ХІМІЯ, ФІЗИКА ТА ТЕХНОЛОГІЯ ПОВЕРХНІ

ISSN 2518-1238 (Online), ISSN 2079-1704 (Print)

Нафта і нафтопродукти потрапляють до поверхневих вод внаслідок техногенних катастроф, спричинених, зокрема, військовими діями. Для запобігання негативних екологічних наслідків вуглеводні мають бути видалені з водних поверхонь. У статті представлено результати розробки матеріалів для вилучення неполярних рідин із водних середовищ. Запропоновано магнітні сорбенти на основі некарбонізованих біополімерів (рослинної целюлози і кератину). Для виготовлення композитів використовували біополімерні матриці різної морфології на рівні пучків волокон. Залежно від походження матриці, пучки волокон є прямими (целюлоза, отримана з деревини та кукурудзяних качанів), спіралеподібними (целюлоза чайного листя) або лускатими (кератин вовни тварин). Частинки магнетиту вводили до біополімерних матриць після видалення з них нецелюлозних і некератинових включень. Зразки досліджували методами СЕМ та Фур’є ІЧ спектроскопії, магнетит ідентифікували за допомогою рентгенофазового аналізу. Найбільш однорідний розподіл магнітних частинок, розмір яких менший за 1 мкм, виявлено для матриці, отриманої з качанів кукурудзи. Цей композит містив найменшу кількість заліза (0.24 мас. %): саме цей зразок демонструє найкращу плавучість. Сорбент на основі целюлози з листя чаю містив 71% заліза: частинки тонули у воді майже повністю. Його ємність за неполярними рідинами становила (г г^-1): 1.6–8.6 (рослинна олія), 10.5–16.4 (нафта), 9.8–14.5 (гас). Після видалення з поверхні води сирої нафти, плівка цієї рідини візуально не спостерігалася. Для очищеної води хімічне споживання кисню становило » 0.2 мгО₂·дм^-3, це менше норми для питної води. Крім того, сорбент можна легко видалити з водної поверхні за допомогою магніту. Встановлено, що сорбенти також можна використовувати для видалення з води іонів токсичних металів. Як виявлено, магнітні частинки покращують сорбцію іонів Pb²⁺, але зменшують сорбцію Cd²⁺. Таким чином, сорбенти з невеликим вмістом неорганічного модифікатора можуть бути використані для видалення нафти і нафтопродуктів з водних поверхонь. Для вилучення неорганічних іонів можна використовувати сорбенти, які тонуть у воді. Перевага сорбентів на основі біополімерів перед відомими матеріалами полягає у нескладному способі синтезу, який передбачає використання дешевої та доступної сировини. Крім того, сорбенти можна легко відокремити від води за допомогою магнітного поля.

Li X., Zhu Y., Abbassi R., Chen G. A probabilistic framework for risk management and emergency decision-making of marine oil spill accidents. Process Safety and Environmental Protection. 2022. 162: 932. https://doi.org/10.1016/j.psep.2022.04.048

Romo-Curiel A.E., Ramírez-Mendoza Z., Fajardo-Yamamoto A., Ramírez-León M.R., García-Aguilar M.C., Herzka S.Z., Pérez-Brunius P., Saldaña-Ruiz L.E., Sheinbaum J., Kotzakoulakisb K., Rodríguez-Outerelo J., Medrano F., Sosa-Nishizaki O. Assessing the exposure risk of large pelagic fish to oil spills scenarios in the deep waters of the Gulf of Mexico. Mar. Pollut. Bull. 2022. 176: 113434. https://doi.org/10.1016/j.marpolbul.2022.113434

Jasperse L., Levin M., Rogers K., Perkins C., Bosker T., Griffitt R.J., Sepúlveda M., Guise. S.D. Hypoxia and reduced salinity exacerbate the effects of oil exposure on sheepshead minnow (Cyprinodon variegatus) reproduction. Aquat Toxicol. 2019. 212: 175. https://doi.org/10.1016/j.aquatox.2019.05.002

Wang F., Lei S., Xue M., Ou J., Li W. In Situ Separation and Collection of Oil from Water Surface via a Novel Superoleophilic and Superhydrophobic Oil Containment Boom. Langmuir. 2014. 30(5): 1281. https://doi.org/10.1021/la403778e

Lee C.H., Tiwari B., Zhanga D., Yap Y.K. Water purification: oil-water separation by nanotechnology and environmental concerns. Environ. Sci.: Nano. 2017. 4(3): 514. https://doi.org/10.1039/C6EN00505E

Patalano A., Villalobos F., Pena P., Jauregui E., Ozkan C., Ozkan M. Scaling sorbent materials for real oil-sorbing applications and environmental disasters. MRS Energy & Sustainability. 2019. 6: 3. https://doi.org/10.1557/mre.2019.3

Toyoda M., Aizawa J., Inagaki M. Sorption and recovery of heavy oil by using exfoliated graphite. Desalin. 1998. 115(2): 199. https://doi.org/10.1016/S0011-9164(98)00038-1

Sykam N., Kar K.K. Rapid synthesis of exfoliated graphite by microwave irradiation and oil sorption studies. Mater. Lett. 2014. 117: 150. https://doi.org/10.1016/j.matlet.2013.12.003

Dzyazko Y.S., Ogenko V.M. Polysaccharides: An Efficient Tool for Fabrication of Carbon Nanomaterials. In: Polysaccharides: Properties and Applications. (Hoboken: Wiley-Scrivener, 2021). https://doi.org/10.1002/9781119711414.ch16

Riaz M.A., Hadi P., Abidi I.H., Tyagi A., Oua X., Luo Z. Recyclable 3D graphene aerogel with bimodal pore structure for ultrafast and selective oil sorption from water. RSC Adv. 2017. 7(47): 29722. https://doi.org/10.1039/C7RA02886E

Iqbal M.Z., Abdala A.A. Oil spill cleanup using graphene. Environ. Sci. Pollut. Res. Int. 2013. 20(5): 3271. https://doi.org/10.1007/s11356-012-1257-6

Paulauskienė T., Jucikė I. Aquatic oil spill cleanup using natural sorbents. Environ. Sci. Pollut. Res. Int. 2015. 22(19): 14874. https://doi.org/10.1007/s11356-015-4725-y

Paulauskienė T., Jucikė I., Juščenko N., Baziukė D. The Use of Natural Sorbents for Spilled Crude Oil and Diesel Cleanup from the Water Surface. Water, Air, and Soil Pollution. 2014. 225(6): 1959. https://doi.org/10.1007/s11270-014-1959-0

Li D., Zhu F.Z., Li J.Y., Na P., Wang N. Preparation and Characterization of Cellulose Fibers from Corn Straw as Natural Oil Sorbents. Ind. Eng. Chem. Res. 2013. 52(1): 516. https://doi.org/10.1021/ie302288k

Dong T., Xu G., Wang F. Oil spill cleanup by structured natural sorbents made from cattail fibers. Ind. Crops Prod. 2015. 76: 25. https://doi.org/10.1016/j.indcrop.2015.06.034

Xu B., Long J., Xu G., Yang J., Liang Y., Hu J. Facile fabrication of superhydrophobic and superoleophilic glass-fiber fabric for water-in-oil emulsion separation. Text. Res. J. 2018. 89(13): 2674. https://doi.org/10.1177/0040517518801189

Bai X., Shen Y., Tian H., Yang Y., Feng H., Li J. Facile fabrication of superhydrophobic wood slice for effective water-in-oil emulsion separation. Sep. Pur. Tech. 2019. 210: 402. https://doi.org/10.1016/j.seppur.2018.08.010

Dashairya L., Barik D.D., Saha P. Methyltrichlorosilane functionalized silica nanoparticles-treated superhydrophobic cotton for oil-water separation. J. Coat. Techol. Res. 2019. 16(4): 1021. https://doi.org/10.1007/s11998-018-00177-z

Tan X., Wang D., Zang D., Wu L., Liu F., Cao G., Xu Y., Ho S. Superhydrophobic/superoleophilic corn straw as an eco-friendly oil sorbent for the removal of spilled oil. Clean Technol. Environ. Policy. 2020. 23: 145. https://doi.org/10.1007/s10098-019-01808-8

Lv N., Wang X., Peng S., Zhang H., Luo L. Study of the Kinetics and Equilibrium of the Adsorption of Oils onto Hydrophobic Jute Fiber Modified via the Sol-Gel Method. Int. J. Environ. Res. Public Health. 2018. 15(5): 969. https://doi.org/10.3390/ijerph15050969

Lee J., Kima D., Han S., Bo RaKim B., Park E., Jeong M., Kim J., Kim Y. Fabrication of superhydrophobic fibre and its application to selective oil spill removal. Chem. Eng. J. 2016. 289: 1. https://doi.org/10.1016/j.cej.2015.12.026

Zhu T., Zhu T., Li S., Huang J., Mihailiasa M., Lai Y. Rational design of multi-layered superhydrophobic coating on cotton fabrics for UV shielding, self-cleaning and oil-water separation. Mater. Des. 2017. 134: 342. https://doi.org/10.1016/j.matdes.2017.08.071

Lee J., Kim D., Kim Y. High-performance, recyclable and superhydrophobic oil absorbents consisting of cotton with a polydimethylsiloxane shell. J. Ind. Eng. Chem. 2016. 35: 140. https://doi.org/10.1016/j.jiec.2015.12.025

Sun H., Zhu Z., Liang W., Yang B., Qin X., Zhao X. Reduced graphene oxide-coated cottons for selective absorption of organic solvents and oils from water. RSC Adv. 2014. 4(58): 30587. https://doi.org/10.1039/C4RA03208J

Ge B., Zhanga Z., Zhua X., Mena X., Zhouab X., Xue Q. A graphene coated cotton for oil/water separation. Compos. Sci. Technol. 2014. 102: 100. https://doi.org/10.1016/j.compscitech.2014.07.020

Hoai N.T., Sang N.N., Hoang T.D. Thermal reduction of graphene-oxide-coated cotton for oil and organic solvent removal. Mater. Sci. Eng. 2017. 216: 10. https://doi.org/10.1016/j.mseb.2016.06.007

Faraji M., Shirani M., Rashidi-Nodeh H. The recent advances in magnetic sorbents and their applications. TrAC, Trends Anal. Chem. 2021. 141: 116302. https://doi.org/10.1016/j.trac.2021.116302

Maksoud A., Fahim R., Bedir A., Osman A., Abouelela M., El-Sayyad G., Elkodous M., Mahmoud A., Rabee M., Al-Muhtaseb A., Rooney D. Engineered magnetic oxides nanoparticles as efficient sorbents for wastewater remediation: a review. Environ. Chem. Lett. 2022. 20: 519. https://doi.org/10.1007/s10311-021-01351-3

Giakisikli G., Anthemidis A. Magnetic materials as sorbents for metal/metalloid preconcentration and/or separation. A review. Anal. Chim. Acta. 2013. 789: 1. https://doi.org/10.1016/j.aca.2013.04.021

Wang H., Xu X., Rena Z., Gaoa B. Removal of phosphate and chromium(VI) from liquids by an amine-crosslinked nano-Fe3O4 biosorbent derived from corn straw. RSC Adv. 2016. 6(53): 47237. https://doi.org/10.1039/C6RA06801D

Quek S., Wase D., Forster C. The use of sago waste for the sorption of lead and copper. Water S.A. 1998. 24(3): 251.

Sanyahumbi D., Duncan J., Zhao M., Hille R. Removal of lead from solution by the non-viable biomass of the water fern Azolla filiculoides. Biotechnol. Lett. 1998. 20: 745.

Iqbal M., Saeed A., Zafar S. FTIR spectrophotometry, kinetics and adsorption isotherms modeling, ion exchange, and EDX analysis for understanding the mechanism of Cd2+ and Pb2+ removal by mango peel waste. J. Hazard. Mater. 2009. 164(1): 161. https://doi.org/10.1016/j.jhazmat.2008.07.141

Dzyazko Y., Borysenko Y., Zmievskii Y., Zakharov V., Myronchuk V., Kolomiiets E. Organic-inorganic ion exchange materials for electromembrane processing of liquid wastes produced dairy industry. Materials Today: Proceedings. 2022. 50: 496. https://doi.org/10.1016/j.matpr.2021.11.301

Dzyazko Y., Ponomarova L., Vol'fkovich Y., Sosenkin V., Belyakov V. Conducting properties of a gel ionite modified with zirconium hydrophosphate nanoparticles. Russ. J. Electrochem. 2013. 49(3): 209. https://doi.org/10.1134/S1023193513030075

Perlova N., Dzyazko A., Perlova Y., Palchik O., Sazonova V. Formation of Zirconium Hydrophosphate Nanoparticles and Their Effect on Sorption of Uranyl Cations. Nanoscale Res. Lett. 2017. 12: 209. https://doi.org/10.1186/s11671-017-1987-y

Dzyazko Y., Trachevskii V., Rozhdestvenskaya L., Vasilyuk S., Belyakov V. Interaction of sorbed Ni(II) ions with amorphous zirconium hydrogen phosphate. Russ. J. Phys. Chem. 2013. 87: 840. https://doi.org/10.1134/S0036024413050063

Kudelko E., Mal'tseva T., Belyakov V. Sorption of Cr(VI) ions by oxyhydrates of M x Al1− x Oy·nH2O composition, where M is Zr(IV), Ti(IV), or Sn(IV). Colloid J. 2012. 74(3): 313. https://doi.org/10.1134/S1061933X12010073

Dzyaz'ko Y., Belyakov V., Stefanyak N., Vasilyuk S. Anion-exchange properties of composite ceramic membranes containing hydrated zirconium dioxide. Russ. J. Appl. Chem. 2006. 79: 769. https://doi.org/10.1134/S1070427206050132

Mal'tseva T., Pal'chik A., Kudelko E., Vasilyuk S., Kazdobin K. Impact of surface properties of hydrated compounds based on ZrO2 on the value of ionic conduction. J. Water Chem.Techol. 2015. 37(1): 18. https://doi.org/10.3103/S1063455X15010051

Ghandoor H., Zidan H., Mostafa Khalil M., Ismail M. Synthesis and Some Physical Properties of Magnetite (Fe3O4) Nanoparticles. Int. J. Electrochem. Sci. 2012. 7: 5734.

https://www.pharmaguideline.com/2013/06/COD-test-waste-water-organic-pollution-determination.html

Waldron R. Infrared Spectra of Ferrites. Phys. Rev. 1955. 99(6): 1727. https://doi.org/10.1103/PhysRev.99.1727

Nakanishi K., Solomon P.A. Infrared Absorption Spectroscopy. 2nd Edition. (San Francisco: Holden-Day, 1977).

Stewart D., Morrison I.M. Ft-ir spectroscopy as a tool for the study of biological and chemical treatments of barley straw. J. Sci. Food Agric. 1992. 60(4): 431. https://doi.org/10.1002/jsfa.2740600405

Dzyazko Y., Rozhdestvenskaya L., Kudelko K., Fedina I., Ponomaryova L., Nikovska G., Dzyazko O. Hydrated Iron Oxide Embedded to Natural Zeolite: Effect of Nanoparticles and Microparticles on Sorption Properties of Composites. Water, Air, and Soil Pollution. 2022. 233(6): 205. https://doi.org/10.1007/s11270-022-05681-y

Dzyazko Y., Kolomiiets Y. Sorbents based on non-carbonized vegetable raw materials. Ukr. Chem. J. 2022. 88(5): 37. [in Ukrainian]. https://doi.org/10.33609/2708-129X.88.05.2022.37-68