СОРБЕНТ НЕФТИ И НЕФТЕПРОДУКТОВ Российский патент 1999 года по МПК B01J20/00 B01J20/22 

Изобретение относится к сорбентам и может быть использовано для очистки жидких и твердых поверхностей от нефти и нефтепродуктов.

Известен адсорбент на основе вискозы, синтетического волокна, обработанного силиконовым или нефтяным маслом (см. заявку Японии N 61-284, кл. C 09 K 3/32, 1986 г.). Недостатком адсорбента является его малая сорбирующая емкость по нефти и нефтепродуктам, которая составляет 1,5...3,0 кг/кг.

Известна волокнистая древесина, получаемая в процессе сульфитной и сульфатной обработки, также используемая в качестве сорбента (см. патент США N 4925343, кл. E 02 B 15/00, 1990 г.).

Наиболее близким техническим решением, которое и принимается за прототип, является адсорбент нефти и нефтепродуктов, включающий в качестве активного вещества соли алифатических аминов с длиной цепи C₈-C₁₈ в смеси с алкил-карбоновыми кислотами C₉-C₁₇, C₁₈-C₂₁, C₂₂-C₂₇ - при их массовом соотношении от 0,1:0,2:1,0:1,0 до 1,0:2,0:3,0:7,0, в сочетании с гидрофобным компонентом из класса алифатических эфиров алкил-карбоновых кислот RCOOR¹, где R¹= C₁-C₈; R=C₈-C₁₆, C₁₇-C₂₀, C₂₁-C₂₆, а в качестве основы содержит нетканый волокнистый натуральный или синтетический материал, при следующем соотношении компонентов, вес.%:
Активное вещество - 0,1-5,0
Гидрофобный компонент - 0,05-2,0
Основа - 93,0-99,85
(патент РФ N 2071828, м.кл. B 01 J 20/22, 1997 г.).

Одним из существенных недостатков прототипа является размокание, смятие волокон и усадка основы, снижение ее прочности по мере увеличения циклов "сорбция - регенерация" и связанное с этим уменьшение сорбционной емкости сорбента и невозможность использования его при машинной обработке.

Целью данного изобретения является улучшение эксплуатационных качеств сорбента и сорбционной емкости при многократном циклическом его использовании в реальных условиях при машинной сборке нефти.

Технический результат достигается тем, что в сорбент нефти и нефтепродуктов, содержащий в качестве активного вещества соли алифатических аминов с длиной цепи C₈-C₁₈ с смеси с алкил-карбоновыми кислотами C₉-C₁₇, C₁₈-C₂₁, C₂₂-C₂₇, при их массовом соотношении от 0,2:1,0:1,0 до 2,0:3,0:7,0, в сочетании с гидрофобным компонентом из класса алифатических эфиров алкил-карбоновых кислот RCOOR¹, где R¹=C₁-C₈; R = C₈-C₁₆, C₁₇-C₂₀, C₂₁-C₂₆, а в качестве основы содержит нетканый волокнистый натуральный или синтетический материал, при этом в сорбент дополнительно введены армирующие и противоусадочные элементы.

Армирование основы позволяет делать ее необходимо прочной, способной сохранять прочность при многократном циклическом использовании сорбента в операциях "поглощение - регенерация".

Армирование основы сопряжено с непосредственным использованием сорбента в конструкциях-нефтесборщиках, инженерных машинах, палубных механизмах нефтеналивных судов и танкеров, специальном оборудовании трубопроводов и других транспортных средствах, базах хранения ГСМ и др.

Противоусадочные элементы выполняют роль микроармирования, обеспечивая противоусадочность, неразмокаемость, несминаемость и восстанавливаемость основы при многократном ее использовании в процессе сорбции нефти и нефтепродуктов, увеличивая общий ресурс использования сорбента.

Для армирования нефтесорбента наиболее целесообразно использовать термопластичные полимеры, стеклоткани и полимерные композиционные материалы на основе кремнийорганических смол или стекловолокон с ориентированными направлениями волокна. Кроме того, для элементов армирования хорошо подходят по своим физикотехническим характеристикам стеклотекстолиты.

Для противоусадочных элементов целесообразно использование стеклянных волокон с определенными показателями по удельной поверхности, плотности и диаметру нитей.

В общем случае техническое решение по составу сорбента имеет следующие соотношения компонентов, мас.%:
Активное вещество - 0,2-5,0
Гидрофобный компонент - 0,05-2,0
Основа - 93,0-99,85
К этим известным веществам добавляют в определенном соотношении (дополнительно) армирующие элементы и противоусадочные элементы, что и является основой настоящего изобретения, т.е. к перечисленным веществам добавляют, мас.%:
Армирующие элементы - 1,0-10,0
Противоусадочные элементы - 3,0-30,0
Сопоставительный анализ с прототипом позволяет сделать вывод, что заявляемый сорбент нефти и нефтепродуктов отличается от известного введением новых компонентов, а именно термопластичные полимеры, стеклоткани и полимерные композиционные материалы на основе кремнийорганических смол или стекловолокон с ориентированными направлениями волокна - для армирования основы сорбента. Для проведения сорбции нефтепродуктов с высокими показателями агрессивной среды используются также для этих целей стеклотекстолиты.

Кроме того, в сорбент введены и другие компоненты, как-то стеклянные волокна для увеличения ресурсов по противоусадочности, неразмокаемости, несминаемости и восстанавливаемости.

Анализ известных сорбентов, используемых для сбора нефти и нефтепродуктов с загрязненных поверхностей, показал, что предложенный состав сорбента с привлечением армирующих и противоусадочных элементов обеспечивает как увеличение емкости сорбирования, так и повышение ресурса его эффективной работы. Это удовлетворяет критериям "новизны" и "изобретательский уровень".

Заявляемый сорбент представляет собой волокнистый пористый материал с внедренным активным сорбирующим веществом, гидрофобным компонентом и армирующими и противоусадочными элементами, соотношения которых изменяются в заданных пределах, обуславливаемых решаемой задачей.

Технический результат, достигаемый при реализации настоящего изобретения, обеспечивается за счет введения в состав известного сорбента, содержащего введенные в нетканый волокнистый натуральный или синтетический материал смесь фракций алкил-карбоновых кислот, алифатических эфиров алкил-карбоновых кислот RCOOR¹, где R¹=C₁-C₈; R = C₈-C₁₆ или C₁₇-C₂₀, или C₂₁-C₂₈ дополнительно армирующих элементов в количестве 1-10 вес.% и противоусадочных элементов из стекловолокна в количестве 3-30%, при этом массовое отношение смеси фракций алкил-крабоновых кислот C₉-C₁₇, C₁₈-C₂₁ и C₂₂-C₂₇ составляет (0,2: 1: 1)-(2: 3: 7), а соотношение алкил-карбоновых кислот, алифатических эфиров алкил-карбоновых кислот и нетканого волокнистого материала находится в следующем диапазоне (мас.%):
смесь фракций алкил-карбоновых кислот - 0,1-5,0
алифатические эфиры алкил-карбоновых кислот - 0,05-2,0
нетканый волокнистый материал - 93,0-99,85
Для конкретных областей применения сорбента, например, если требуется изготовление рабочего органа сборщика сложной пространственной формы, целесообразно в качестве армирующих элементов использовать термопластичные полимеры на основе кремнийорганических смол и стекловолокон с ориентированным направлением волокон, с содержанием последних 1,0-3,0 вес.%, при этом использовать как противоусадочные элементы стеклянные волокна с удельной поверхностью 280 м²/кг при плотности 2500 кг/м³ и диаметре волокна 8,8 мкм.

В то же время при сборке нефти с повышенным содержанием серы и сернистых соединений целесообразно армирующие элементы изготавливать из полиэтиленовых нитей ⊘ 20 мкм с эпоксидной смолой, а в качестве противоусадочных элементов использовать стекловолокна с удельной поверхностью 200 м²/к, плотностью 2500 кг/м³ и диаметром 13 мкм в количестве 10-30 вес.%.

При использовании сорбента в качестве заграждения в водоемах с сильным течением, при сложных метеоусловиях (сильном ветре, волнении), т.е. при необходимости повышенной прочности, рекомендуется в качестве армирующих элементов применять стеклотекстолиты в количестве 3-6 вес.%, а противоусадочные элементы выполнить из штапельного стекловолокна с диаметром нитей 0,1-20 мкм в количестве 6-10 вес.%.

Сорбент для нефтеочистки готовят следующим образом:
1. Подготовка основы с активным веществом и гидрофобным компонентом:
растворение в 10 в.ч. хлороформа (пентана, гексана) смеси алкил-карбоновых кислот;
добавление в раствор фракции алифатического эфира и перемешивание смеси до полного растворения;
помещение в раствор основы и выдерживание ее в растворе в течение 1,0 - 1,5 часа;
извлечение основы из раствора и просушивание ее.

Полученная таким образом основа представляет материал с известными (принципиально) физико-химическими свойствами - это волокнистый пористый материал, весьма непрочный и не выдерживающий механических нагрузок, характерных для машинного сбора нефти.

2. Оснащение основы противоусадочными элементами:
на пропитанный и армированный нитями, например стекловолокна, слой основы накладывают слой ткани с противоусадочными свойствами.

3. Армирование пропитанной основы:
пропитанную основу равномерно прострачивают нитями, например, стекловолокона, до достижения заданной степени армирования.

Полученный таким образом сорбент обладает необходимой механической прочностью и может быть использован для сбора нефти несколько десятков циклов.

Пример 1. Для приготовления основы взято 95 кг синтетического нетканого материала Дорнит КМ 1/250, что составляет 95 мас.%.

Затем в 10 кг гексана растворили 4 кг смеси алкил-карбоновых кислот: C₉-C₁₇ - 1,0 кг, C₁₈-C₂₁ - 1,4 кг, C₂₂-C₂₇ - 1,6 кг
и алифатический эфир алкил-карбоновых кислот в количестве 1,0 кг.

После полуторачасовой выдержки в полученной смеси указанного материала его высушивают в потоке воздуха при температуре 80^oC.

Затем в полученный материал вводят противоусадочные элементы путем послойного чередования слоев пропитанного материала и сетки из стекловолокон, при этом общая масса волокон равна 16 кг, диаметр волокон составляет 10 мкм, а плотность сетки 2000 кг/м³. Количество слоев составило 12.

Следующей заключительной операцией является введение армирующих элементов, в качестве которых использовались стекловолокна диаметром 20 мкм, общей массой 5 кг. При этом осуществлялась прошивка слоев пропитанного материала и сетки, чем достигались скрепление слоев и достижение необходимой механической прочности.

Полученный сорбент используется для сбора с поверхности воды нефтепродуктов (мазута и других тяжелых фракций), причем емкость сорбента составила в среднем 42-48 кг/кг при числе циклов 35-40. Снижение емкости сорбирования составляет порядка 1,3-1,5 на цикл.

Пример 2. Использовался в качестве основы материал, применяемый в примере 1.

В массу 96,5 кг нетканого материала впрыскивается под давлением (порядка 20 атм) смесь из 3 кг алкил-карбоновых кислот и 0,5 кг алифатических эфиров этих кислот, растворенных в 20 кг хлороформа.

Затем просушенный материал сворачивается в рулон, часть его раскладывалась на столе и накрывалась сеткой из штапельного стекловолокна с диаметром нитей 5 мкм, количество слоев составило 22, при этом вес сетки составил 22,8 кг.

Прошивка осуществлялась нитями стеклотекстолита ⊘ 13 мкм и шагом 40 мм. Прошивке подвергались как отдельные слои, так и полностью сложенные 22 слоя материала. Общий вес армирующих нитей составил 8 кг. Удельная поверхность сорбента ~400 м²/кг.

Испытания готового сорбента проводились палубным оборудованием при сборке легких фракций нефтепродуктов (керосинов и лигроинов).

Емкость сорбента составляет в среднем 42-46 кг/кг, при числе циклов 23-26. Снижение емкости сорбирования с проведением каждого цикла 2-5%.

Решение по увеличению сорбционных ресурсов сорбента через увеличение аналогичных свойств основы путем введения армирующих и противоусадочных элементов позволяет использовать модернизированную основу не только в составе сорбента, содержащего активные компоненты из алкил-карбоновых кислот и алифатических эфиров алкил-карбоновых кислот, как в прототипе, но и в других решениях по сорбентам, имеющим иные решения по составам активных составляющих.

Предлагаемый сорбент на основе активных компонентов из алкил-карбоновых кислот, гидрофобных составляющих (алифатические эфиры), нетканых волокнистых натуральных или синтетических материалов, армирующих элементов и противоусадочных элементов, превосходит сорбент по прототипу за счет существенного увеличения циклов "сорбция - регенерация" - в полтора-два раза (по данным контрольных замеров соответствующих вариантов).

Адгезионное взаимодействие активных компонентов с материалом основы (волокнистым пористым носителем) выше поверхностного взаимодействия нефть-вода.

Введение двух новых составляющих добавок - армирующих и противоусадочных элементов - не влияет на это адгезионное взаимодействие, поскольку сами обладают свойствами несмачиваемости с водой. Поэтому предлагаемые сорбенты также обладают высокой сорбционной способностью к нефти и нефтепродуктам. Сорбенты практически не поглощают воду, активные компоненты, наносимые на основу, содержащую армирующие и противоусадочные элементы, не растворяются в воде, в том числе и при многократном циклировании.

Очистка загрязненных поверхностей от нефти и нефтепродуктов, использование в качестве сорбирующих элементов в инженерных машинах и нефтесборщиках. Сорбент содержит смесь фракций алкил-карбоновых кислот C₉ - C₁₇, C₁₈ - C₂₁, C₂₂ - C₂₇ при массовом отношении соответственно от 0,2:1:1 до 2:3:7, в сочетании с гидрофобным компонентом из класса алифатических эфиров алкил-карбоновых кислот RCOOR', где R' = C₁ - C₈; R = C₈ - C₁₆, C₁₇ - C₂₀, C₂₁ - C₂₈, и нетканый волокнистый натуральный или синтетический материал, в который дополнительно введены армирующие и противоусадочные элементы, при этом в качестве армирующих элементов предпочтительно используются термопластичные элементы из полимеров и стеклоткани, полимерные композиционные материалы на основе кремнийорганических смол с ориентированными направлениями волокон и стеклотекстолиты, а в качестве противоусадочных элементов предпочтительно используются стеклянные волокна с диаметром нитей от 0,1 до 20 мкм, удельной поверхностью от 200 до 400 м/кг. 3 з.п.ф-лы.

1. Сорбент нефти и нефтепродуктов, содержащий смесь фракции алкил-карбоновых кислот, алифатические эфиры алкил-карбоновых кислот RCOOR^', где R^' = С₁ - C₈, R = C₈ - C₁₆ или R = C₁₇ - C₂₀ или R = C₂₁ - C₂₈, и нетканый волокнистый натуральный или синтетический материал, отличающийся тем, что он дополнительно содержит 1 - 10 вес.% армирующих элементов и 3 - 30 вес.% противоусадочных элементов из стекловолокна, при этом он содержит смесь фракций алкил-карбоновых кислот C₉ - C₁₇C₁₈ - C₂₁C₂₂ - C₂₇, при их массовом отношении (0,2 : 1 : 1) - (2 : 3 : 7), а отношение алкил-карбоновых кислот, алифатических эфиров алкил-карбоновых кислот и нетканого волокнистого материала следующее, мас.%:
Смесь фракций алкил-карбоновых кислот - 0,1 - 5,0
Алифатические эфиры алкил-карбоновых кислот - 0,05 - 2,0
Нетканый волокнистый материал - 93,0 - 99,85
2. Сорбент по п.1, отличающийся тем, что в качестве армирующих элементов он содержит термопластичные полимеры на основе кремнийорганических смол и стекловолокон с ориентированными направлениями волокон в количестве 1,0 - 3,0 вес. %, а в качестве противоусадочных элементов - стеклянные волокна с удельной поверхностью 280 м/кг при плотности 2500 кг/м при диаметре волокна 8,8 мкм. 3. Сорбент по п.1, отличающийся тем, что в качестве армирующих элементов он содержит эпоксидную смолу и полиэтиленовые нити при диаметре нитей 20 мкм, а в качестве противоусадочных элементов - стекловолокна с удельной поверхностью 200 кг/м при плотности 2500 кг/м при диаметре нитей 13 мкм в количестве 10 - 30 вес.%. 4. Сорбент по п.1, отличающийся тем, что в качестве армирующих элементов он содержит стеклотекстолиты в количестве 3 - 6 вес.%, а в качестве противоусадочных элементов - штапельное стекловолокно с диаметром нитей 0,1 - 20 мкм в количестве 6 - 10 вес.%.