Использование наноструктурированных адсорбентов для рафинации растительного масла

Одним из приоритетных направлений развития современной технологии очистки водных сред от токсичных и вредных веществ является создание новых дешевых и эффективных адсорбентов. Анализ литературных данных показал, что используемые в настоящее время адсорбенты для очистки сточных вод от жиров, нефтепродуктов и органических веществ имеют высокую стоимость,  сложные технологии получения и регенерации [1].

Поэтому поиск и создание новых, дешевых и эффективных адсорбентов, в особенности на основе отходов, является  актуальной задачей. Источником  сырья для получения адсорбентов могут служить образующиеся в значительных количествах твердые отходы пищевой и перерабатывающей промышленности. Для производства адсорбционных материалов Украина имеет достаточную сырьевую базу, технологическую и техническую возможности. Растительные отходы ─ опилки, щепа, овсяная, гречишная, подсолнечная и рисовая лузга, кукурузные  кочережки, фруктовые косточки и др. относятся к вторичным материальным ресурсам, которые не подлежат регенерации. С другой стороны,  в сравнении с другими видами отходов, их запасы постоянно пополняются. Растительные отходы  могут стать заменителями многих материалов не только за счет обновления ресурсов, а и благодаря тому, что по структуре они обладают  комплексом свойств, благодаря которым из них получают практически все те же материалы, что и получают из угля, нефти и газа.

Нами с использованием методики [2]  получен адсорбент на основе растительных отходов, а именно, лузги гречихи.Перспективность использования последней обусловлена тем, что основными химическими компонентами этого отхода являются:  целлюлоза –34%, гемицеллюлозы –30%, лигнин – 17% и экстрактивные вещества. Фибриллярное строение целлюлозы и лигнина характеризуется довольно развитой пористой структурой, что определяет механическую прочность сырья. Гемицеллюлозы представляют собой смеси полисахаридов (пентозанов и гексозанов), имеющие способность к гидролизу под воздействием кислот.

Результаты проведенного нами электронно-микроскопического  исследования  показали, что частицы адсорбента разнообразны не только по размеру, но и по форме. Основная фракция (до 70%) представлена микрочастицами размерами 1,0–2,0 мкм. Значительно меньшее количество (около 20%) ультрамикрочастиц, размер которых лежит в пределах 0,5 – 1,0 мкм. Наряду с незначительным количеством (до 10%) мезочастиц диаметром  2,0 –  3,0 мкм встречаются достаточно большие агрегаты, состоящие в основном  из микрочастиц. Выявлены микропоры диаметром более 0,005 мкм, переходные поры, размером менее 0,05 мкм и макропоры (0,05-0,5 мкм). Известно, что макропоры и переходные поры играют, как правило, роль транспортных каналов, а адсорбционную способность определяет, в основном микропористая структура, которая является  важным показателем адсорбента. Используемая нами технология приводит к получению адсорбентов, значительно отличающихся структурно, так как формирование свободных пор происходит непосредственно во время синтеза, в отличие от активированных углей, для которых требуется дополнительная стадия удаления смол и продуктов неполного сгорания, образующихся при их получении. Это значительно улучшает технологичность получения адсорбента, что при больших объемах его использования может иметь значительный  экономический эффект [3].

Улучшение микропористости структуры адсорбента, а, следовательно, и увеличение его адсорбционной способности возможно при использовании нанотехнологий. Наиболее общей кинетической закономерностью формирования наноразмерных частиц является сочетание высокой скорости зарождения кристаллической фазы с малой скоростью ее роста. Именно эти особенности определяют технологические пути  получения  наночастиц. Один из методов, позволяющих получать наноматериалы, является механохимический синтез [4], то есть получение  частиц путем агрегации отдельных атомов,  что позволяет рассматривать единичные атомы как нижнюю границу нанохимии. Верхняя граница определяется количеством атомов в кластере, когда дальнейшее увеличения размера частиц не ведет к качественным изменениям химических свойств. При этом происходит механическая обработка адсорбента, в результате которой происходит измельчение и пластическая деформация веществ. Измельчение материалов сопровождается разрывом химических связей, что предопределяет возможность последующего образования новых связей, то есть протекания механохимических реакций. Механическое воздействие при измельчении материалов является импульсным; при этом возникновение поля напряжений и его последующая релаксация происходят не в течение всего времени пребывания частиц в реакторе, а только в момент соударения частиц и в короткое время после него. Механохимическим способом можно получать порошки с размером частиц от 200 до 10 нм.

Для улучшения адсорбционных свойств адсорбента целесообразно добиться разрыва Ван дер Ваальсовских сил, возникающих вследствие  электростатического взаимодействия диполей. С этой целью нами проведено измельчение адсорбента на мельнице РМ-120, получен гранулометрический состав в диапазоне 0,05-0,1 мм.  Электронная микроскопия адсорбента показала наличие микропор размером порядка 0,5 нм, дисперсность -10 нм. Это способствует увеличению удельной поверхности и, как следствие, повышению адсорбционной активности (рис.1,2).

Рис. 1. Дисперсность наноадсорбента

Рис. 2. Микроструктура поверхности адсорбента

На рисунках 1 и 2 видно, что встречаются как однородные частицы, представляющие собой  шаровидные, остроугольные, нитевидные образования, так и  агрегированные, состоящие из нескольких  зерен, в которых просматриваются отверстия  размером 8 нм. Они могут представлять собой поры переходного размера. Были определены  физико-химические параметры наноадсорбента на основе гречаной лузги (табл.1)

Таблица 1 –  Физико-химические параметры адсорбента

Адсорбционную способность определяли  по отбелке подсолнечного масла  при температуре 25˚С в течении часа. Навеска адсорбента составляла 1% от объема масла. В качестве контрольного показателя адсорбции определяли пероксидное (ПЧ) и кислотное число (КЧ) в соответствии с методиками [5]. Значения КЧ и ПЧ уменьшились по сравнению с исходным маслом и составили  КЧ= 1,5 мг КОН/г и ПЧ=1,8 ½ ммоль О/кг. Кроме того, были выведены  из масла пигментные вещества, которые несут ответственность за цвет масла (цвет изменился из коричневого к светло-желтого). Полученный адсорбент снижает содержание фосфолипидов на 92 %, свободных жирных кислот –    70 %,  пероксидних соединений – 65 %,  цветных веществ – 60 % и уменьшает содержание ионов металлов (табл. 2).

Таблица 2 – Качественные показатели адсорбционной очистки подсолнечного масла

Исследовали возможность очистки сточных вод от ионов тяжелых металлов, а именно железа и цинка. В условиях щелочной среды  (рН = 9) увеличение адсорбционной способности по ионам железа и цинка происходит  за счет образования гидроксидов, которые остаются в порах адсорбента и не требуют специального осаждения:

FeSO4 + 2NaOH = Fe(OH)2 + Na2SO4
ZnSO4 + 2NaOH = Zn(OH)2 + Na2SO4

Количество  адсорбированных катионов металлов на 1 г адсорбента определяли по формуле:             

  ∆ А=
где   Со - начальная концентрация катиона в модельной  сточной воде, мг/дм 3;

        Ср - равновесная концентрация катиона, мг/дм 3;

        V- объем сточной воды , дм 3
        m- масса навески адсорбента, г.

Рис. 3. Зависимость адсорбции ионов железа  от времени

Рис. 4. Зависимость адсорбции ионов цинка от времени

По рисункам видно, что степень очистки сточных вод по ионам тяжелых металлов составила 99,9%, Лучшее извлечение как ионов цинка, так и ионов железа достигается  адсорбентом на основе лузги гречихи при рН=9.

Таким образом, проведенные исследования по получению адсорбента на основе лузги гречихи  с использованием нанотехнологий, дают возможность улучшить показатели рафинации подсолнечного масла и увеличить степень очистки сточных вод от ионов тяжелых металлов.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Щербаков А.О. Технологія переробки та використання вторинних матеріальних ресурсів (ресурсозберігаючі технології). – Т., Астон, 1999. – 354 с.
2.  Пат.25357 UA МПК BO 1J 20/22,СО 1В 31/08  Способ получения углеродного сорбента /Цаплина М.Г., Гусев Н.В., Шмандий В.М., Яценко А.М., Безденежных Л.А., Сущенко И.В. (Украина).  Заявлено 30.10.98, опубл. 25.12.98. Бюл.№ 6.- 5с.
3. Безденежных Л.А., Шмандий В.М. Кинетические закономерности адсорбционной очистки подсолнечного масла сорбентом, полученным из отходов // Східно-Європейський журнал передових технологій.–Харьков, 2004.–3 (9).–С.88-91.
4. Шмандий В.М., Безденежных Л.А., Горкун Е.Г., Харламова Е.В. Наноструктурирование поверхности адсорбента на основе растительных отходов // Зб. наукових праць міжнародної науково-практичної конференції «Карпатська конференція з проблем охорони довкілля. – Мукачево: МДУ», 2011. – 125-128с.
5. Унифицированные методы анализа вод / Под ред. Ю.Ю. Лурье. – М.: Химия, 1973. –376 с.

УДК 66. 081. 2(045)
Шмандий В.М. Использование наноструктурированных  адсорбентов для рафинации растительного масла [Електронний ресурс]  / [Шмандий В.М., Безденежных Л.А., Харламова Е.В.] // Збірник наукових статей “ІІІ-го Всеукраїнського з’їзду екологів з міжнародною участю”. – Вінниця, 2011. – Том.1. – С.36–39. Режим доступу: http://eco.com.ua/

Скачати в форматі pdf: