ДЕГРАДАЦИЯ, ВОССТАНОВЛЕНИЕ И ОХРАНА ПОЧВ
УДК 631.4
НОВЫЙ СПОСОБ ДЕТОКСИКАЦИИ НЕФТЕЗАГРЯЗНЕННЫХ
ПОЧВ ХИТОЗАНОМ
© 2013 г. Н. Г. Кокорина, А. А. Околелова, А. Б. Голованчиков
Волгоградский государственный технический университет, 400005, Волгоград, пр. Ленина, 28
e-mail: pebg@vstu.ru Поступила в редакцию 30.12.2010 г.
Впервые изучена возможность применения хитозана для детоксикации нефтезагрязненных почв АЗС. Экономичность использования этого природного биополимера обусловлена наличием местной сырьевой базы: отходов, получаемых при очистке турбин Волжской ГЭС. Утилизация хитинсо-держащих отходов решает вопрос охраны окружающей среды, уменьшает стоимость сорбента. Показано, что хитозан эффективно сорбирует нефтепродукты, его можно применять как в мелкоиз-мельченном виде, так и в качестве раствора. Для ликвидации и предупреждения аварийного разлива нефтепродуктов в светло-каштановой глинистой почве наиболее эффективно распределение твер-доизмельченного сорбента по ее поверхности, в светло-каштановой песчаной почве целесообразно распылять жидкий хитозан. Обоснована возможность предотвращения загрязнения почв нефтепродуктами путем создания сорбционного барьера — чередующихся слоев песка (крупного кварцевого, речного и мелкого) и хитозана. Рассчитаны дозы, количество и мощность слоев песка и хито-зана, масса сорбента с учетом диаметра зерен, площади загрязнения и вида сырья, из которого выделен хитозан. Приведены физико-химические характеристики хитозана, полученного авторами. Они соответствуют существующим техническим требованиям, предъявляемым к сорбенту для его использования в пищевой промышленности.
Ключевые слова: хитозан, детоксикация, нефтезагрязненные почвы, дозы, количество, мощность слоев.
Б01: 10.7868/80032180Х1312006Х
ВВЕДЕНИЕ
Самым распространенным, наиболее эффективным и доступным методом быстрого сбора нефтепродуктов является сорбция. В мире насчитывают около двухсот видов различных сорбентов. В России существуют собственные технологии производства сорбентов нефтепродуктов, получаемых из местного сырья и отходов. Наиболее экологически и экономически рационально использовать природные сорбенты, которые не являются ксенобиотиками для экосистем. Их низкая стоимость и простая технология подготовки вместе с высокими сорбционными свойствами дают возможность эффективной очистки почвы от нефтепродуктов.
К природным сорбентам в полной мере относится и хитозан — природный биополимер, ами-нополисахарид биологически совместимый с тканями организма, который деградирует под действием ферментов до обычных компонентов организма, нетоксичен [14, 18, 19, 21, 31, 36—39, 41, 44, 45, 48]. Обнаружено отсутствие выраженной субстратной специфичности этого вещества,
что означает примерно одинаковую способность связывать как гидрофильные, так и гидрофобные соединения. У хитозана выявлены ионообменные, хелатообразующие и комплексообразующие свойства [3, 13, 19, 32, 38-40].
Нами впервые предложено использовать хитозан для сорбции нефтепродуктов из почв. Ранее его применяли только для очистки нефти и нефтепродуктов сточных вод от [7, 15, 19, 27, 30, 33, 41, 43-47].
Высокая сорбционная способность хитозана вызвана не только его физико-химическими свойствами, но и тем, что он аналогичен по составу неспецифическим органическим соединениям почв, это исключает возможность негативного влияния на процессы разложения, синтеза органических соединений, гумусообразования.
Хитозан растворяется только в органических кислотах, даже разбавленных, в водном растворе уксусной, лимонной, янтарной кислот. При набухании он способен прочно удерживать в своей структуре органические кислоты, а также растворенные в них взвешенные вещества [21]. Для этих
1516
растворов характерна существенная зависимость вязкости от концентрации уксусной кислоты [5, 6].
Хитозан способен образовывать большое количество водородных связей, может связывать органические водорастворимые вещества (бактериальные токсины и токсины, образующиеся в процессе пищеварения), а также предельные углеводороды, жиры и жирорастворимые соединения за счет гидрофобных взаимодействий и сетчатой структуры [1, 21, 23]. Данный биополимер обладает высокой сорбционной способностью, химической, биологической стойкостью. Это хороший флокулянт, эмульгатор, загуститель [1, 22]. Он образует прочные соединения с белками, анионными пролисахаридами, хелатные комплексы с металлами [30]. Хитозан можно считать универсальным сорбентом, способным связывать множество поллютантов органической и неорганической природы.
Вопросы ремедиации нефтезагрязненных почв актуальны в связи с бурным развитием нефтегазодобывающей промышленности и инфраструктуры [4, 16, 20]. Наиболее эффективным и доступным методом уменьшения концентрации нефтепродуктов в почвах является их сорбция. Нами впервые изучена возможность применения для детоксикации почв природного биополимера хитозана различного агрегатного состава.
Хитин является сырьем для получения хитоза-на, это главный компонент панцирей ракообразных и насекомых [3, 13, 32, 39]. Хитозан получают из декальцинированного хитина ракообразных при удалении ацетильной группы в жестких условиях раствором щелочи [2, 5, 7, 14, 16, 26, 31].
Экономичность использования хитозана обусловлена наличием местной сырьевой базы: отходов, получаемых при очистке турбин Волжской ГЭС (речные раки, жаброножки, северные розовые креветки). Утилизация хитинсодержащих отходов решает вопрос охраны окружающей среды, уменьшает стоимость сорбента [16]. Его физико-химические показатели представлены в табл. 1. Полученный хитозан соответствует техническим требованиям, предъявляемым к сорбенту для его использования в пищевой промышленности [25]. Для достижения заданной молекулярной массы, равной 1200 кДа, за основу была принята технология Шиша и Винокурова, защищенная патентом [35].
Нами усовершенствована методика приготовления хитозана с сохранением его кристаллической структуры [9—12]. Модернизирован технологический процесс его получения, разработана и апробирована конструкция массообменной колонны с различными насадками для улавливания газов и паров, образующихся на обеих стадиях получения сорбента (депротеирование и деацитили-рование) с целью очистки воздуха и возврата
Таблица 1. Физико-химические свойства мелкоиз-мельченного хитозана, полученного из хитинового покрова речного рака и жабронога
Показатель Норма по ТУ, не более Результаты испытаний
Массовая доля влаги, % 10.0 9.4
Массовая доля минеральных веществ, % 0.7 0.33
рН 1%-го раствора хитозана в 2%-ной уксусной кислоте 7.5 3.85
Массовая доля нерастворимых веществ в 3%-ном растворе уксусной кислоты, % 0.2 0.18
Примечание. Параметры речного рака и жабронога совпадают; ТУ 9289-067-00472124-03.
уловленных веществ в технологический процесс; модернизировано измельчающее устройство для усовершенствования процесса и упрощения технологической схемы получения сорбента и его подготовки к использованию, минимизирующее затраты за счет синхронных процессов измельчения и смешения [9—12]. Физико-химические свойства и технические характеристики хитозана представлены в табл. 1, 2.
ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ
Объектами исследования послужили светло-каштановые глинистые и песчаные почвы АЗС № 1 и 3 г. Волжский. Эффективность сорбции нефтепродуктов проверяли в лабораторных условиях. Для постановки модельного опыта брали навеску почвы массой 50 г. В одном варианте в колбу помещали 0.1 г мелкоизмельченного хитозана, в другом — 0.1%-ный раствор сорбента в уксусной кислоте. В песчаной почве дополнительно проводили сорбцию 0.05%-ным раствором хитозана. Выбор уксусной кислоты в качестве растворителя обусловлен ее химическими свойствами. В отличие от других органических кислот, процесс растворения хитозана в ней происходит вдвое интенсивнее [16, 26, 27]. Для чистоты опыта массу мелкоизмельченного хитозана подбирали таким образом, чтобы концентрация углерода в обоих вариантах была одинакова [16]. Содержание органического углерода определяли на приборе "Флюорат 02-3М ЛЮМЭКС". При расчете доли органического углерода в почвах учитывали его содержание в сорбенте (табл. 3).
РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ
Сорбция нефтепродуктов из светло-каштановой глинистой почвы была наиболее эффективна при использовании мелкоизмельченного хитоза-на независимо от срока экспозиции. В обоих ва-
Таблица 2. Технические характеристики полученного твердообразного хитозана
Сырье Диаметр зерен, см Плотность, г/мл Степень наполнения Сыпучесть
насыпная истинная
Речной рак 0.1-0.2 0.57 1.56 0.37 9.60
0.2-0.4 0.37 1.22 0.31 11.18
0.5-1.0 0.39 1.61 0.24 10.26
1.0-2.0 0.41 2.39 0.17 12.10
Северная розовая 0.1-0.2 0.13 0.04 2.88 11.97
креветка 0.2-0.4 0.07 0.02 2.85 13.56
0.5-1.0 0.08 0.04 2.14 14.48
1.0-2.0 0.09 0.04 2.14 17.07
Примечание. Плотность насыпная учитывает поверхностную площадь сорбента, плотность истинная — объем сорбента, погруженного в жидкость; степень наполнения характеризуется отношением насыпной плотности к истиной; сыпучесть и степень наполнения — безразмерные величины.
Таблица 3. Содержание углерода (С орг) в светло-каштановых почвах и сорбенте, %
Содержание углерода
Объект Агрегатный состав хитозана время экспозиции, сутки
2 4
Глинистая почва
Почва незагрязненная - 1.99 1.99
Почва без хитозана с нефтепродуктами - 69.67 69.67
Раствор хитозана 0.1%-ный раствор 0.03 0.03
Сорбированный хитозаном углерод » 62.83 66.90
Почва с нефтепродуктами после сорбции » 6.84 2.77
Хитозан твердый Твердый 0.03 0.03
Сорбированный хитозаном углерод » 65.74 69.64
Почва с нефтепродуктами после сорбции » Песчаная почва 3.93 0.90
Почва незагрязненная - 1.67 1.67
Почва без хитозана с нефтепродуктами - 66.33 66.33
Почва с нефтепродуктами после сорбции Твердый 35.67 14.69
Сорбированный хитозаном углерод » 8.52 47.04
Почва без хитозана с нефтепродуктами 0.1%-ный раствор 66.33 66.33
Сорбированный хитозаном углерод » 66.07 66.31
Почва с нефтепродуктами после сорбции » 37.50 13.90
Раствор хитозана 0.05%-ный раствор 0.01 0.01
Почва без хитозана с нефтепродуктами » 66
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.