STUDY OF THE EXTRACTION OF BITUMEN FROM POLLUTED SANDS WITH FT-IR SPECTROMETRY AND SPECTROPHOTOMETRY METHODS

Full Text

Нефть и нефтепродукты являются не- нефтешламов являются углеводороды и со- обходимыми элементами современной эко- единения серы. Нефтяные шламы (нефте- номики. Однако нефтедобыча сопряжена со шламы) представляет огромную опасность значительным ущербом окружающей среде, для окружающей среды, особенно в странах, проявляющимся как в разливах нефти при в которых сильно развиты нефтедобыча и авариях, так и загрязнении нефтешламами. нефтепереработка. Нефтяные шламы образуются при до- Несмотря на то, что в России суще- быче, переработке нефти - сырца. Каждый ствуют технологии, позволяющие очищать шлам индивидуален по своим характеристи- от нефти и нефтепродуктов воду и почву [2], кам, поскольку шлам при взаимодействии с а также проводить глубокую переработку различной окружающей средой меняет свои нефтешламов с обезвреживанием и макси- физико-химические показатели [1]. Они мальной рекуперацией нефти [3], в боль- представляют собой сложные физико- шинстве случаев такие загрязнения совмест- химические смеси из нефтепродуктов, меха- но с загрязнёнными фильтрами, промаслен- нических примесей из глины, песка и окис- ной ветошью и различными твёрдыми отхо- лов металлов, разбавленных водой. Основ- дами подвергаются сжиганию в специальных ными загрязняющими компонентами печах [4] или захоронению. Переработка нефтешламов является до- рогостоящей процедурой и во многих случаях © Ерофеева О. С., Курносова А. В., оказывается рентабельной только при перера- Редькин Н. А., 2017. Ерофеева Оксана Сергеевна ботке больших объёмов загрязнённой почвы (oksana_kseniya@list.ru), или воды [5]. Поэтому разработка новых спо- студент химического факультета; собов переработки нефтяных загрязнений, а Курносова Александра Владимировна также методов аналитического контроля за (alexandra.kononenko@yandex.ru), процессом очистки являются актуальными. студент химического факультета; Редькин Николай Анатольевич Целью настоящей работы была разра- (xiredn@mail.ru), ботка методики спектрофотометрического доцент кафедры аналитической контроля степени извлечения нефтепродук- и экспертной химии тов из загрязнённых грунтов с использова- Самарского университета, нием модельной смеси «битум-песок». 443086, Россия, г. Самара, Московское шоссе, 34. Вестник молодых учёных и специалистов Самарского университета. 2017. № 2 (11) 81 Условия и методы исследования битума записывались в исходном виде. Экс- Для приготовления стандартного рас- тракты упаривались досуха, а полученные твора 10 грамм битума растворяли в хлоро- осадки использовались для записи ИК спек- форме, количественно переносили раствор в тров. мерную колбу объёмом 100 мл и доводили хлороформом до метки. Получали раствор с Результаты и их обсуждение концентрацией битума в хлороформе 100 г/л. При устранении нефтяных загрязнений Этот раствор разбавляли в 10 раз хлорофор- и переработке нефтешламов наибольшие мом для получения смеси с концентрацией трудности вызывает извлечение и нейтрали- 10 г/л. зация тяжёлых углеводородов асфальтено- По 50 мл растворов битума в хлоро- вой и битумной фракций. Поэтому процесс форме с концентрациями 100 и 10 г/л поме- экстракции нефтяных загрязнений модели- щали в круглодонные колбы, в каждую из ровали с использованием смеси битума с которых добавляли по 50 г речного песка. песком. Битум выступал в качестве загрязни- Растворы оставляли стоять около часа, а за- теля, а песок выполнял роль грунта. Такой тем выпаривали хлороформ на роторном ис- подход упрощает работу в лаборатории при парителе. разработке методики, так как битум является Для моделирования процесса очистки тяжёлой фракцией нефти, состоящей из тя- использовали смеси песок-битум и с массо- жёлых углеводородов, смол и асфальтенов, вой концентрацией битума 9,09 и 0,99 % (по являющихся основными загрязнителями при приготовлению). По 2 г этих смесей вносили розливах нефтей. Также битум в отличие от в аппарат Сокслетта и экстрагировали пет- нефти имеет менее резкий запах и выделяет ролейным эфиром, бензолом и смесью 10 % меньше летучих токсичных компонентов. бензола (объёмн.) в петролейном эфире. Согласно ИК спектру (рис. 1 а), основ- Экстракцию продолжали до тех пор, пока ными компонентами битума являются угле- экстрагент, сливающийся из аппарата Сокс- водороды алифатического ряда (частоты ко- -1 летта, не обесцвечивался. лебаний 2921, 2851, 1457, 1376 см ) и аро- Подбор оптимальных условий спек- матического ряда (частоты колебаний 1696, -1 трофотометрического анализа проводили, 1603, 864 см ). Битум растворяется в непо- используя зависимости оптической плотно- лярных органических растворителях, таких сти растворов битума в петролейном эфире, как хлороформ, бензол, петролейный эфир, хлороформе и бензоле с концентрацией би- гексан, причём только при растворении в тума 0,25 г/л от длины волны. Градуировоч- хлороформе можно получить растворы с ные зависимости строили для растворов би- большой концентрацией битума. При ис- тума в хлороформе (0,4-0,05 г/л) при длине пользовании бензола или петролейного эфи- волны 380 нм. ра сначала растворяется значительная часть Для определения концентрации битума пробы битума и образуется осадок, раство- в петролейном эфире и смеси 10 % бензола с рение которого происходит только при до- петролейным эфиром, данные растворы упа- бавлении значительных количеств раствори- ривали досуха на водяной бане, затем полу- теля. Поэтому экстракцию компонентов би- ченный осадок растворяли в бензоле и запи- тума из загрязнённого песка проводили в ап- сывали оптическую плотность при длине парате Сокслетта, используя в качестве экс- волны 380 нм. Если оптическая плотность трагентов петролейный эфир, бензол и их раствора оказывалась больше, чем макси- смеси. Хлороформ для моделирования про- мальное значение по градуировочному гра- цесса очистки не использовали, так как при- фику, раствор разбавляли бензолом. менение его для очистки загрязнённых грун- Дополнительным методом исследова- тов экономически не выгодно. Использова- ния была ИК-Фурье спектрометрия. Инфра- ние бензола и петролейного эфира также яв- красные (ИК) спектры записывали на ИК- ляется дорогим, однако существует ряд де- Фурье спектрометре Spectrum 100 (Perkin шёвых нефтяных продуктов, которые пре- Elmer США) с приставкой нарушенного имущественно состоят только из смеси аро- полного внутреннего отражения. Образцы матических или смеси только алифатических 82 Химия рисунках 1 и 2 представлены спек- соединений, близких по свойствам бензолу и На петролейному эфиру соответственно. Кроме тры исходного битума, а также спектры со- того, в отличие от хлороформа, компоненты единений, экстрагируемых бензолом и пет- этих нефтяных продуктов могут быть легко ролейным эфиром. переработаны. Рис. 1. ИК спектры исходно битума (а), компонентов, извлечённых бензолом из загрязнённого песка (б), и компонентов, извлечённых хлороформом после извлечения бензолом (в) Рис. 2. ИК спектры исходно битума (а), компонентов, извлечённых петролейным эфиром из загрязнённого песка (б), и компонентов, извлечённых хлороформом после извлечения петролейным эфиром (в) Вестник молодых учёных и специалистов Самарского университета. 2017. № 2 (11) 83 Рис. 3. Зависимость оптической плотности от длины волны для раствора битума с концентрацией 0,25 г/л в бензоле и чистого бензола Рис 4. Градуировочный график для определения концентрации битума в бензольных растворах Эти спектры близки между собой, что пользовались смеси петролейного эфира с позволяет предполагать пригодность этих 10 % бензола. экстрагентов для очистки грунтов. После Количественное определение степени экстракции битума из песка бензолом, пет- извлечения компонентов битума проводили ролейным эфиром или их смесями, проводи- с использованием метода спектрофотомет- ли дополнительную экстракцию хлорофор- рии. Подбор оптимальных условий количе- мом (рис. 1 в, 2 в). Из этих спектров следует, ственного спектрофотометрического опре- что петролейный эфир практически не экс- деления битума проводили с использовани- трагирует ароматические соединения, в то ем зависимостей оптической плотности время как при экстракции бензолом извле- растворов от длины волны. В качестве каются как ароматические, так и алифатиче- стандартного использовали раствор битума ские соединения. Учитывая, что ароматиче- с концентрацией 0,25 г/л. Пример такой за- ские соединения более дорогие, чем алифа- висимости для растворителя - бензола тические, нами также для экстракции ис- представлен на рисунке 3. 84 Химия Таблица 1 Оценка качества очистки песка от битума Концентрация би- Масса биту- Масса битума Степень Экстрагент тума в грунте, % ма в смеси, г извлечённая, г очистки, % петролейный эфир 9,09 0,1827 0,0692 37,88 петролейный эфир 0,99 0,0207 0,003 14,49 бензол 9,09 0,3709 0,1486 40,06 бензол 0,99 0,0335 0,01296 38,69 10 % бензола в 9,09 0,1903 0,050 26,27 петролейном эфире 10 % бензола в 0,99 0,0246 0,0092 37,40 петролейном эфире Поглощение битума наблюдается в тума, извлечённого при экстракции. Резуль- ультрафиолетовой области спектра, при- таты спектрофотометрического анализа поз- чём при более высоких значениях длины волили оценить степень очистки грунта от волны излучения, чем для используемых битума (табл. 1). нами растворителей. Характер кривых по- Степень очистки бензолом при любых глощения показывает, что для любого из концентрациях битума в грунте оказывается этих растворителей можно составить гра- выше, чем в случае петролейного эфира. дуировочные графики. Для упрощения Также во всех случаях экстракция битума процедуры анализа градуировочные гра- происходит более полно из образцов, содер- фики были построены с использованием жащих меньшее количество загрязнителя. бензола в качестве растворителя, так как Вместе с тем, в приведённых исследованиях он растворяет битум лучше, чем петро- степень извлечения тяжёлых нефтяных лейный эфир. Использование же хлоро- остатков из песка не превышает 40 %, что форма не очень удобно, так как для такого требует усовершенствования данного подхо- принципе. анализа необходимо выпаривать пробы, да в растворённые как в бензоле, так и в петро- лейном эфире, а затем растворять их в Заключение хлороформе. При использовании бензола Таким оразом, нами подобраны замены растворителя необходимо прово- условия извлечения тяжёлых нефтепро- дить только для экстрактов петролейным дуктов из грунтов на примере анализа эфиром, что упрощает процедуру пробо- модельной смеси песок-битум. Изучены ИК подготовки. На рисунке 4 представлен тип спектры извлекаемых и неэкстрагируемых градуировочной зависимости и сам граду- бензолом, петролейным эфиром или их ировочный график. смесями продуктов. Также подобраны Для измерения оптической плотности условия спектрофотометрического опреде- бензольных экстрактов их разбавляли бензо- ления концентрации битума в бензоле. лом так, чтобы оптическая плотность нахо- С использованием градуировочного графика дилась в пределах градуировочной зависи- определены концентрации битума в мости. Экстракты в петролейном эфире и экстрактах. Показано, что степень очистки смеси бензол-петролейный эфир упаривали бензолом при любых режимах и концентра- досуха, полученные осадки растворяли в циях битума в грунте оказывается выше, чем бензоле, количество которого подбирали в случае петролейного эфира. Во всех случа- экспериментально так, чтобы значение опти- ях извлечение битума лучше происходит из ческой плотности находились в пределах образцов, содержащих меньшее количество градуировки. Затем рассчитывали массу би- загрязнителя.

About the authors

Oksana Sergeevna Erofeeva

Samara University

Email: oksana_kseniya@list.ru
443086, Russia, Samara, Moskovskoye Shosse, 34

Alexandra Vladimirovna Kurnosova

Samara University

Email: alexandra.kononenko@yandex.ru
443086, Russia, Samara, Moskovskoye Shosse, 34

Nikolay Anatol’evich Redkin

Samara University

Email: xiredn@mail.ru
443086, Russia, Samara, Moskovskoye Shosse, 34

References

Supplementary files