Сорбирующий композиционный материал

Изобретение относится к материалам для очистки от разливов нефти и нефтепродуктов. Материал включает два внешних слоя, состоящих из полиэфирных волокон и бикомпонентных полиэфирных волокон, и промежуточный слой, состоящий из полипропиленовых волокон. Объемная плотность внешних слоев составляет 8-20 кг/м³, диаметр волокон 20-30 мкм, объемная плотность промежуточного слоя составляет 45-60 кг/м³, диаметр волокон 5-18 мкм. Слои скреплены между собой термически. Технический результат заключается в повышении емкости по нефти и нефтепродуктам, плавучести и удерживающей способности. 2 пр.

 

Изобретение относится к сорбентам нефти и нефтепродуктов и может быть использовано при очистке от разливов нефти и нефтепродуктов как водных, так и твердых поверхностей как для удаления аварийных разливов, так и в качестве превентивной меры. Указанный материал возможно использовать на всех объектах, связанных с добычей и транспортировкой (в том числе, на подводных трубопроводах) нефти.

Аварийные разливы нефти в настоящее время представляют собой серьезную проблему, поскольку нефть является высокотоксичным соединением для живых организмов. Учитывая возрастающие объемы добычи нефти, в том числе при освоении шельфов, указанная проблема является особенно острой, а совершенствование сорбционных методов очистки как наиболее эффективных в ряду физико-химических способов, является актуальной задачей.

Известен сорбирующий материал (RU №2210644, 2003), имеющий два слоя: полипропиленовые и полые силиконизированные полиэфирные волокна. К недостатку данного материала можно отнести двуслойность материала, а также

необходимость дополнительной силиконизации волокон для придания плавучести сорбенту. Процесс производства указанных силиконизированных волокон является сложным.

Более близким к изобретению является сорбирующий материал для удаления загрязнения нефтепродуктами (RU №2182939, 2002). Данный материал имеет два наружных волокнистых слоя, содержащих полипропиленовые волокона и скрепленный с этими слоями промежуточный волокнистый слой, содержащий полипропиленовые или полиэфирные волокна и имеющий плотность более низкую, чем плотность наружных волокнистых слоев. Волокна наружных и промежуточного волокнистых слоев и все слои скреплены между собой термически, каждый из волокнистых слоев дополнительно содержит бикомпонентные полиэфирные волокна, причем содержание бикомпонентных волокон в каждом из наружных волокнистых слоев выше содержания этих волокон в промежуточном волокнистом слое.

Недостаток данного материала заключается в низком значении объемной плотности наружных волокнистых слоев (0,35-0,40 г/м³) и промежуточного волокнистого слоя (0,20-0,24 г/м³) и, как следствие, значительной рыхлости. При указанной плотности поглощение нефтепродуктов данной структурой происходит в основном за счет большого размера межволоконных пространств. В этом случае поглощенное вещество не может удерживаться в сорбенте только за счет адгезии на волокнах, и при извлечении материала с места разлива большая часть нефтепродукта вытекает под действием сил собственной тяжести, начиная с первой минуты. Указанное приводит к ухудшенным значениям сорбционной емкости по отношению к нефти и нефтепродуктам, предположительно не превышающим значения 12-15 г загрязнителя на 1 г сорбента. Кроме того, при указанных параметрах объемной плотности материал является рыхлым, что затруднит его способность к восстановлению структуры и, следовательно, регенерацию отжимом - предположительно не более двух циклов. В результате материал должен обладать ухудшенными значениями сорбционной емкости по отношению к нефти и нефтепродуктам, предположительно не превышающими значения 12-15 г загрязнителя на 1 г сорбента. К недостаткам изобретения следует отнести также необходимость варьирования показателя поверхностной плотности слоев в очень узких пределах (например, 0,24 г/м³; 0,22 г/м³; 0,35 г/м³; 0,4 г/м³) при необходимости сбора фракций нефтепродуктов - средних, легких и тяжелых - что является весьма затруднительным фактором, особенно при производстве материала в промышленных масштабах.

Задача изобретения состоит в получении эффективного универсального материала для сбора аварийных нефтеразливов, соответствующего всем требованиям, предъявляемым к нефтяным сорбентам: высокие емкостные характеристики по нефти и нефтепродуктам, плавучесть, хорошие удерживающие способности и возможность многократного использования.

Поставленная задача достигается описываемым сорбирующим композиционным материалом для удаления нефти и нефтепродуктов, включающим два внешних слоя, состоящих из полиэфирных волокон и бикомпонентных полиэфирных волокон, и промежуточный слой, состоящий из полипропиленовых волокон, причем объемная плотность внешних слоев составляет 8-20 кг/м³, диаметр волокон 20-30 мкм, объемная плотность промежуточного слоя 45-60 кг/м³, диаметр волокон 5-18 мкм и все слои скреплены между собой термически.

Технический результат заключается в повышении эффективности сорбента, в частности в повышении его емкостных характеристик по нефти и нефтепродуктам (сорбционная емкость составляет не менее 25 г/г сорбента), плавучести (не менее суток), удерживающих способностей (не менее 5 минут), возможностей многократного использования (не менее 5 циклов регенерации с извлечением не менее 90% сорбата в первом цикле).

Внешние слои описываемого сорбента обладают более высокими емкостными характеристиками по отношению к нефти и нефтепродуктам, чем промежуточный волокнистый слой. Функция полипропиленовой составляющей заключается в том, что гидрофобные по химической природе волокна придают необходимую плавучесть всей структуре. Сорбирующая и удерживающая способности нетканых материалов в большей степени зависят от площади поверхности волокон и диаметра пор межволоконного пространства. Поэтому для придания сорбенту высоких емкостных характеристик волокна внешних слоев диаметром 20-30 мкм на основе полых спирально извитых полиэфирных волокон в совокупности с бикомпонентными полиэфирными волокнами формируют в холст с объемной плотностью 8-20 кг/м³. Промежуточный гидрофобный слой представляет собой хаотично уложенные полипропиленовые волокна диаметром 5-18 мкм, объемная плотность слоя составляет 45-60 кг/м³. Таким образом, размеры пор внешних слоев значительно превышают поры промежуточного слоя.

Под термином «бикомпонентное волокно» подразумевают волокно типа «ядро-оболочка», в котором «ядро» выполнено из полиэфирного полимера, а «оболочка» является полиэтиленом. При этом температура плавления «оболочки» ниже, чем у «ядра».

Полиэфирные волокна формуют из расплавов различных полимеров, в частности из расплава полиэтилентерефталата, полибутилентерефталата, поликарбоната, полиакрилата и других.

Материал с данной плотностью содержит в своей структуре поры (межволоконное пространство) оптимального размера, позволяющего сорбенту не только насыщаться за минимально короткий срок и удерживать поглощенное вещество, но и «отдавать» около 90% нефти или нефтепродукта при отжиме. Дополнительным преимуществом, способствующим увеличению сорбции загрязнителя, является использование полых волокон внешнего слоя. Вертикальная укладка волокон внешнего слоя, каждое из которых представляет собой маленькую пружинку, придает материалу улучшенную восстанавливаемость объема при регенерации материала отжимом. Материал стремится восстановить свою форму, направляя усилия непосредственно в сторону давления, тем самым обеспечивается отличная восстанавливаемость материала. Меньшая объемная плотность внешних слоев 8-20 кг/м³ по сравнению с внутренним слоем 45-60 кг/м³ позволяет быстро сорбировать водонефтяную эмульсию, из которой далее углеводороды более избирательно поглощаются и удерживаются внутренним слоем.

Схема применения изобретения заключается в следующем: для извлечения нефтяных углеводородов из водных сред сорбирующее полотно укладывается на поверхность нефтяной пленки, пленки нефтепродуктов или водно-органической эмульсии. В результате волнения водной среды сорбент погружается в толщу эмульсии, где происходит избирательная адсорбция нефти из смешанной среды на полимерных волокнах. При этом промежуточный слой гидрофобных олеофильных полипропиленовых волокон не дает материалу погрузиться на дно и также участвует в процессе адсорбции. При ликвидации нефтяных пленок с поверхности воды в стоячих водоемах сорбирующее полотно расстилается на поверхность нефтяного пятна. Поскольку слои материала отличаются гидрофобно-гидрофильными свойствами, внешний слой полиэфирных волокон погружается в воду, а сорбция нефти происходит на олеофильных гидрофобных полипропиленовых волокнах. Материал является универсальным сорбентом, позволяющим собирать углеводороды легких, средних и тяжелых фракций нефти, а также нефтепродукты.

Сорбент обладает высокими емкостными характеристиками: материал позволяет собирать нефть и нефтепродукты с твердых поверхностей или с поверхности акваторий в количестве, превышающем не менее чем в 25 раз собственный вес, и удерживать вещество при удалении материала с места разлива.

Описываемый сорбент, имеющий указанные характеристики, обладает не только высокой нефтеемкостью, но и возможностью многократного использования при регенерации отжимом. Данный материал износостоек, что позволяет многократно его отжимать, извлекая нефть для дальнейшего использования, а сорбент использовать повторно.

Приведенные примеры иллюстрируют, но не ограничивают данный способ.

Пример 1

Для сбора тонких пленок нефти и нефтепродуктов с водной поверхности используют материал, в котором внешние слои, содержащие полые полиэфирные волокна, формуемые из расплава полиэтилентерефталата, в совокупности с бикомпонентными волокнами имеют объемную плотность 20 кг/м³ и диаметр волокон 20 мкм, а внутренний (промежуточный) слой полипропиленовых волокон имеет плотность 45 кг/м³, диаметр волокон 5 мкм. Указанный материал помещают на участок загрязненной акватории. Сорбент, имеющий указанные характеристики, обладает сорбционной емкостью 25 г нефти (плотность 823 кг/м³) на 1 г сорбента, плавучестью не менее суток, временем удержания сорбата не менее 10 минут при удалении сорбента с сорбатом с поверхности акватории, регенерацией отжимом не менее 5 циклов.

Пример 2

Для сбора нефти и нефтепродуктов с твердой поверхности используют материал, в котором внешние слои, содержащие полые полиэфирные волокна, формуемые из расплава поликарбоната, в совокупности с бикомпонентными волокнами имеют объемную плотность 8 кг/м³ и диаметр волокон 30 мкм, а внутренний слой полипропиленовых волокон имеет плотность 60 кг/м³, диаметр волокон 18 мкм. Указанный материал помещают на участок загрязненной акватории. Сорбент, имеющий указанные характеристики, обладает сорбционной емкостью 30 г нефти (плотность 823 кг/м³) на 1 г сорбента, временем удержания сорбата не менее 10 минут при удалении сорбента с сорбатом с поверхности акватории, регенерацией отжимом не менее 7 циклов.

Использование других полиэфирных волокон приводит к аналогичным результатам.

Материалы с указанным диапазоном поверхностной плотности слоев и диаметром волокон способны к быстрой сорбции нефти и нефтепродуктов. Применение материалов большей плотности затрудняет процесс сорбции, вследствие чего будет снижена сорбционная емкость сорбента и затруднено отжатие при регенерации сорбента, а уменьшение поверхностной плотности по сравнению с указанным приводит к ухудшению удерживающей способности сорбента по отношению к нефти и нефтепродуктам.

Таким образом, описываемый сорбирующий материал обладает высокими емкостными характеристиками, в частности позволяет собирать нефть и нефтепродукты с твердых поверхностей или с поверхности акваторий в количестве, превышающем не менее чем в 25 раз собственный вес, удерживать длительное время сорбат при удалении его с места разлива. Указанный материал возможно использовать многократно, что приводит к повышению эффективности его применения. Обладая высоким сродством к нефти и нефтепродуктам, сорбент способен поглощать нефтяные пленки различной толщины, а также избирательно извлекать нефть из водно-органических эмульсий. Одной из сфер применения сорбента является также извлечение нефти и нефтепродуктов из смешанных сред в качестве фильтрующего материала при очистке балластных вод судов, сточных вод и т.д. Особенностью материала является возможность его применения в подводных условиях.

Сорбирующий композиционный материал для удаления нефти и нефтепродуктов, включающий два внешних слоя, состоящих из полиэфирных волокон и бикомпонентных полиэфирных волокон, и промежуточного слоя, состоящего из полипропиленовых волокон, причем объемная плотность внешних слоев составляет 8-20 кг/м³, диаметр волокон 20-30 мкм, объемная плотность промежуточного слоя составляет 45-60 кг/м³, диаметр волокон 5-18 мкм и все слои скреплены между собой термически.