мл НКО, что составляло 2,67 г, и наносился сплошным слоем 1 г исследуемого СМ. По истечении определенных промежутков времени СМ с сорбированной НКО и водой удалялся, определялось остаточное количество нефти в воде и вычислялись значения водо- и нефте-поглощения [2, 3]. Полученные результаты, также представленные в табл. 3, показали, что
Таблица 3 Значения нефте- и водопоглощения для образцов СМ
№ образца Масса поглощенной, г/г Степень очистки, % Изменение водопогло-щения, %
нефти воды
СОЯ 2,693 1,577 99,63 —
1 2,698 1,244 99,82 -21,12
2 2,698 1,262 99,82 -19,97
3 2,694 1,444 99,67 -8,38
4 2,694 1,382 99,67 -12,37
5 2,693 1,301 99,63 -17,52
6 2,696 1,296 99,74 -17,84
7 2,696 1,251 99,74 -20,67
8 2,697 1,379 99,78 -12,54
9 2,695 1,443 99,70 -8,51
10 2,694 1,483 99,67 -5,96
В случае использования сорбционной очистки поверхности воды от нефтепродуктов всегда встает вопрос об утилизации отработанных СМ. Исследована утилизация использованных материалов с сорбатом путем сжигания. Для экспериментального уничтожения отход
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.