From Chemistry Towards Technology Step-By-Step From Chemistry Towards Technology Step-By-Step От химии к технологии шаг за шагом 2782-1900 82363 10.52957/27821900_2022_02_56 Научные статьи Scientific articles Научные статьи Adsorption treatment of wastewater from petroleum products with plasma treated vermiculite Адсорбционная очистка сточных вод от нефтепродуктов обработанным в плазме вермикулитом Гусев Григорий Игоревич Gusev Grigory Igorevich

кандидат химических наук;

candidate of chemical sciences;

 Гущин Андрей Андреевич Gushchin Andrey Andreevich a_guschin@bk.ru

кандидат химических наук;

candidate of chemical sciences;

 Гриневич Владимир Иванович Grinevich Vladimir Ivanovich grin@isuct.ru

доктор химических наук;

doctor of chemical sciences;

 Бабурина Екатерина Михайловна Baburina Ekaterina Mihaylovna Извекова Татьяна Валерьевна Izvekova Tatiana Valer'evna

кандидат химических наук;

candidate of chemical sciences;

 Ивановский государственный химико-технологический университет Ivanovo State University of Chemistry and Technology Ивановский государственный химико-технологический университет Иваново Россия Ивановский государственный химико-технологический университет Иваново Russian Federation 23 06 2022 23 06 2022 3 2 115 128 25 05 2022 17 06 2022 https://chemintech.ru/en/nauka/article/82363/view

В работе изложены результаты исследования процессов очистки сточных вод от нефтепродуктов с использованием вермикулита до и после обработки в плазме диэлектрического барьерного разряда. В ходе эксперимента определено время достижения равновесия в гетерофазной системе «сорбент – водный раствор нефтепродуктов», которое составляет 30 мин. Кинетические кривые сорбции обработаны в линейных координатах первого и второго порядков. Установлено, что кинетика сорбции нефтепродуктов вермикулитом наиболее адекватно описывается моделью кинетики второго порядка, что указывает на ионообменный процесс адсорбции. Охарактеризованы процессы внешнего и внутреннего массопереноса нефтепродуктов в присутствии вермикулита, полученных в различных условиях. При обработке кинетики сорбции в координатах Бойда-Адамсона установлено, процесс адсорбции протекает во внутренне-диффузионном режиме. Обработка сорбента, после использования в процессе очистки сточных вод, в плазме диэлектрического барьерного разряда приводит к незначительному снижению сорбционных характеристик, однако приводит к его регенерации. Была изучена морфология вермикулита, полученного в различных условиях. Образец представляет собой микрогетерогенный материал с размерами частиц 0,4-0,7 мкм. Общий объем пор, полученный из линейных координат теории объемного заполнения микропор, составляет 0,21 см3/г. Все микрофотографии отражают характерную морфологию слюдяного пакета вермикулита. Результаты исследования сорбционных свойств, оцененных по удельной поверхности методом низкотемпературной адсорбции инертного газа, позволили построить изотермы адсорбции/десорбции жидкого азота на поверхности сорбента, обработка которых по методу БЭТ показала, что удельная поверхность сорбента составляет 7 м2/г.

The paper presents the results of studies of wastewater treatment processes from petroleum products using vermiculite before and after treatment in dielectric barrier discharge plasma. During the experiment we determined the time of reaching equilibrium in the heterophase system "sorbent - aqueous solution of petroleum products", is 30 min. The kinetic sorption curves are processed in first- and second-order linear coordinates. We found that the kinetics of petroleum product sorption by vermiculite is most adequately described by a second-order kinetics model, indicating an ion-exchange adsorption process. The article describes the processes of external and internal mass transfer of petroleum products in the presence of vermiculite obtained under different conditions. When treating the sorption kinetics in Boyd-Adamson coordinates we found that the adsorption process proceeds in an inward diffusion regime. Treatment of the sorbent, after use in the wastewater treatment process, in dielectric barrier discharge plasma leads to a slight decrease of sorption characteristics, but results in its regeneration. We studied the morphology of vermiculite obtained under different conditions. The sample is a micro-heterogeneous material with a particle size of 0.4-0.7 µm. The total pore volume obtained from the linear coordinates of the micropore volumetric filling theory is 0.21 cm3/g. All microphotographs reflect the characteristic morphology of the vermiculite mica packet. The results of the study of the sorption properties evaluated by the method of low-temperature inert gas adsorption made it possible to construct isotherms of adsorption/desorption of liquid nitrogen on the sorbent surface, the BET treatment of which showed that the specific surface area of the sorbent is 7 m2/g.

 адсорбция вермикулит нефтепродукты водоочистка плазма диэлектрического барьерного разряда adsorption vermiculite petroleum products water treatment dielectric barrier discharge plasma Работа по определению свойств адсорбента выполнена в рамках государственного задания на выполнение НИР (Тема № FZZW-2020-0010). Работа по обработке поверхности адсорбента в плазме диэлектрического барьерного разряда выполнена в рамках гранта Президента Российской Федерации для государственной поддержки молодых российских ученых - кандидатов наук (МК-3784.2022.1.3). Исследование проведено с использованием ресурсов Центра коллективного пользования научным оборудованием ИГХТУ (при поддержке Минобрнауки России, соглашение № 075-15-2021-671). The work to determine the properties of the adsorbent was performed within the framework of the state research assignment (Theme No. FZZW-2020-0010). This work on adsorbent surface treatment in dielectric barrier discharge plasma was performed within the framework of the RF President's Grant for Governmental Support of Young Russian Scientists - Candidate of Sciences (MK-3784.2022.1.3). The research was performed using the resources of the ISUCT Centre for the Collective Use of Scientific Equipment (supported by the Russian Ministry of Education and Science, Agreement No. 075-15-2021-671).

Гусев Г.И., Гущин А.А., Гриневич В.И., Извекова Т.В., Шаронов А.В. Воздействие диэлектрического барьерного разряда на диатомит, загрязненный нефтепродуктами // Сорбционные и хроматографические процессы. 2021. Т. 21, № 1. С. 60-68. DOI: https://doi.org/10.17308/sorpchrom.2021.21/3220. Gusev G.I., Guschin A.A., Grinevich V.I., Izvekova T.V., Sharonov A.V. Vozdeystvie dielektricheskogo bar'ernogo razryada na diatomit, zagryaznennyy nefteproduktami // Sorbcionnye i hromatograficheskie processy. 2021. T. 21, № 1. S. 60-68. DOI: https://doi.org/10.17308/sorpchrom.2021.21/3220. Гусев Г.И., Гущин А.А., Гриневич В.А., Филиппов Д.В., Москаленко Е.А., Шильке М.А. Адсорбция 2,4-дихлорфенола и фенола из водных растворов силикатным адсорбентом // Журнал физической химии. 2021. Т. 95, № 2. С. 279-284. DOI: 10.31857/S0044453721020102. Gusev G.I., Guschin A.A., Grinevich V.A., Filippov D.V., Moskalenko E.A., Shil'ke M.A. Adsorbciya 2,4-dihlorfenola i fenola iz vodnyh rastvorov silikatnym adsorbentom // Zhurnal fizicheskoy himii. 2021. T. 95, № 2. S. 279-284. DOI: 10.31857/S0044453721020102. Хаскельберг М.Б., Шиян Л.Н., Корнев Я.И., Галанов А.И., Титова Е.Н., Девянин Д.С. Повышение эффективности удаления нефтепродуктов из сточных вод // Известия Томского политехнического университета. Инжиниринг георесурсов. 2011. Т. 319, № 3. С. 32-35. Haskel'berg M.B., Shiyan L.N., Kornev Ya.I., Galanov A.I., Titova E.N., Devyanin D.S. Povyshenie effektivnosti udaleniya nefteproduktov iz stochnyh vod // Izvestiya Tomskogo politehnicheskogo universiteta. Inzhiniring georesursov. 2011. T. 319, № 3. S. 32-35. Митрюшкина К.П. Охрана природы: Справочник. М.: Агропромиздат. 1987. 267 с. Mitryushkina K.P. Ohrana prirody: Spravochnik. M.: Agropromizdat. 1987. 267 s. Смирнов А.Д. Сорбционная очистка воды. Л.: Химия. 1982. 168 с. Smirnov A.D. Sorbcionnaya ochistka vody. L.: Himiya. 1982. 168 s. Каменщиков Ф.А., Богомольный Е.И. Нефтяные сорбенты. Ижевск: Институт компьютерных исследований. 2003. 268 с. Kamenschikov F.A., Bogomol'nyy E.I. Neftyanye sorbenty. Izhevsk: Institut komp'yuternyh issledovaniy. 2003. 268 s. Собгайда Н.А. Сорбционные материалы для очистки сточных и природных вод от нефтепродуктов // Вестн. Харьков. нац. автомобил.-дорожн. ун-та. 2011. № 52. С. 120-124. Sobgayda N.A. Sorbcionnye materialy dlya ochistki stochnyh i prirodnyh vod ot nefteproduktov // Vestn. Har'kov. nac. avtomobil.-dorozhn. un-ta. 2011. № 52. S. 120-124. Зубков А.А., Багров В.В., Камруков А.С., Кострица В.Н., Крылов В.И. Природные сорбенты и их использование для очистки сточных вод // Водоочистка. Водоподготовка. Водоснабжение. 2020. № 2. С. 36-44. Zubkov A.A., Bagrov V.V., Kamrukov A.S., Kostrica V.N., Krylov V.I. Prirodnye sorbenty i ih ispol'zovanie dlya ochistki stochnyh vod // Vodoochistka. Vodopodgotovka. Vodosnabzhenie. 2020. № 2. S. 36-44. Комендантова Е.А., Кваша Д.Ю. Адсорбция в водоочистке. Возможности природных адсорбентов // Синергия наук. 2017. № 11. С. 913. Komendantova E.A., Kvasha D.Yu. Adsorbciya v vodoochistke. Vozmozhnosti prirodnyh adsorbentov // Sinergiya nauk. 2017. № 11. S. 913. Алыков Н.М., Абуова Г.Б., Менкеев О.А., Зуй Н.К. Адсорбция из воды органических веществ сорбентом ОБР-1 // Естественные науки. 2009.Т. 1, № 26. С. 11-17. Alykov N.M., Abuova G.B., Menkeev O.A., Zuy N.K. Adsorbciya iz vody organicheskih veschestv sorbentom OBR-1 // Estestvennye nauki. 2009.T. 1, № 26. S. 11-17. Фасхутдинова З.Т., Шайхиев И.Г., Абдуллин И.Ш. Повышение эффективности метода очистки маслосодержащих сточных вод модифицированными отходами валяльного производства // Вестн. Казан. технологич. ун-та. 2014. Т. 17, № 21. С. 220-222. Fashutdinova Z.T., Shayhiev I.G., Abdullin I.Sh. Povyshenie effektivnosti metoda ochistki maslosoderzhaschih stochnyh vod modificirovannymi othodami valyal'nogo proizvodstva // Vestn. Kazan. tehnologich. un-ta. 2014. T. 17, № 21. S. 220-222. Cambiella Б., Ortea E., Rнos G. et al. // J. Hazard. Materials. 2006. Vol. 131, no. 1–3. P. 195. https://doi.org/10.1016/j.jhazmat.2005.09.023 Cambiella B., Ortea E., Rnos G. et al. // J. Hazard. Materials. 2006. Vol. 131, no. 1–3. P. 195. https://doi.org/10.1016/j.jhazmat.2005.09.023 Мельников А.А., Гордина Н.Е., Тюканова К.А., Гусев Г.И. Гущин А.А., Румянцев Р.Н. Синтез сорбционных систем на основе механохимически активированного вермикулита // Известия высших учебных заведений. Химия и химическая технология. 2021. Т. 64, №. 8. С. 63-71. DOI: https://doi.org/10.6060/ivkkt.20216408.6422. Mel'nikov A.A., Gordina N.E., Tyukanova K.A., Gusev G.I. Guschin A.A., Rumyancev R.N. Sintez sorbcionnyh sistem na osnove mehanohimicheski aktivirovannogo vermikulita // Izvestiya vysshih uchebnyh zavedeniy. Himiya i himicheskaya tehnologiya. 2021. T. 64, №. 8. S. 63-71. DOI: https://doi.org/10.6060/ivkkt.20216408.6422. Иванова Е.Н., Алехина М.Б., Ахназарова С.Л. Термическая активация цеолитов типа Х // Успехи в химии и химической технологии. 2012. Т. 26, №. 8 (137). С. 26-30. Ivanova E.N., Alehina M.B., Ahnazarova S.L. Termicheskaya aktivaciya ceolitov tipa H // Uspehi v himii i himicheskoy tehnologii. 2012. T. 26, №. 8 (137). S. 26-30. Рахмонов О.К. Действие ультразвукового озвучивания на интенсификацию процесса адсорбционной очистки парафина // Universum: технические науки. 2020. № 6-2 (75). С. 87-90. Rahmonov O.K. Deystvie ul'trazvukovogo ozvuchivaniya na intensifikaciyu processa adsorbcionnoy ochistki parafina // Universum: tehnicheskie nauki. 2020. № 6-2 (75). S. 87-90. Никифорова Т.Е., Козлов В.А., Одинцова О.И. Закономерности распределения ионов меди (II) и никеля (II) в гетерофазной системе водный раствор – модифицированное льняное волокно // Российский химический журнал. 2015. Т. 59, № 4. С. 76–84. DOI: 10.6060/rcj. Nikiforova T.E., Kozlov V.A., Odincova O.I. Zakonomernosti raspredeleniya ionov medi (II) i nikelya (II) v geterofaznoy sisteme vodnyy rastvor – modificirovannoe l'nyanoe volokno // Rossiyskiy himicheskiy zhurnal. 2015. T. 59, № 4. S. 76–84. DOI: 10.6060/rcj. Лосев Н.В., Никифорова Т.Е., Макарова Л.И., Липатова И.М. Влияние механической активации на структуру и сорбционную способность хитина // Физикохимия поверхности и защита материалов. 2017. Т. 53, № 5. С. 480 485. DOI: 10.1134. Losev N.V., Nikiforova T.E., Makarova L.I., Lipatova I.M. Vliyanie mehanicheskoy aktivacii na strukturu i sorbcionnuyu sposobnost' hitina // Fizikohimiya poverhnosti i zaschita materialov. 2017. T. 53, № 5. S. 480 485. DOI: 10.1134. Гусев Г.И., Гущин А.А., Гриневич В.И., Ости А.А., Извекова Т.В., Квиткова Е.Ю. Регенерация природных сорбентов, загрязненных нефтепродуктами, в плазме диэлектрического барьерного разряда. // Изв. вузов. Химия и хим. технология. 2017. Т. 60, вып. 6. С. 72-76. DOI: https://doi.org/10.6060/tcct.2017606.5521. Gusev G.I., Guschin A.A., Grinevich V.I., Osti A.A., Izvekova T.V., Kvitkova E.Yu. Regeneraciya prirodnyh sorbentov, zagryaznennyh nefteproduktami, v plazme dielektricheskogo bar'ernogo razryada. // Izv. vuzov. Himiya i him. tehnologiya. 2017. T. 60, vyp. 6. S. 72-76. DOI: https://doi.org/10.6060/tcct.2017606.5521. Шайхиев И.Г., Низамов Р.Х., Абдуллин И.Ш., Фридланд С.В. Модификация альтернативного сорбента плазменной обработкой для увеличения нефтеемкости и гидрофобности // Защита окружающей среды в нефтегазовом комплексе. 2010. № 4. С. 24-27. Shayhiev I.G., Nizamov R.H., Abdullin I.Sh., Fridland S.V. Modifikaciya al'ternativnogo sorbenta plazmennoy obrabotkoy dlya uvelicheniya nefteemkosti i gidrofobnosti // Zaschita okruzhayuschey sredy v neftegazovom komplekse. 2010. № 4. S. 24-27. Адамсон А., Абидор И.Г., Дерягин Б.В. Физическая химия поверхностей. М.: Мир. 1979. 568 с. Adamson A., Abidor I.G., Deryagin B.V. Fizicheskaya himiya poverhnostey. M.: Mir. 1979. 568 s. ГОСТ 12597-67. Сорбенты. Метод определения массовой доли воды в активных углях и катализаторах на их основе. GOST 12597-67. Sorbenty. Metod opredeleniya massovoy doli vody v aktivnyh uglyah i katalizatorah na ih osnove. Goldstein J., Newbury D.E., Joy D.C., Lyman C.E., Echlin P, Lifshin E., Sawyer L., Michael J.R. Scanning Electron Microscopy and X-ray Microanalysis. New York: Kluwer Academic. Plenum Publishers, 2003. 550 p. Goldstein J., Newbury D.E., Joy D.C., Lyman C.E., Echlin P, Lifshin E., Sawyer L., Michael J.R. Scanning Electron Microscopy and X-ray Microanalysis. New York: Kluwer Academic. Plenum Publishers, 2003. 550 p. Melnikov A.A., Gordina N.E., Sinitsyn A.P., Gusev G.I., Gushchin A.A., Rumyantsev R.N. Investigation of the influence of mechanochemical effects on the structure and properties of vermiculite sorbents // Journal of Solid State Chemistry. 2022. Vol. 306. P. 122795. DOI: 10.1016/j.jssc.2021.122795. Melnikov A.A., Gordina N.E., Sinitsyn A.P., Gusev G.I., Gushchin A.A., Rumyantsev R.N. Investigation of the influence of mechanochemical effects on the structure and properties of vermiculite sorbents // Journal of Solid State Chemistry. 2022. Vol. 306. P. 122795. DOI: 10.1016/j.jssc.2021.122795. Методические указания по измерению массовой концентрации нефтепродуктов в пробах питьевой воды и воды поверхностных и подземных источников водопользования (ПНД Ф 14.1:2:4.129-98). М., 1998. Metodicheskie ukazaniya po izmereniyu massovoy koncentracii nefteproduktov v probah pit'evoy vody i vody poverhnostnyh i podzemnyh istochnikov vodopol'zovaniya (PND F 14.1:2:4.129-98). M., 1998. Большаков Г.Ф. Инфракрасные спектры насыщенных углеводородов. Часть 1. Алканы. Новосибирск: Наука, 1986. 176 с. Bol'shakov G.F. Infrakrasnye spektry nasyschennyh uglevodorodov. Chast' 1. Alkany. Novosibirsk: Nauka, 1986. 176 s. Казакова Л.П., Крейн С.Э. Физико-химические основы производства нефтяных масел. М.: Химия, 1978. 320 с. Kazakova L.P., Kreyn S.E. Fiziko-himicheskie osnovy proizvodstva neftyanyh masel. M.: Himiya, 1978. 320 s. Yang K., Wu W., Jing Q., Jiang W., Xing B. Competitive adsorption of naphthalene with 2,4-dichlorophenol and 4-chloroaniline on multiwalled carbon nanotubes // Environmental science & technology. 2010. Vol. 44, no. 8. P. 3021-3027. Yang K., Wu W., Jing Q., Jiang W., Xing B. Competitive adsorption of naphthalene with 2,4-dichlorophenol and 4-chloroaniline on multiwalled carbon nanotubes // Environmental science & technology. 2010. Vol. 44, no. 8. P. 3021-3027. Zhang Y., Jia Y., Li M., Hou L. Influence of the 2-methylimidazole/zinc nitrate hexahydrate molar ratio on the synthesis of zeolitic imidazolate framework-8 crystals at room temperature// Scientific Reports, 2018.Vol. 8, no. 1. P. 1–7. DOI:10.1038/s41598-018-28015-7 Zhang Y., Jia Y., Li M., Hou L. Influence of the 2-methylimidazole/zinc nitrate hexahydrate molar ratio on the synthesis of zeolitic imidazolate framework-8 crystals at room temperature// Scientific Reports, 2018.Vol. 8, no. 1. P. 1–7. DOI:10.1038/s41598-018-28015-7 Goldberg. S. Equations and Models Describing Adsorption Processes in Soils // Soil Science Society of America. 2005. 677 S. Segoe Road, Madison, WI 53711, USA. Chemical Processes in Soils. SSSA Book Series. 2005. No 8. Goldberg. S. Equations and Models Describing Adsorption Processes in Soils // Soil Science Society of America. 2005. 677 S. Segoe Road, Madison, WI 53711, USA. Chemical Processes in Soils. SSSA Book Series. 2005. No 8. Gusev G.I., Gushchin A.A., Grinevich V.I., Filippov D.V., Izvekova T.V. Physical and chemical properties of sorbents used for wastewater purification from oil products // Izv. Vysh. Uchebn. Zaved. Khim. Khim. Tekhnol. 2018. Vol. 61, no. 7, P. 137-143. DOI: 10.6060/ivkkt.20186107.5686. Gusev G.I., Gushchin A.A., Grinevich V.I., Filippov D.V., Izvekova T.V. Physical and chemical properties of sorbents used for wastewater purification from oil products // Izv. Vysh. Uchebn. Zaved. Khim. Khim. Tekhnol. 2018. Vol. 61, no. 7, P. 137-143. DOI: 10.6060/ivkkt.20186107.5686. Губкина Т.Г., Беляевский А.Т., Маслобоев В.А. Способы получения гидрофобных сорбентов нефти модификацией поверхности вермикулита органосилоксанами // Вестник Мурманского гос. техн. ун-та. 2011. Т. 14, №. 4. С. 767-773. Gubkina T.G., Belyaevskiy A.T., Masloboev V.A. Sposoby polucheniya gidrofobnyh sorbentov nefti modifikaciey poverhnosti vermikulita organosiloksanami // Vestnik Murmanskogo gos. tehn. un-ta. 2011. T. 14, №. 4. S. 767-773.