Гидрофобные и гидрофильные покрытия.

Методы получения и области применения.

Никифорова Алёна        

(ученица 11 класса ГБОУ школы 1080)

Научные руководители:

(профессор, д. х.н., заведующий кафедрой

физической химии НИТУ МИСиС);

(кандидат физико-математических наук, ведущий

эксперт кафедры физической химии НИТУ МИСиС).

Проблема

  В настоящее время стоит серьезная проблема загрязнения мирового океана нефтью, маслами и различными эмульсионными веществами. Страдают животные, растения и вся экология в целом. С каждым годом отрицательное влияние нефтедобывающей промышленности нарастает. На поверхности морей и океанов образуются нефтяные пятна, что становится причиной исчезновения некоторых видов рыб, птиц и т. д.

Цель

Целью этого проекта является решение проблемы загрязнения мирового океана нефтью, маслами и эмульсионными веществами. Проанализировав современные методы очистки воды от нефти, мы приняли решение создать установку, работающую на другом принципе. После чего возник вопрос о фильтре для данной установки. Было очевидно, что он должен обладать следующими свойствами: гидрофобность, чтобы не пропускать через себя воду, и олеофильностью, дабы впитывать масла, нефть и т. п.

Задачи

  Для достижения поставленных перед проектом целей, необходимо решить ряд задач:

Подробное  рассмотрение аналогов очистки воды от нефти Подбор оптимального фильтра для установки Определить минусы и плюсы такого фильтра Разработать методику обработки материала для получения нужного фильтра Протестировать полученные образцы

Аналоги  очистки воды от нефти.

НЕ нашли? Не то? Что вы ищете?

  На данный момент в мире существует несколько способов очистки воды от нефти:

Механический метод.

Осуществляется путем сбора нефти специальными ловушками, фильтрации и последующего сжигания. Данный метод считается неэффективным и достаточно долгим. Что самое главное, при таком способе очистки вместе с нефтью захватывается весьма большое количество воды.

Химический метод.

Осуществляется путем добавления специальных химических реагентов, вступая в реакцию с которыми, нефть осаждается. Однако данный метод подходит только для локализованных участков загрязнения.

Физико-химический метод.

Примером такого метода может являться распыление на нефтяную пленку тонко размолотого порошка активированного угля. Он впитывает в себя нефть, после чего все сжигается. Данный метод нерационален, т. к. всю нефть приходится сжигать, а также количество распыляемого порошка должно быть приблизительно в соотношении 1:1.

Рассмотрение подходящего фильтра, его плюсов и минусов.

  Изучив аналоги, было установлено, что фильтр должен являться гидрофобным (не пропускающим воду), т. к. одной из основных проблем очистки воды от нефти является захват  весомого количества воды. Также фильтр должен впитывать в нефть в соотношении со своей массой больше, чем 1:1, дабы являться рациональным, следовательно, он должен быть олеофильным и иметь большую пропускную способность.

Обработка материалов. Получение образцов для фильтра.

  Исходным образцом являлся ультралегкий шамот. Данный образец по изначальным характеристикам является гидрофильным( пропускающим воду) и олеофильным( пропускающим масла и нефть).

  Исходя из изначальных параметров образца, целью методики обработки стала гидрофобизация поверхности шамота.

  Для гидрофобизации поверхности было необходимо наращивание поверхности путем осаждения углерода.

  Было проведено 4 эксперимента:

Отжиг образца в потоке пропана и парах воды без катализатора Отжиг образца в потоке пропана и парах воды с катализатором ( кристаллогидратом нитрата никеля) Отжиг образца в масле Отжиг образца в масле с катализатором ( кристаллогидратом нитрата никеля)

Во время проведения  всех экспериментов были соблюдены одинаковые условия:

Охлаждение и нагрев образца в инертной атмосфере(аргоне) Давление в печи близко к атмосферному Скорость подачи газов 800 мл/мин

C3H8=3C+4H2  ( разложение пропана на углерод)

C+H2O=CO + H2 (взаимодействие углерода с парами воды/чистка поверхности)

Эксперимент 1

(отжиг в потоке пропана и парах воды без катализатора)

Исходные данные образца:

масса=3,507г

плотность=0,4(самый легкий)

гидрофилный и олеофильный

Схема отжига:

Данные после обработки:

Масса=3,566 г

В результате, образец стал гидрофобном, но все еще обладал способностью впитывать масло. На фотографии представлен образец после термической обработки с каплей воды.

Приготовление катализатора

95% этанол C2H5OH  смешали с кристаллогидратом нитрата никеля Ni(NO3)2 + 6H2O(3,63 г)  в колбе 25 мл. Далее образец пропитывали в катализаторе на протяжении 10 мин. После чего образец сушили в сушильном шкафу 30 мин при температуре 1000С.

     

       Эксперимент 2        

(отжиг в потоке пропана и парах воды с катализатором)

Исходная масса образца=5,179г

Масса после сушки (с катализатором)= 5,490г

плотность=0,4(самый легкий)

Образец гидрофильный и олеофильный 

Схема отжига:

Данные после обработки:

Масса= 5,561 г

В результате, образец стал гидрофобным, но все еще обладал способностью впитывать масло. На фотографии представлении образец после термической обработки с каплей воды.

Замачивание образцов в масле

 

Образцы замачивались в масле на протяжении 2 мин.

Эксперимент 3

(отжиг в масле без катализатора)

Исходные данные образца:

Масса=6,798г

плотность=0,4(самый легкий)

Образец гидрофильный и олеофильный

Схема отжига:

Данные после обработки:

Масса =6,799 г

В результате, образец получился гидрофобный, но он все еще обладал способностью впитывать масло. На фотографии представлен образец после термической обработки с каплей воды. Видно, что в данном случае капля воды немного растеклась по образцу. Причиной этому может служить экспериментальная неточность.

Эксперимент 4

(отжиг в масле с катализатором)

Исходные данные образца:

Масса=7,083 г

Масса после сушки ( с катализатором)= 7,004 г

плотность=0,4(самый легкий)

Образец гидрофильный и олеофильный

Образец пропитывался в катализаторе на протяжении 10 мин. Далее следовала сушка в сушильном шкафу на протяжении 30 мин при температуре 1000С.

Схема отжига:

Данные после обработки:

Масса = 6,876 г

В результате, образец стал гидрофобным, но все еще обладал способностью впитывать масло. На фотографии представлен образец после термической обработки  с каплей воды.

Установка с фильтром (шамот+Ni+масло)

 

На фотография представлен эксперимент по очищению воды. В качетсве нефти было взять подкрашенное масло(красная жидкость). Сверху был положен образец, прошедший термическую обработку. Можно видеть, что все масло он впитыл в себя.

Микроскопия полученных образцов

После обработки каждый из образцов был подвергнут микроскопии (микроскоп JEOL JSM-6700F).

Шамот +Ni+ пропан после ТО:

 

Шамот в масле без катализатора после ТО:

   

Как видно, на образцах были получены нитевидные новообразования ( предположительно углеродные нанотрубки).Для опредления рода данных образований в ближайшее время будет сделана дифрактограмма (зафиксированная система рефлексов, образующихся при дифракции рентгеновских лучей, электронов или нейтронов.