Сорбирующий материал для сбора нефтепродуктов

 

Полезная модель относится к нетканым полимерным волокнистым материалам, используемым в качестве сорбентов, в частности, к материалам для сбора нефти и жидких нефтепродуктов. Патентуемый материал представляет собой сорбирующий многослойный материал, который содержит, по меньшей мере, один слой нетканого полимерного материала и один слой электроформованных полимерных нановолокон с поверхностной плотностью 1,0-10,0 г/м2. Техническим результатом полезной модели является создание сорбирующего материала, обладающего высокой удельной сорбционной емкостью и характеризуемого высокой скоростью адсорбции жидких нефтепродуктов, при этом материал проявляет избирательную сорбционную способность - адсорбирует нефть и жидкие нефтепродукты и не сорбирует воду. 1 н.п., 6 з.п. ф-лы, 1 ил, 2 табл.

Область техники.

Полезная модель относится к нетканым полимерным волокнистым материалам, используемым в качестве сорбентов, в частности, к материалам для сбора нефти и нефтепродуктов. Полезная модель может найти применение при ликвидации аварийных разливов нефти и нефтепродуктов на поверхности воды и суши, а также использоваться в качестве изолирующих и барьерных средств на следующих объектах: бензозаправках, нефтебазах, магистральных трубопроводах, портовых сооружениях, предприятиях воздушного и морского транспорта и других предприятиях, деятельность которых связана с использованием жидких нефтепродуктов.

Уровень техники.

Волокнистые полимерные материалы применяются в качестве сорбентов наряду с порошками и гранулами. Однако волокнистые материалы являются наиболее перспективными, так как они легко размещаются на местах разливов и легко собираются после впитывания нефтепродуктов, а также являются многократно применимьми и позволяют легко регенерировать нефть и нефтепродукты для последующего использования.

Так, в патенте US 5256466 раскрывается пакет для сбора разлитых жидкостей, например машинного и смазочного масла, состоящий из нескольких примыкающих друг к другу слоев полимерного материала. Пакет сложен из перегнутого несколько раз одного листа указанного материала, имеет в поперечном сечении форму прямоугольника с соотношением ширины к высоте от 10:1 до 1:1 и способен за два часа поглотить минерального масла в 7 раз больше своего веса.

Известен сорбирующий материал для удаления загрязнений нефтепродуктами (RU 2210644), который включает два слоя, один из которых выполнен из предварительно скрепленных иглопрокалыванием полипропиленовых волокон, а второй - из полиэфирных волокон. Оба слоя скреплены между собой иглопрокалыванием. А слой из полипропиленовых волокон выполнен более плотным, чем слой из полиэфирных волокон.

Известен сорбирующий материал для сбора нефти и нефтепродуктов, выполненный в виде полимерного полотна из гидрофобных или гидрофобизованных волокон, имеющий объемную плотность от 0,01 до 0,06 г/см3 (RU 2166362).

Наиболее близкое к предложенному техническое решение раскрывается в патенте RU 2311228. В данном патенте раскрывается сорбирующий материал, который включает два слоя из волокон полипропилена, где первый слой, укладываемый на пятно нефтепродукта, выполнен из волокон диаметром не более 15 мкм, уложенных перпендикулярно поверхности материала с плотностью от 0,02 до 0,07 г/см3 , а второй слой выполнен из волокон диаметром не более 20 мкм, уложенных вдоль поверхности материала с плотностью, большей плотности первого слоя, но не превышающей 0,25 г/см3, причем толщина второго слоя материала, по меньшей мере, в два раза больше толщины первого слоя.

К недостаткам известных технических решений относится низкая удельная сорбционная емкость, низкая скорость впитывания нефтепродуктов, сложность и многостадийность изготовления, а также малая пригодность для ликвидации тонких пленок нефти и нефтепродуктов с поверхности суши и акваторий.

Раскрытие полезной модели.

Задачей полезной модели является устранение присущих известным техническим решениям недостатков.

Техническим результатом полезной модели является создание сорбирующего материала, обладающего высокой сорбционной емкостью по нефтепродуктам и высокой скоростью их сорбции, а также проявляющего избирательную сорбционную способность - адсорбирующего нефть и нефтепродукты, но не адсорбирующего воду.

Технический результат достигается сорбирующим многослойным материалом, который содержит, по меньшей мере, один слой нетканого полимерного материала и один слой электроформованных полимерных нановолокон с поверхностной плотностью 1,0-10,0 r/м 2.

В частных воплощениях полезной модели нетканый полимерный материал представляет собой термоскрепленный полипропилен, характеризуемый поверхностной плотностью 20-50 г/м2.

В других воплощениях полезной модели сорбирующий материал содержит в качестве нетканого полимерного материала материал спанлейс с поверхностной плотностью 30-100 г/м2.

В частных воплощениях сорбирующий материал содержит слои электроформованных волокон диаметром 50-500 нм.

В частном воплощении сорбирующий материал содержит слой электроформованных нановолокон из полимера Ф-42 со средним диаметром волокон 150±50 нм.

В наиболее желательном воплощении сорбирующий материал может содержать слой электроформованных нановолокон на основе полистирола плотностью 5,0-8,0 г/м2 и средним диаметром нановолокон 200±50 нм.

Сорбирующий материал может представлять собой рулонный или листовой материал, которым впоследствии при необходимости может быть придана любая требуемая форма.

Сущность полезной модели.

Использование нановолокон для сорбции нефтепродуктов позволяет получить эффективный материал с высокой сорбционной емкостью. Применение гидрофобных полимеров в качестве материала нановолокон обуславливает высокое сродство материала к нефти и нефтепродуктам. В свою очередь, высокая сорбционная емкость слоя нановолокон обусловлена следующими факторами:

1) высоким соотношением поверхности к объему в нановолокнах за счет размерного эффекта, что позволяет удерживать адсорбированные жидкости в материале;

2) капиллярным эффектом. Он позволяет эффективно собирать разлитый нефтепродукт с поверхности воды и суши;

3) наличием воздушных полостей между хаотично расположенными нановолокнами. Они позволяют задерживать адсорбированный нефтепродукт в воздушных пространствах между нановолокнами. Нетканый полимерный материал выполняет функцию основы и также служит для:

1) накопления и удерживания адсорбированных жидкостей: жидкость передается нетканому материалу от слоя нановолокон за счет капиллярного эффекта;

2) придания механической прочности материалу;

3) защиты нанослоя от механических повреждений, которую можно удвоить, если ламинировать двухслойный сорбционный материал еще одним слоем нетканого полимерного материала.

Слой нановолокон в материале характеризуется тремя параметрами: тип полимера, диаметр нановолокон и поверхностная плотность слоя нановолокон.

Наилучшие характеристики сорбирующего материала могут быть достигнуты при использовании слоя нановолокон из гидрофобных полимеров, таких как фторполимеры (фторопласты, фторкаучуки) или полистирол, а также их смеси. Подобные полимеры проявляют высокое сродство к нефтепродуктам. Технологически, ввиду особенностей получения нановолокнистого слоя, наиболее обоснованным является выбор полистирола. Кроме того полистирол дешев и массово производится.

Диаметр нановолокон должен находиться в пределах 50-500 нм. Это обусловлено, с одной стороны, технологичностью их производства, а с другой - сорбционной емкостью. Получение электроформованных волокон диаметром менее 50 нм является технологически более сложным процессом, чем получение более толстых волокон, т.к. при этом интервал всех параметров процесса электроформования (электрическое напряжение, вязкость и электропроводность формовочного раствора и т.п.) сильно сужается. Кроме того, получение волокон слишком малого диаметра негативно сказывается на общей производительности процесса электроформования. С другой стороны, при увеличении среднего диаметра волокон более 500 нм сорбционная емкость слоя нановолокон существенно снижается и становится сопоставимой с прототипом, что связано со снижением удельной поверхности нановолокон. Наиболее оптимальный с точки зрения технологичности и сорбционной емкости диаметр волокон составляет 100-300 нм.

Поверхностная плотность слоя нановолокон должна находиться в интервале 1-10 г/м2 и варьируется в зависимости от требуемой сорбционной емкости материала. При плотности менее 1 г/м2 снижается удельная сорбционная емкость материала, т.е. отношение массы адсорбированного вещества к массе адсорбирующего материала. При нанесении слоя нановолокон плотностью выше 10 г/м2 существенно снижается механическая прочность как самого слоя нановолокон, так и прочность его соединения с нетканым полимерным материалом, выполняющим функцию подложки для нанослоя.

Самые лучшие сорбционные свойства могут быть реализованы, если сорбирующий материал содержит нановолокна, полученные из смесей полистирола с фторопластом Ф-42 или фторкаучуком СКФ-26, со средним диаметром волокон 200±50 нм и плотностью слоя - 5-8 г/м2.

Нетканый полимерный материал - основа патентуемого сорбирующего материала - является производимьм в многотоннажных объемах материалом типов «спанбонд» или «спанлейс» и характеризуется типом полимера и поверхностной плотностью. В качестве нетканого полимерного материала используют материалы из микроволокон полипропилена, полиэфира или вискозы, а также их смесей.

При плотности менее 20 г/м2 механические свойства нетканого полимерного материала (далее - материала основы) неудовлетворительны, и он непригоден для использования в устройствах для ликвидации разливов нефтепродуктов. Плотность более 100 г/м2 приводит к увеличению веса изделия. Кроме того, массовая доля материала основы становится большой и, как следствие, удельная сорбционная емкость многослойного материала падает.

Предлагаемый сорбирующий многослойный материал способен впитывать гидрофобные жидкости в количестве, превышающем в 10-50 раз его собственный вес. Этот материал прост в эксплуатации: легко расстилается на поверхность разлитых гидрофобных жидкостей, быстро ее впитывает и хорошо удерживает в своем объеме. Очистка проходит по системе конвейера: пока одна часть длинной ленты из нетканого полотна с нановолокнами сорбирует нефть, другая, уже адсорбировавшая достаточное количество нефти, отжимается. Подобный метод подходит, в основном, для сбора тонких пленок.

Важное достоинство - собранная нефть может быть использована вторично.

Многослойный сорбирующий материал получают на установках электроформования со свободной поверхностью формовочного раствора. Суть метода состоит в создании разности потенциалов между электродами, один из которых находится в растворе полимера, а в непосредственной близости ко второму расположен (стационарно или протягивается) материал основы. Высокая разность потенциалов между электродами приводит к образованию неоднородностей на свободной поверхности формовочного раствора, из которых вытягиваются тонкие полимерные струи под действием электростатических сил. Полученные струи отверждаются за счет испарения растворителя, превращаясь в нановолокна, и собираются на материале основы.

Для лучшей механической защиты нанослоя, полученный материал дополнительно можно ламинировать или термоскрепить еще одним слоем нетканого полимерного материала.

Примеры осуществления полезной модели.

Пример 1.

Электроформование проводилось на промышленной установке непрерывного действия NS-1600 компании «Elmarco». Формовочный раствор - раствор полистирола (20±1% вес.) в диметилформамиде. Материал основы - спанбонд поверхностной плотности 35 г/м2 в рулонах шириной 1600 мм. Напряжение на электродах - 90 кВ. Расстояние между электродами - 20 см. Поверхностную плотность слоя нановолокон задавали путем изменения скорости протяжки материала основы - для плотности 2 г/м2 - 1,4 м/мин, 5 г/м2 - 0,6 м/мин, 10 г/м2 - 0,3 м/мин.

Поверхностная плотность слоя нановолокон определялась по увеличению веса единицы площади подложечного материала после нанесения на него слоя нановолокон. Для взвешиваний использовались весы Ohaus Explorer Pro с точностью 0,0001 г.

Диаметр нановолокон определялся на сканирующем электронном микроскопе Ne-oScope JCM 5000 производства «Jeol» с использованием программы «Image Scope». Предварительно нановолокнистый материал покрывали слоем платины на установке JFC-1600 производства «Jeol». Микрофотография слоя нановолокон, полученных согласно примеру 1 приведена на фиг.1.

Сорбционную емкость определяли по отношению к индустриальному маслу И-12А по ГОСТ 20799-88. Из материала вырезали образцы площадью 1010 см2, взвешивали и помещали на поверхность воды с разлитым маслом И-12А. Поглощение масла наблюдается в течение 5-10 с до полного насыщения, и определяли нефтеемкость по отношению веса поглощенного масла к весу сухого образца. Результаты приведены в таблице 1.

Пример 2.

Электроформование проводилось на лабораторной установке непрерывного действия NS-200 S компании «Elmarco». Формовочный раствор - раствор Ф-42 (7±1 масс.%) в диметилформамиде. Материал основы - спанлейс (70 масс.% вискозы, 30 масс.% полиэфира) поверхностной плотности 30 г/м2 в рулонах шириной 400 мм. Напряжение на электродах - 80 кВ. Расстояние между электродами - 18 см. Поверхностную плотность слоя нановолокон задавали путем изменения количества протяжек материала основы при скорости протяжки 1 м/мин. Для получения поверхностной плотности слоя нановолокон 2 г/м2 протягивали материал основы 6 раз, 6 г/м 2 - 18 раз, 8 г/м2 - 24 раза. Все измерения проводили аналогично примеру 1. Результаты приведены в таблице 1.

Пример 3.

Электроформование проводилось на лабораторной установке непрерывного действия NS-200 S компании «Elmarco». Формовочный раствор - раствор полистирола и СКФ-26 (10/1 по массе) в смеси диметилформамида и ацетона (9/1 по объему), общая концентрация 20±1 масс.%. Материал основы - спанбонд поверхностной плотности 20 г/м 2 в рулонах шириной 450 мм. Напряжение на электродах - 80 кВ. Расстояние между электродами - 19 см. Поверхностную плотность слоя нановолокон задавали путем изменения количества протяжек материала основы при скорости протяжки 1 м/мин. Для получения поверхностной плотности 1 г/м2 протягивали материал основы 2 раза, 5 г/м2 - 10 раз, 7 г/м2 - 14 раз. Все измерения проводили аналогично примеру 1. Результаты приведены в таблице 1.

После испытаний сорбционной емкости материал механически отжимали и повторно испытывали на сорбционную емкость. Такие циклы повторяли до 40 раз. Результаты приведены в таблице 2.

Пример 4.

Для эксперимента использовали материал, полученный в примере 1 с поверхностной плотностью нановолокон 10 г/м2. После процесса электроформования ламинировали полученный материал спанбондом с плотностью 35 г/м2 на ламинаторе «Reliant» с использованием клея Ровалит (расход 4 г/м2, температура ламинации 100°С). Испытаниям сорбционной емкости подвергали ламинированный материал.

Отметим, что во всех приведенных экспериментах материалы демонстрировали высокую плавучесть в воде и не тонули. Высокая плавучесть обусловлена гидрофобной природой используемых полимеров и размерным эффектом нановолокон, т.е. нановолокна проявляют повышенную гидрофобность. Масляное пятно поглощалось за 5-10 с, что говорит о высокой скорости впитывания и высокой скорости обработки масляного пятна. Кроме того, материал во всех случаях селективно впитывал масло, но не воду, с высокой эффективностью отдачи масла и возможностью многократного использования материала после простого механического отжимания. После многократного использования материал может быть применен, например, в дорожном строительстве. Таким образом, как следует из представленных результатов, предложенное техническое решение просто в осуществлении и приводит к существенному повышению потребительских свойств сорбирующего материала. Фиг.1

Сорбционная емкость сорбирующего материала по отношению к индустриальному маслу И-12А. Таблица 1.
ПримерПодложкаПолимер Диаметр нановолокон, нм Поверхностная плотность слоя нановолокон, г/м2Масса сухого образца, г Масса сорбированного масла, г Емкость, г/г Емкость, г/м2
1а 2,0±0,10,37±0,015,6±0,3 15±2560±30
Спандонд, 35 г/м2 полистирол 150±30
б 5,0±0,10,40±0,0210,0±0,4 25±31000±40
в 10,0±0,10,45±0,0317,0±0,5 38±41700±50
2а 2,0±0,10,32±0,016,0±0,3 19±2600±30
Спанлейс, 30 г/м2 200±40
б Ф-426,0±0,10,36±0,02 9,6±0,227±2960±20
в 8,0±0,20,38±0,0213,2±0,4 34±21320±40
3а 1,0±0,10,21±0,012,8±0,1 13±1280±10
Спанбонд,20 г/м2 полистирол-СКФ-26 (10/1 по массе) 170±40
б 5,0±0,10,25±0,018,4±0,2 34±3840±20
в 7,0±0,10,27±0,0212,5±0,4 48±41250±40
Спандонд, 35 г/м2+ Спандонд, 35 г/м2 (для ламинирования)
4 полистирол150±3010,0±0,1 0,80±0,0319,4±0,425±2 1940±40

Таблица 2.
Результаты многократных испытаний сорбционной емкости по отношению к индустриальному маслу И-12А материала, состоящего из спанбонда (20 г/м2) и содержащего слой нановолокон поверхностной плотности 5 г/м2, полученных из смеси полистирол-СКФ-26, диаметром 170±40 нм (материал 3б из табл.1).
Цикл Емкость, г/г
134±3
3 34±3
534±3
8 34±2
1233±2
16 33±2
2032±3
30 32±2
4031±3

1. Сорбирующий многослойный материал, отличающийся тем, что он содержит, по меньшей мере, один слой нетканого полимерного материала и один слой электроформованных полимерных нановолокон с поверхностной плотностью 1,0-10,0 г/м2.

2. Сорбирующий многослойный материал по п.1, отличающийся тем, что он содержит слой электроформованных нановолокон на основе полистирола.

3. Сорбирующий многослойный материал по п.1, отличающийся тем, что он содержит слой электроформованных нановолокон из фторопласта Ф-42.

4. Сорбирующий многослойный материал по п.1, отличающийся тем, что он содержит слой электроформованных нановолокон диаметром 50-500 нм.

5. Сорбирующий многослойный материал по п.1, отличающийся тем, что в качестве нетканого полимерного материала используется термоскрепленный полипропилен, характеризуемый поверхностной плотностью 20-50 г/м2.

6. Сорбирующий многослойный материал по п.1, отличающийся тем, что в качестве нетканого полимерного материала используется спанлейс с поверхностной плотностью 30-100 г/м2.

7. Сорбирующий многослойный материал по п.1, отличающийся тем, что он представляет собой рулонный или листовой материал.



 

Похожие патенты:

Полезная модель относится к области очистки сточных вод, в частности к устройствам для задерживания и извлечения мусора и отбросов из сточных вод

Изобретение относится к биологической очистке хозяйственно-бытовых и близких к ним по составу сточных вод и может быть использовано при очистке стоков малых населенных пунктов и небольших производств, а также в микробиологической промышленности
Наверх