Разработка природного сорбента для предотвращения последствий разливов нефти и нефтепродуктов на основе хитина и бодяка полевого

Введение.

Проблемы, которые связаны ϲ техногенным воздействием, несут не только угрозу для окружающей среды, но и для человека. Данный вопрос носит глобальный характер и является актуальным на сегодняшний день. Защита растительного и животного мира от воздействия человека должна быть одной из приоритетных задач, которая стоит перед экологами. Одной из разновидностей данной проблемы является ликвидация разливов нефти и нефтепродуктов, которые происходят в результате аварийных ситуаций на промыслах. Данная проблема носит масштабный характер и затрагивает не только растительный и животный мир, но и человека в глобальном свете. Так, 25 июля 2020 года 1000 тонн сырой нефти было разлито в Индийском океане. Масштабы катастрофы были огромны. Сегодня существует много различных загрязнений, но выделяют главные из них – это естественные и антропогенные загрязнения. Наибольший вред окружающей среде приносят антропогенные загрязнения, то есть хозяйственная деятельность человека. Поэтому особое внимание следует уделить регламентным работам, которые должны совершаться, вовремя и, чтобы не происходило 50% выбросов нефти и нефтепродуктов в водоемы и на сушу. Самым опасным источником загрязнения в современном мире – это нефтепроводы, которые протягиваются через всю страну. По ним перекачивается не только сырая и товарная нефть, но и жидкие нефтепродукты, которые являются основными источниками топлива для транспорта. Когда нефть попадает в почву или в воду, она совершает токсическое воздействие на живые растения и животных, в результате происходит не только их гибель, но и отравление живых организмов. Токсические вещества пагубно влияют и на человека. В таких случаях необходима своевременная ликвидация загрязнения, которая достигается с помощью сорбентов и различных бактериальных препаратов. Целью данной работы является создание дешевого многоразового природного сорбента для ликвидации последствий разливов нефти и нефтепродуктов.

Хитин.

Одним из основных веществ в данной работе – это хитин, его можно встретить в организмах большинства животных. Например, хитин имеют насекомые и ракообразные. У водорослей, грибов также имеется хитин, который находится в соотношении с не только минеральными веществами, но и с белками. Так же необходимо уделить особое внимание меланину. Хитин с меланином и белками формирует прочный каркас в организмах насекомых и ракообразных, а также водорослей и грибов. Внешний скелет и каркас внутри являются одними из важнейших свойств, в которых участвует хитин [1, c. 10]. Но хитин находится не только у вышеперечисленных живых существ и растений. Существует много различных источников хитина. Эти источники имеют широкое распространение в окружающем нас мире. Содержание хитина в Мировом океане насчитывает около 3 миллиарда тонн в год. Производство хитина составляет примерно 200000 тонн в год [2, c. 25]. Хитин (рис. 1) – это один из наиболее часто встречающихся пoлиϲaхapидoв, таких как целлюлоза и крахмал. Хитин почти лидирует, занимает 2 место (после целлюлозы), как наиболее самое масштабное органическое соединение на Земле. Хитин в результате производства выделяет деpивaты. Стоит отметить один их основных дериватов хитина – это хитозан. Он является наиболее доступным из всех дериватов. Хитозан также можно использовать в исследовании сорбции. Необходимо отметить, что из хитина можно получать глюкозамин [3, c. 144].

Рис. 1. Молекула хитина

Главная цель использования хитина – это сбор нефти и нефтепродуктов. Здесь можно говорить не только о том, что хитин имеет преимущества, как сырье, но и то, что хитин – это главный из элементов ракообразных, креветок, моллюсков [4, c. 52].

Бодяк Полевой.

Бодяк Полевой или еще его называют Розовым Осотом, является одним из распространенных дикорастущих растений, особенно он растет на полях со злаковыми посевами, огородах и мешает прорастать урожаю (рис. 2) Данный сорняк очень трудно вывести, можно сказать, он практически не поддается удалению из почвы. Корень прорастает глубоко, и растение продолжает размножаться [5, c. 89].

Бодяк может встречаться как в степных, так и в лесных зонах. Бодяк Полевой является злостным корнеотпрысковым многолетним сорняком. Он представляет семейство Астровых, по-другому, можно назвать его Сложноцветным. Данный сорняк является одним из опасных сорняковых объектов на территории РФ [5, c. 123].

Рис. 2. Бодяк Полевой

Данное растение было выбрано в качестве эксперимента, как дешевое, легко получаемое, и, имеющее хороший стебель с листьями и цветками. Необходимы исследования растения, определение точного его состава. Бодяк Полевой состоит из таких веществ, как сахар инвертный. Имеет в своем составе не только винную кислоту, но и смолу. Большое количество содержит эфирного масла и инулина. Состоит из флавоноидов и гликозоидов. Может содержать аскорбиновую кислоту. Содержит кумарины и алкалоиды, а также жирные масла [6, c. 72]. Данное растение является злостным сорняком, которое мешает к прорастанию культур. Борьба с ним бессмысленна. Размножается очень быстро, поэтому необходимо не только найти способ избавиться от данного растения, но и утилизировать его в нужном направлении [7, c. 69]. Известно много растительных сорбентов для ликвидации последствий разливов нефти и нефтепродуктов. Например, используют сорбенты на основе орехов, риса, гречихи, также могут использовать лузгу подсолнечника и шелуху гречихи, древесные опилки, но все они имеют ряд сложностей в очищении и производства [8, c. 118].

Хитиновый сорбент.

Для начала эксперимента необходимо было выбрать кислотную обработку. По проведению нескольких предварительных испытаний и ранее исследуемых работ, были выбраны азотная и уксусная кислоты. Было приготовлено 12 образцов, из них 6 образцов можно считать удачными. Для начала необходимо было осушить кожуру креветок в сушильном шкафу (рис.3) при 120^оС, для удаления всех жидкостей, которые содержались в порах (рис. 4). Потом необходимо было измельчить креветки.

Рис. 3. Сушильный шкаф

Рис. 4. Сырьё после сушки

Для измельчения использовали дробилку с лопастями-лезвиями (рис. 5). В течение 5 минут происходило измельчение, в итоге образовались размеры гранул 0,5-2 мм (рис. 6).

Рис. 5. Оборудование для измельчения

Рис. 6. Измельченный материал

Далее необходимо было провести обработку выбранными кислотами, это позволило расширить поры и получить их разных размеров и форм. Необходимо было получить именно гелеобразный материал, так как это улучшит сорбционные свойства (см. ВКР). Потом происходило смешивание (рис. 7).

Повышается также нефтеемкость сорбента. Необходимо исследовать данный гель не только на малосернистую нефть, но и на другие фракции нефти и нефтепродукты.

Рис. 7. Кислотная обработка

Далее сорбент нагревали в муфельной печи до 380 оС. Благодаря этому, произошло удаление оставшейся части кислот, которые усели в порах. Процесс карбонизации увеличил поры, удалил кислоты и высвободил углекислый газ. Данная стадия процесса необходима в производстве хитинового сорбента. Одновременно с нагреванием происходила карбонизация. В таблице 1 представлены результаты испытаний на нефтеемкость. Для определения нефтеемкости, брали фильтровальную бумагу (сетку), вырезали нужного размера круг. Необходимо было вырезать прокладку под сетку. Все это помещали в чашку. Сначала выкладывали 5 грамм сорбента, погружали в нефть. Время выдержки – 15 минут. Взвешивали и записывали результат (рис. 8). где m₁ – масса сетки с навеской сорбента и удерживаемым нефтепродуктом, г; m₂ – масса сетки с учетом удерживаемого нефтепродукта (холостая проба), г; m₃ – масса навески сорбента, г. Опыт повторяли 5 раз для расчета адсорбируемости массы нефти.

Рис. 8. Проверка нефтеёмкости образца

Таблица 1

Экспериментальные данные

Именно этот способ, является наиболее эффективен, так как используется гель. Недостатки данного способа – образование кислот. Но их легко удалить. Данный сорбент легко регенерировать и утилизировать в глюкозамин. Но использование геля на водной поверхности дает результат хуже. Технология имеет недостатки и поэтому необходимо совместить хитин с растительной частью, которая способна будет работать и на воде.

Сорбент на основе Бодяка Полевого.

Вначале необходимо было промыть листья и стебель растения. Удалить минеральную часть, для этого использовали спирт, этанол и дистиллированную воду. Потом растение сушилось 24 часа при комнатной температуре 25 ℃. Сушеный Бодяк Полевой при комнатной температуре был помещен в сушильный шкаф. Там он был выдержан в течение 0,5 ч при температуре 70℃. Готовили еще три таких образца. Первый образец измельчали в дробилке с лопастями-лезвиями до однородного состояния и обрабатывали 13% уксусной кислотой.

Второй образец измельчали в дробилке с лопастями-лезвиями до однородного состояния и обрабатывали 6% азотной кислотой.

Третий образец измельчали в дробилке с лопастями-лезвиями до однородного состояния и обрабатывали 4% раствором едкого натра (рис. 9).

Рис. 9. Обработанный Бодяк Полевой

На поверхность воды, которая была налита в стеклянную емкость, была нанесена нефть так, чтобы толщина слоя составила 2 мм. Далее необходимо было равномерно нанести сорбент и оставить на минут 15. После впитывания сорбент перенесли на сито. Образцы взвешивали и помещали в стакан для перемешивания. В результате были получены следующие значения, которые представлены в таблице 2:

Таблица 2

Сорбция нефти

При обработке образца едким натром 4 %, получали образец с наибольшей нефтеемкостью. В результате опытов был сделан вывод, что вид сырья сырого, поры, структура – все это влияет на процесс сорбции.

Выводы.

В результате работы был выбран хитиновый сорбент с концентрацией азотной кислоты 6% и уксусной кислоты 15%. В результате работы было установлено, что щелочной раствор 4% увеличивает поры в растительном сорбенте. Необходимы дальнейшие изучения данного вида сорбента. Необходимо исследование в использовании растительного сорбента в дополнении к хитиновому сорбенту.