Сорбент на основе модифицированной хлопчатобумажной ткани Российский патент 2025 года по МПК B01J20/26 B01D39/04 C08F220/18 

Изобретение относится к технологии получения сорбентов для поглощения масел, нефтепродуктов и может быть использовано в нефтеперерабатывающей, нефтехимической, химической, пищевой отраслях промышленности для очистки вод от нефти, разделения смесей нефтепродуктов и масел с водой.

Известен сорбент (патент RU 2754806, МПК B01J 20/26, 07.09.2021), включающий пенообразователь (алкилбензолсульфокислота), уголь БХПО (продукт биохимической переработки природного угля), отвердитель и воду. Сорбционная способность по нефти составила 19 г/г, 42 г/г и 37 г/г в зависимости от концентрации карбамидоформальдегидной смолы в полученной композиции.

Недостатком сорбента является его хрупкость (разрушающее напряжение от 0,55 до 0,81 МПа) и токсичность, вследствие содержания формальдегида.

Известен сорбционный материал на основе нетканого волокнистого материала, полученный путем модификации гидрофобными компонентами из класса алифатических эфиров алкилкарбоновых кислот (патент RU 2132225, МПК B01J 20/00, B01J 20/22, 27.06.1999). Сорбционная емкость сорбента по маслу составила в среднем 42-48 г/г при числе циклов 35-40. Снижение емкости сорбирования составило порядка 1,3-1,5 кг/кг на цикл.

Недостатками сорбента является необходимость введения в состав армирующих добавок в виде термопластичных элементов из полимеров и стеклоткани, полимерных композиционных материалов на основе кремнийорганических смол и стеклотекстолиты, а так же противоусадочных добавок в виде стеклянных волокон.

Известен сорбент на основе полиуретановой губки, модифицированной 3,5-бис(трифторметил)бензолдиазоний тозилатом (ДС-СБэ) и наполненной магнитными наночастицами предварительно модифицированных солью диазония (Guselnikova, O. Magnetic Polyurethane Sponge for Efficient Oil Adsorption and Separation of Oil from Oil-in-Water Emulsions / O. Guselnikova, Barras, A., Addad, A., Sviridova, E., Szunerits, S., Postnikov, P., & Boukherroub, R. // Separation and Purification Technology, - 2020. - Vol. 240. - P. 8). Сорбционная способность полученной губки по отношению к рапсовому маслу составила от 23 г/г до 50 г/г.

Недостатком данного сорбента является многоступенчатый процесс его получения материала и необходимость применения дорогостоящих реагентов в процессе модификации магнитных наночастиц.

Известен сорбент для очистки воды от нефтяных загрязнений в виде волокнистых матов на основе полиметилметакрилата и нанопорошка железа с гидрофобной оболочкой (S. Barroso-Solares, Oil removal from water-oil emulsions using magnetic nanocomposite fibrous mats / S. Barroso-Solares, M. G. Zahedi, J. Pinto, G. Nanni, D. Fragouli, A. Athanassiou // The Royal Society of Chemistry 20xx- 2013- p. 8). Водопоглощение полученного сорбента составляет от 1,76 г/г до 2 г/г, а сорбционная способность к маслу 21,2 г/г.

Данный сорбента имеет ряд недостатков: многоступенчатый и сложный процесс получения наночастиц железа, использование токсичных и дорогостоящих реагентов, высокая сорбционная способность по отношению к воде.

Наиболее близким техническим решением к заявленному является сорбент на основе хлопчатобумажной ткани (K. Hou, Y. Zeng, C. Zhou, J. Chen, X. Wen, S. Xu, J. Cheng, P. Pi, Facile generation of robust POSS-based superhydrophobic fabrics via thiol-ene click chemistry, Chem. Eng. J. 332 (15) (2018) 150-159), модифицированной в растворе 3-меркаптопропилтриэтоксисилана, а затем в растворе метакрилгептаизобутилполиэдрического олигомерного силсесквиоксана с 2-гидрокси-2-метилпропиофеноном в дихлорметане в качестве растворителя. Для формирования покрытия использовали УФ обработку с длиной волны 360 нм. Сорбционная способность полученного сорбента по отношению к маслу составляет 2,2 г/г.

Недостатками данного сорбента является сложный многоступенчатый процесс модификации хлопчатобумажной ткани, предварительный синтез силоксанов и использование токсичных реагентов.

Задачей предлагаемого изобретения является разработка эффективного сорбента на основе хлопчатобумажной ткани с гидрофобными и олеофильными свойствами для избирательного поглощения масла и нефтепродуктов.

Техническим результатом является придание хлопчатобумажной ткани избирательной смачиваемости: уменьшение влагопоглощения (за счет повышения гидрофобных и олеофильных свойств) с сохранением сорбционной способности по отношению к маслу.

Технический результат достигается при использовании сорбента на основе модифицированной хлопчатобумажной ткани, при этом хлопчатобумажная ткань модифицирована 3 масс.% раствором предварительно полученного сополимера глицидилметакрилата с 2,2,3,3,4,4,4-гептафторбутилметакрилатом и стеарилметакрилатом с мольным соотношением мономерных звеньев равным 1:2:1, соответственно, в метилэтилкетоне.

Сущность изобретения заключается в сорбенте с избирательной смачиваемостью для удаления нефтяных и масляных загрязнений при очистке воды, включая промышленную. В качестве материала для сорбента используется хлопчатобумажная ткань модифицированная сополимером на основе глицидилметакрилата (ГМА), стеарилметакрилата (СМА) и 2,2,3,3,4,4,4-гептафторбутилметакрилата (ГБМА), при мольном соотношении мономеров ГМА : ГБМА : СМА равном 1:2:1.

Модифицированная хлопчатобумажная ткань сополимером поли-(ГМА-со-ГБМА-со-СМА) позволяет достигнуть комбинации супергидрофобных и олеофильных свойств сорбента. ГМА в составе смеси, благодаря наличию эпоксидных циклов, способен к взаимодействию с гидроксильными группами хлопчатобумажной подложки. Длинная алкильная группа в составе СМА придаёт поверхности гидрофобные свойства и, одновременно, олеофильные, то есть обеспечивает сродство к маслу. Введение в состав сополимера третьего сомономера ГБМА, обладающего низкой поверхностной энергией, позволяет усилить водоотталкивающие свойства покрытия.

Сорбент получают следующим образом. Синтез сополимера глицидилметакрилата с 2,2,3,3,4,4,4-гептафторбутилметакрилатом и стеарилметакрилатом с мольным соотношением звеньев 1:2:1, соответственно, проводят в метилэтилкетоне при 70°С в течение 24 часов. В 10,76 мл метилэтилкетона растворяют инициатор азобисизобутиронитрил (0,0077 г; 0,047 ммоль), затем продувают аргоном в течение 20 минут и при перемешивании добавляют глицидилметакрилат (0,5 г, 3,5 ммоль), 2,2,3,3,4,4,4-гептафторбутилметакрилат (1,8769 г, 7 ммоль) и стеарилметакрилат (1,1850 г, 3,5 ммоль). Полученную реакционную смесь выдерживают при 70°С в течение 24 часа. Полимер высаживают в ледяной метанол, отфильтровывают на колбе Бунзена и сушат при пониженном давлении 24 ч.

В качестве основы сорбента используют хлопчатобумажную ткань - полотно гладкого полотняного переплетения с плотностью 140-145 г/м². Образцы хлопчатобумажной ткани помещают в 3 масс.% раствор полученного сополимера в метилэтилкетоне (МЭК). Через 60 минут образец вынимают и термостатируют при 140°C в течение 60 мин. Образцы отмывают в МЭК, сушат при 80°C.

Сорбционную емкость сорбента оценивали по стандарту ASTM F726-12 по изменению массы образцов после помещения в емкость с соответствующей жидкостью (масло или воду). Перед проведением испытания образцы сорбента сушили при 80 °С до постоянной массы (начальная масса m₀). Образец массой 0,1±0,01 г погружали в бюкс объемом 100 мл, заполненный 50 мл тестовой жидкости. Через 15 минут и 24 часа после начала испытания образец вынимали из емкости и помещали на металлическую решетку на 30 секунд для стекания излишков жидкости. Величину сорбционной емкости С вычисляли по формуле:

где m_i - масса образца через 15 минут (24 часа) после начала испытания и 30 секунд стекания на решетке, г;

m₀ - начальная масса образца, г.

Сорбционная емкость сорбента по отношению к маслу и воде представлена в таблице.

Таблица

Сорбент Контактный угол смачивания, ° Сорбционная емкость, г/г Маслопоглощение Водопоглощение 15 мин 24 ч 15 мин 24 ч Хопчатобумажная ткань (ХБТ) смачивается 3,32±1,00 3,32±2,00 3,36±1,00 3,00±2,00 ХБТ, модифицированный сополимером поли-(ГМА-со-ГБМА-со-СМА) 167±2 3,08±0,29 3,01±0,16 0,18±0,04 0,31±0,1 Прототип 159 2,2 -

Данные таблицы показывают, что заявляемый сорбент на основе модифицированной хлопчатобумажной ткани обладает супергидрофобными и олеофильными свойствами, что видно из результатов определения сорбционной емкости. Исходные образцы одинаково хорошо впитывают и масло, и воду (примерно 3,3 г/г), а для модифицированных образцов показатель водопоглощения уменьшается. При этом модификация полимерным составом не закрывает поры материала и обеспечивает сохранение маслопоглощения. Таким образом, сорбент обладает эффективной сорбционной емкостью по отношению к маслу и обеспечивает избирательное поглощение масла из эмульсий типа масло в воде.

Таким образом, сорбент на основе модифицированной хлопчатобумажной ткани, в котором хлопчатобумажная ткань модифицирована 3 масс.% раствором предварительно полученного сополимера глицидилметакрилата с 2,2,3,3,4,4,4-гептафторбутилметакрилатом и стеарилметакрилатом с мольным соотношением мономерных звеньев равным 1:2:1, соответственно, в метилэтилкетоне, обеспечивает хлопчатобумажной ткани избирательную смачиваемость: уменьшение влагопоглощения (за счет повышения гидрофобных и олеофильных свойств) с сохранением сорбционной способности по отношению к маслу.

Изобретение может быть использовано в нефтеперерабатывающей, нефтехимической, химической, пищевой отраслях промышленности для очистки вод от нефти, разделения смесей нефтепродуктов и масел с водой. Предложен сорбент на основе хлопчатобумажной ткани, модифицированной 3 мас.% раствором сополимера глицидилметакрилата с 2,2,3,3,4,4,4-гептафторбутилметакрилатом и стеарилметакрилатом в метилэтилкетоне. Изобретение позволяет уменьшить влагопоглощение хлопчатобумажной ткани за счет повышения гидрофобных и олеофильных свойств с сохранением сорбционной способности по отношению к маслу. 1 табл., 1 пр.

Сорбент на основе модифицированной хлопчатобумажной ткани, отличающийся тем, что хлопчатобумажная ткань модифицирована 3 мас.% раствором предварительно полученного сополимера глицидилметакрилата с 2,2,3,3,4,4,4-гептафторбутилметакрилатом и стеарилметакрилатом с мольным соотношением мономерных звеньев, равным 1:2:1 соответственно, в метилэтилкетоне.