Разработка технологии нетканных материалов для сбора нефтепродуктов с поверхности воды тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.19.02, кандидат технических наук Матвеев, Юрий Николаевич

• Матвеев, Юрий Николаевич
• кандидат технических наук
• 2013

Оглавление диссертации кандидат технических наук Матвеев, Юрий Николаевич

СОДЕРЖАНИЕ

Введение

Глава 1. Нетканые материалы для сбора

нефтепродуктов

1.1. Источники загрязнений нефтепродуктами

1.2. Существующие нетканые материалы для сбора нефтепродуктов

1.3. Пропитывание и поднятие жидкости в капиллярах волокнистых систем

1.4. Использование кремнийорганических соединений для гидрофобизации волокнистых материалов

1.5. Механизм гидрофобизации

Выводы по главе 1

Глава 2. Методика проведения работ

2.1. Определение свойств волокон

2.1.1. Отбор проб и определение линейной плотности волокон

2.1.2. Свойства волокон

2.2. Определение свойств модификаторов

2.2.1. Снятие ИК-спектров полимеров

2.3. Определение свойств нетканых полотен

2.3.1. Подготовка проб

2.3.2. Физико-механические свойства нетканого полотна

2.4. Методика оценки эксплуатационных свойств нетканых материалов

2.4.1. Методика определения капиллярности нетканых материалов

2.4.2. Методика определения пористости нетканых материалов

2.4.3. Методика определения краевого угла смачивания

2.4.4. Методика определения сорбции нетканых материалов по нефтепродуктам

2.4.5. Методика оценки плавучести сорбентов

2.5. Методика математического планирования и анализа эксперимента

2.6. Методика статической обработки экспериментальных данных

Выводы по главе 2

Глава 3. Обоснование выбора волокнистого сырья, кремнийорганического модификатора, способа производства и структуры нетканого материала

3.1. Обоснование выбора волокнистого сырья

3.2. Обоснование выбора кремнийорганического модификатора

3.3. Выбор структуры сорбционно-фильтровального материала

3.4. Выбор способа производства нетканых сорбционных материалов

Выводы по главе 3

Глава 4. Синтез кремнийорганических модификаторов

4.1. Синтез и исследование свойств новых кремнийорганических соединений

4.2. Процесс взаимодействия синтезированных модификаторов с

волокном

Выводы по главе 4

Глава 5. Влияние технологических параметров выработки, природы и содержания кремнийорганического модификатора, структуры на физико-механические и функциональные свойства нетканых материалов

5.1. Влияние технологических параметров выработки на физико-механические и функциональные свойства нетканых материалов

5.2. Влияние кремнийорганических модификаторов на физико-механические и функциональные свойства нетканых материалов

5.2.1. Исследование влияния промышленных модификаторов на свойства нетканых материалов

5.2.2. Исследование влияния синтезированных модификаторов на свойства нетканых материалов

5.3. Влияние структуры волокнистого холста на функциональные свойства

нетканых материалов

Выводы по главе 5

Глава 6. Оптимальные условия получения нетканых сорбционных материалов для сбора нефтепродуктов

6.1. Оптимальные условия получения НСМ для сбора нефтепродуктов

6.2. Технологический план производства НСМ для сбора нефтепродуктов

Выводы по главе 6

Глава 7. Технико-экономическая эффективность работы

7.1. Анализ характера изменения технико-экономических показателей

при внедрении кремнийорганического модификатора

7.2. Разработка рекомендаций по расчету сравнительной себестоимости 1000 м2 нетканого материала

7.3. Расчет стоимости сырья и основных материалов в себестоимости 1000 м

нетканого материала

Выводы по главе 7

Общие выводы по работе

Список используемой литературы

Приложения

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Разработка технологии нетканных материалов для сбора нефтепродуктов с поверхности воды»

Введение

Вопросы охраны окружающей среды в настоящее время приобрели важное социально-экономическое значение. Негативное влияние на экологическую обстановку оказывают загрязнения нефтепродуктами.

Основными причинами загрязнений нефтепродуктами являются: аварии и катастрофы при транспортировке нефти водными (морскими, речными) путями; аварии на магистральных и промысловых трубопроводах; аварии и катастрофы при транспортировке нефти и нефтепродуктов железнодорожным транспортом; утечки в процессах перекачки и перевозки нефти; утечки в процессах сливо-наливных операций; утечки и сбросы стоков нефтебазами, нефтеперерабатывающими и нефтехимическими заводами, расположенными вблизи от водных объектов; слив неочищенных балластных вод с танкеров.

В зависимости от срока попадания в водный объект нефть в нем может находиться в трех состояниях: в растворенном, эмульгированном и плавающем в виде пленки.

Нефть, попадая в водный объект, активно участвует в различных обменных процессах, основными из которых являются следующие: распространение; испарение; растворение; эмульсификация; солеокисление; микробиологическое разложение; оседание; повторное всплытие на поверхность воды.

В основе многих действующих технологий сбора разливов нефтепродуктов и нефтяных загрязнений и удаления их из окружающей среды лежит метод адсорбции. Для его реализации применяется целый ряд природных сорбентов в порошковой форме или в виде гранул. Однако при их применении возникает ряд проблем, связанных с техническими трудностями при сборе отработанного сорбента с очищенной поверхности, его регенерации и утилизации. Кроме того, они сами часто становятся дополнительным источником загрязнения окружающей среды.

Применение нетканых сорбентов в технологиях ликвидации загрязнений нефтепродуктами позволяет осуществить сбор и возврат нефтепродуктов для дальнейшего их использования по прямому назначению и создания замкнутой ресурсосберегающей системы защиты за счет регенерации.

Таким образом, данная диссертационная работа направлена на разработку технологии производства нетканых сорбционных материалов, с повышенными функциональными свойствами, для сбора нефтепродуктов с поверхности воды.

Автор защищает:

- структуру и иглопробивную технологию нетканого сорбционного материала (НСМ), используемого для сбора нефтепродуктов с поверхности воды;

- новый модифицирующий препарат, способный придать обрабатываемому нетканому материалу повышенные гидрофобные и олеофильные свойства;

- способ модификации волокон НСМ;

- оптимальные технологические параметры производства НСМ для сбора нефтепродуктов с поверхности воды.

Данная работа проводилась в Московском государственном текстильном университете имени А.Н. Косыгина на кафедре технологии нетканых материалов.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы состоит в создании высокоэффективных нетканых материалов, способных сорбировать с поверхности воды нефтепродукты и позволяющих добиться минимальных материальных затрат. Внедрение такого рода материалов позволит заменить импортные аналоги и снизить затраты на его производство.

Целью работы является разработка технологии НСМ из отечественного сырья и вспомогательных материалов, с повышенными функциональными свойствами, для очистки нефтепродуктов с поверхности воды.

Задачи исследований.

Исходя из поставленной цели, в работе решались следующие задачи:

- изучение проблемы очистки воды от загрязнений нефтепродуктами;

- анализ современного состояния научных исследований в области сорбции нефтепродуктов с поверхности воды;

- обоснование выбора сырья, технологии и оборудования производства нетканых сорбционных материалов для сорбции нефтепродуктов с поверхности воды;

- изучение влияния промышленных кремнийорганических модификаторов на функциональные свойства материала;

- разработка метода синтеза нового отечественного модификатора, придающего волокнам и НСМ на их основе устойчивые водоотталкивающие и олеофильные свойства (сродство к маслам, жирам);

- изучение механизма взаимодействия модификаторов с полимером 1111 волокна;

- разработка технологии НСМ, для сорбции нефтепродуктов с поверхности воды:

- разработка структуры НСМ и исследование ее влияния на физико-механические и функциональные свойства НСМ;

- оптимизация технологических параметров производства НСМ;

составление нормативно-технической документации технологии производства разработанного НСМ;

- внедрение результатов работы.

Методика проведения исследований.

В работе использовались стандартные и нестандартные методики исследования физико-механических и функциональных свойств волокон и нетканых сорбционных материалов.

Для определения оптимальных технологических параметров изготовления НСМ использовался метод математического планирования и оптимизации.

Оценка модификации поверхности волокон проводилась методом микроскопии.

Для оценки физико-химических свойств модификаторов использовались методы ИК-спектрометрии.

Науная новизна работы заключается в том, что впервые:

- проведено методами регрессионного анализа исследования факторов, влияющих на изменение структурных характеристик, физико-механических и функциональных свойств нетканого материала для сбора нефтепродуктов с поверхности воды;

- получены полиноминальные уравнения зависимостей свойств нетканого материала от параметров производства;

- определено влияние технологических параметров на изменение сорбции, намокаемости, промокаемости, пористости и воздухопроницаемости НСМ;

- разработан метод синтеза нового отечественного кремнийорганического модификатора - олиго(3-аминопропил)(октил)этоксисилоксана, повышающего функциональные свойства НМ для сбора нефтепродуктов с поверхности воды;

- изучен механизм взаимодействия полученного модификатора с полимером ПП волокна;

- по результатам проведенной работы получен патент РФ № 2431707 от 20.10.2011г. на изобретение «Способ получения нетканых текстильных материалов, обладающих сорбционными и гидрофобными свойствами с помощью олиго(3-аминопропил)(октил)этоксисилоксанов».

Практическая ценность работы.

- разработанная технология получения НСМ для сбора нефтепродуктов с поверхности воды позволяет освоить промышленный выпуск НМ с сорбцией 36 г/г и намокаемостью 0,01 г/г:

- составлен проект нормативно-технической документации на выпуск разработанного НСМ;

- использование разработанного НМ для сбора нефтепродуктов с поверхности воды позволило:

1. Расширить ассортимент НСМ;

2. Снизить себестоимость процесса очистки воды от нефтепродуктов, заменив использующиеся ранее НСМ и импортные модификаторы ПП волокон на более дешевые из отечественного сырья;

3. Продлить срок эксплуатации НСМ за счет повторного их использования после регенерации (до 7 раз).

Апробация работы.

Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на:

• Научно-технической конференции «Молодые ученые - развитию текстильной и легкой промышленности» (Поиск-2006) «Разработка фильтровального полотна для очистки сточных вод от нефтепродуктов», 2006 г., МГТУ им. А.Н. Косыгина.

• Всероссийской научно-технической студенческой конференции «Текстиль 21 века» «Разработка технологии нетканых материалов для очистки воды от нефтепродуктов», 2006 г., МГТУ им. А.Н. Косыгина.

« Межвузовская научно-техническая конференция аспирантов и студентов «Молодые ученые - развитию текстильной и легкой промышленности» «Сорбционные нетканые материалы», 2006 г., г. Иваново, ИГТА.

• Всероссийская конференция «Современное технологическое оборудование в текстильной промышленности» «Текстиль - 2007», «Сорбционные нетканые материалы», 2007 г., МГТУ им. А.Н. Косыгина.

• Всероссийская конференция «Современные технологии производства нетканых материалов» «Текстиль XXI века», «Нетканые материалы для улавливания нефтепродуктов из сточных вод», 2009 г., МГТУ им. А.Н. Косыгина.

• Международная конференция "Современное технологическое оборудование в текстильной промышленности" «Текстиль - 2009», «Разработка нетканых материалов для очистки сточных вод от нефтепродуктов», 2009 г., МГТУ им. А.Н. Косыгина.

По результатам исследований были сделаны следующие

публикации:

• В.М. Горчакова, Ю.Н. Матвеев. Разработка технологии сорбционных нетканых материалов для улавливания нефтепродуктов.// Тезисы докладов IV Всероссийской научной студенческой конференции «Текстиль XXI века», 2005, с. 17

• В.М. Горчакова, Ю.Н. Матвеев. Разработка технологии нетканых фильтровальных материалов с повышенными сорбционными свойствами для улавливания нефтепродуктов.// Тезисы докладов. Всероссийская конференция "Современные технологии и оборудование текстильной промышленности" «Текстиль - 2006», М.: МГТУ им. А.Н. Косыгина, 2006, с. 96

• В.М. Горчакова, Ю.Н. Матвеев. Нетканые материалы для очистки сточных вод от нефтепродуктов.// «Химические волокна», 2007, с. 44 - 47

• В.М. Горчакова, Ю.Н. Матвеев, Ю.Р. Хропова. Сорбционные нетканые материалы для очистки сточных вод от нефтепродуктов. // Тезисы

докладов. Всероссийская конференция "Современные технологии и оборудование текстильной промышленности" «Текстиль - 2007», М.: МГТУ им. А.Н. Косыгина, ноябрь 2007, с. 67 - 68

Ю.Н. Матвеев, Л. Казыкина. Сорбционные нетканые материалы для очистки сточных вод от нефтепродуктов. // Тезисы докладов. Всероссийская конференция "Современные технологии и оборудование текстильной промышленности" «Текстиль - 2008», М.: МГТУ им. А.Н. Косыгина, 2008, с. 71 - 72

В.М. Горчакова, Б.А. Измайлов, Ю.Н. Матвеев. Нетканые текстильные материалы для очистки сточных вод от нефтепродуктов.// «Известия вузов. Технология текстильной промышленности», №2с, 2009, с. 58 - 61 В.М. Горчакова, Ю.Н. Матвеев. Разработка нетканых материалов для очистки сточных вод от нефтепродуктов.// Тезисы докладов. Межвузовская научно-техническая конференция аспирантов и студентов «Молодые ученые - развитию текстильной и легкой промышленности» (ПОИСК-2009).г. Иваново, ИГТА, 2009, с. 47

В.М. Горчакова, Ю.Н. Матвеев, Т.Е. Тимофеева, С.С. Урусова. Нетканые материалы для улавливания нефтепродуктов из сточных вод.// Тезисы докладов. Всероссийская конференция Современные технологии производства нетканых материалов «Текстиль XXI века», М.: МГТУ им.

A.Н. Косыгина, 2009, с. 63

B.М. Горчакова, Ю.Н. Матвеев. Нетканые текстильные материалы для сбора нефтепродуктов с поверхности воды.// Сборник научных трудов аспирантов, вып. 15, 2009, с. 29 - 33

В.М. Горчакова, Ю.Н. Матвеев. Разработка нетканых материалов для очистки сточных вод от нефтепродуктов. // Тезисы докладов. Международная конференция "Современные технологии и оборудование текстильной промышленности" «Текстиль - 2009», М.: МГТУ им. А.Н. Косыгина, ноябрь 2009, с. 100 - 101

В.М. Горчакова, Б.А. Измайлов, Ю.Н. Матвеев. Нетканые материалы для очистки сточных вод от нефтепродуктов.// Тезисы докладов. III Всероссийской научно-технической конференции «Актуальные проблемы проектирования и технологии изготовления текстильных материалов специального назначения» (ТЕХТЕКСТИЛЬ-2010), г. Димитровград, ДИТУД, 2009, с. 78

В.М. Горчакова, Б.А. Измайлов, Ю.Н. Матвеев, В.И. Корягин, В.А. Аниськова, Т.А. Курочкина. Способ получения нетканых текстильных материалов, обладающих сорбционными и гидрофобными свойствами с помощью олиго(3-аминопро-пил)(октил)этоксисилоксанов. Патент на изобретение № 2010115580 от 20.04.10

Ю.Н. Матвеев, Т.А. Курочкина, С.С. Урусова. Нетканые текстильные материалы для сбора нефтепродуктов с поверхности воды.// Актуальные проблемы проектирования и технологии нетканых материалов. Сборник научных трудов, М., МГТУ, 2010, с. 73 - 76

В.М. Горчакова, Ю.Н. Матвеев, С.С. Урусова. Нетканые материалы для сбора нефтепродуктов с поверхности воды. // Тезисы докладов. Международная конференция "Современные технологии и оборудование текстильной промышленности" «Текстиль - 2010», М.: МГТУ им. А.Н. Косыгина, 2010, с. 35 - 36

Заключение диссертации по теме «Технология и первичная обработка текстильных материалов и сырья», Матвеев, Юрий Николаевич

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ

1. Разработана новая технология нетканых материалов для сбора нефтепродуктов с поверхности воды.

2. Разработан метод синтеза и впервые синтезированы новые, эффективные, дешевые, из отечественного сырья кремнийорганические модификаторы, для придания волокну гидрофобных и олеофильных свойств - олигоэтоксисилоксановые производные аминосилана и этилсиликата с октилтриэтоксисиланом.

3. Разработан эффективный способ модификации волокон нетканого материала для сбора нефтепродуктов.

4. Изучен механизм взаимодействия кремнийорганических модификаторов с полимерами текстильных волокон.

5. Научно обоснован выбор сырья, модификатора, технологии производства и структуры нетканого сорбционного материала.

6. Определены оптимальные технологические параметры получения двухслойного иглопробивного нетканого материала для сбора нефтепродуктов из модифицированных волокон:

• Модификатор волокон - олиго(3-аминопропил)(октил)этоксисилоксан;

• Содержание модификатора на волокне, % масс. - 1;

Получен нетканый материал со следующими свойствами:

• Разрывная нагрузка, Н, по длине - 280; по ширине - 260;

3 2

• Воздухопроницаемость, дм /м с - 550;

• Сорбция нефтепродуктов, г/г - 36;

• Намокаемость, г/г - 0,01;

• Промокаемость, ч - 24;

Разработанный материал по своим характеристика превосходит предъявляемые к НСМ для сбора нефтепродуктов требования.

7. Разработан проект стандарта организации СТО и технологического регламента.

8. Разработана модель и программа для расчета на ЭВМ себестоимости 1000 м сорбционного нетканого двухслойного иглопробивного материала, позволяющая установить влияние обработки нетканого материала кремнийорганическим модификатором на издержки производства.

9. Установлено, что затраты на сырье для двухслойного иглопробивного материала для сбора нефтепродуктов на 5% выше по сравнению с затратами на сырье для обычного двухслойного иглопробивного материала. Так как функциональные свойства нетканого материала, полученного из полипропиленовых волокон, модифицированных новым олигомером олиго(3-аминопропил)(октил)-этоксисилоксаном, значительно выше, это может быть отражено в цене реализации продукции.

10.Получен патент РФ № 2431707 «Способ получения нетканых текстильных материалов, обладающих сорьционными и гидрофобными свойствами с помощью олиго(3-аминопропил)(октил)этоксисилокса-нов» от 20.04.2010г.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Матвеев, Юрий Николаевич, 2013 год

Библиография

[1] СаНПиН 2.17.1322-03 Гигиенические требования к размещению и обезвреживанию отходов производства и потребления.

Ключевые слова: стандарт организации, материал, сорбция нефтепродуктов.

Исполнитель Ю.Н. Матвеев

аспирант ФГБОУ ВПО МГТУ им. А.Н. Косыгина