Перейти к:
Устойчивость полиэтилена к нефти и сопутствующей воде
https://doi.org/10.23947/2687-1653-2023-23-1-55-65
Аннотация
Введение. Полиэтилен является наиболее широко применяемым материалом в различных областях народного хозяйства, а изделия из него обладают существенными достоинствами, такими как лёгкость, нерастворимость в органических растворах при вполне удовлетворительной прочности. Однако механизм его разрушения достаточно сложен и зависит от условий работы и контактирующих с ним веществ. Цель исследований заключалась в изучении устойчивости полиэтилена к нефти и сопутствующей воде при статическом и динамическом режиме и комнатной температуре.
Материалы и методы. Исследования проводились на лабораторном устройстве для пропускания различных жидкостей (нефть, сопутствующая и дистиллированная вода) в полиэтиленовых трубах, собранном авторами статьи. При работе были применены методы статистической и динамической обработки данных.
Результаты исследования. Графики изменения веса и объёма погруженных гранул во времени, построенные по результатам проведенных экспериментов, показали, что для полиэтилена характерна квадратичная зависимость и диффузия для трех исследуемых в данной работе жидкостей (дистиллированная вода, сопутствующая вода и нефть) описывается законом Фика. Это указывает на тот факт, что скорость диффузии жидкости через полиэтилен является наиболее важным фактором.
Обсуждение и заключения. Эксперименты и полученные результаты показали, что скорость диффузии жидкости через полиэтилен является наиболее важным фактором. Погружение в нефть оказывает большее влияние, чем погружение в сопутствующую или дистиллированную воду из-за присутствия солей. Было обнаружено, что относительное изменение веса и толщины стенок полиэтиленовых труб, по которым проходит нефть, больше тех, по которым проходит сопутствующая вода, а микроскопические изображения срезов в образцах до и после испытаний подтвердили полученные результаты.
Для цитирования:
Антибас И.Р. Устойчивость полиэтилена к нефти и сопутствующей воде. Advanced Engineering Research (Rostov-on-Don). 2023;23(1):55-65. https://doi.org/10.23947/2687-1653-2023-23-1-55-65
For citation:
Antipas I.R. Polyethylene Resistance to Oil and Associated Water. Advanced Engineering Research (Rostov-on-Don). 2023;23(1):55-65. https://doi.org/10.23947/2687-1653-2023-23-1-55-65
Введение. Полиэтилен является одним из основных элементов семейства олефинов, который обычно характеризуется воскообразным внешним видом, химической инертностью и ухудшением физических свойств при высоких температурах.
Поскольку полиэтилен является частично кристаллизованным материалом и не вступает в побочные химические реакции с какими-либо жидкостями, он не имеет растворителей при температуре окружающей среды и водопоглощение сравнительно невелико.
Полиэтилен не растворяется в органических растворах, но он расширяется при температуре более 70 °С и может растворяться в гранулированных ароматических углеводородах, не подвержен влиянию нефти, жиров, керосина и других углеводородов, полученных из нефти. Он также устойчив к водным растворам кислот, солей и щелочей [1–5].
Полиэтилен окисляется азотной кислотой, что приводит к ухудшению характеристик, получаемых из него продуктов. Окисление происходит под воздействием ультрафиолетовых лучей при температуре окружающей среды, вызывая хрупкость и ухудшение механических и теплоизоляционных свойств [6–8]. Научный интерес представляет изучение взаимодействия полиэтилена с нефтью. Она представляет собой смесь углеводородов и неметаллических элементов, смешанных с ними (сера, азот, кислород), а также некоторых металлических элементов (железо, никель, мышьяк, ванадий). Наряду с ними в нефти присутствуют соли хлоридов земельных минералов, а также их сульфаты. Кроме того, нефть содержит воду в определённых процентных соотношениях, зависящих от ее типа и условий добычи. Этот процент может возрастать до 30 % по отношению к общему объёму нефти, поскольку она находится в форме насыщенных растворов хлорида натрия, сульфата магния и кальция. Двуокись углерода и газы сероводорода, растворяясь в воде, увеличивают её объём. Кислота и кислород, вступая в реакцию с железом и марганцем, растворенными в сопутствующей воде, образуют нерастворимые продукты. Сопутствующая вода содержит небольшой процент хлоридорганических солей, не превышающий 50 частей из миллиона [9, 10].
Примеси, содержащиеся в сырой нефти (твердые материалы, соли, вода, химические добавки), создают серьезные риски для нефтеперерабатывающего оборудования, продолжительности его работы и эффективности. Известно, что полимерные материалы разрушаются совершенно иначе, нежели металлические, поэтому при производстве из них различных изделий требуется учитывать их физико-химические свойства и электрохимические реакции. Пластики не растворяются, как металлы, однако повреждаются или разрушаются вследствие набухания, то есть происходит так называемое охрупчивание, при котором они размягчаются, затвердевают и меняют цвет, что приводит к ухудшению их механических свойств.
Полимерные материалы разрушаются по нескольким механизмам:
- набухание структуры;
- растворение;
- разрушение химических связей под воздействием тепла, химических реакций или реакции свободных радикалов. Охрупчивание поверхностного слоя может происходить по какому-либо одному механизму или по комбинации механизмов [11–13].
Растворение и набухание без разрыва химических связей является основной причиной охрупчивания при контакте с примесями. Этот процесс является сложным, поскольку небольшие количества полимерного раствора проникают внутрь [14], образуя просачивающийся слой с измененными физическими свойствами (рис. 1).
Рис. 1. Слоистая структура процесса охрупчивания
Целью исследования является изучение устойчивости полиэтилена к нефти и сопутствующей воде при комнатной температуре, как в состоянии покоя, так и в условиях движения.
Материалы и методы. В таблице 1 показаны использованные в работе вещества, растворенные в нефти после её добычи.

В таблице 2 показан состав сопутствующей воды, использованной в экспериментах.

В качестве чистящего средства применялся нефтяной спирт. Опыты проводили с использованием гранул и труб из полиэтилена высокого давления HDPE низкой плотности (таблица 3).

Нефть и сопутствующая вода проходили по полиэтиленовым трубам в собранном автором лабораторном устройстве (рис. 2). Комплекс оборудования включает герметичную стеклянную тару; шкалу с чувствительностью ±0,1 г, %; электронный микрометр с точностью до 1 микрометра; электронный микроскоп, подключенный к компьютеру.
Рис. 2. Лабораторное устройство для пропускания нефти и сопутствующей воды в полиэтиленовых трубах
В спокойном режиме при методе погружения последовательность действий при постановке эксперимента была следующей:
масса W1 и объем V1 определяли для нескольких образцов гранул полиэтилена, характеристики которых приведены в таблице 3;
образцы погружали полностью в нефть, попутную и дистиллированную воду в герметичных контейнерах на определенные периоды времени;
далее образцы очищали;
в процессе эксперимента определяли вес образца W2 и его объем V2;
далее рассчитывали изменение веса ∆W=W2–W1 и изменение объема ∆V = V2–V1,
после тестирования каждого образца рассчитывали: относительное изменение веса и относительное изменение объема
В динамическом режиме последовательность действия при постановке эксперимента была следующей:
нефть и сопутствующая вода протекали в полиэтиленовых трубах с постоянной скоростью при комнатной температуре, их вес W1 и толщина стенки определялись для конкретных периодов времени;
после каждого опыта трубы очищали;
после испытания определяли их вес W2 и толщину стенок после испытания X2;
рассчитывали: изменение веса ∆W = W2–W1, изменение объема ∆V = V2–V1, относительное изменение веса и изменение толщины ∆X после испытания.
Результаты исследования. Результаты испытаний изменения массы и объема частиц, погруженных в нефть, сопутствующую и дистиллированную воду, были сведены в таблицы 4–9. Графическая зависимость была найдена для относительного изменения веса и размера полиэтиленовых гранул, погруженных в нефть, сопутствующую и дистиллированную воду (рис. 3, 4).
Рис. 3. Относительное изменение веса погруженных гранул по времени
Рис. 4. Относительное изменение объема погруженных
Рис. 3 и 4 показывают, что временная зависимость относительного изменения веса и размера гранул полиэтилена имеет характер квадратичной зависимости и следует закону Фика в диффузии в случаях трех исследуемых жидкостей (дистиллированная вода, сопутствующая вода и нефть), что указывает на то, что скорость диффузии жидкости через полиэтилен является наиболее важным фактором.
Относительное изменение веса гранул, погруженных в дистиллированную воду, не упоминается, но оно едва заметно в сопутствующей воде и больше увеличивается в нефти (рис. 4). Это объясняется тем, что диффузия солей оказывает существенное влияние на относительный вес и объем гранул, погруженных в дистиллированную воду, с одной стороны, и гранул, погруженных в нефть и сопутствующую воду, с другой.
Результаты испытаний изменения веса и толщины труб, в которых течет нефть и сопутствующая вода, систематизированы в таблицах 10 и 11. Была получена графическая зависимость относительного изменения веса и толщины труб, по которым проходит нефть с сопутствующим потоком воды, показанная на рис. 5, 6.
Микрофотографии срезов образцов были сделаны до и после испытаний с увеличением в 510 раз, показаны на рис. 7.


Рис. 5. Относительное изменение веса труб, по которым течет нефть и сопутствующая вода, по времени
Рис. 6. Относительное изменение толщины труб, в которых течет нефть и сопутствующая вода, в зависимости от времени
Рис. 6 и 7 показывают, что относительное изменение веса и толщины стенок полиэтиленовых труб, по которым проходит нефть, больше тех, через которые проходит сопутствующая вода. Этот факт указывает на то, что полиэтилен больше подвержен влиянию нефти.
Рис. 7. Микрофотографии срезов образцов до и после испытаний с увеличением в 510 раз: а — сечение чистой гранулы; б — сечение гранулы нефти; в — сечение трубы с сопутствующей водой в нефти; г — сечение чистой воды; д — сечение трубы, погруженной в нефть; е — внутренняя поверхность трубы с сопутствующей водой; ж — сечение трубы, погруженной в нефть после 200 часов; з — внутренняя поверхность трубы, погруженной в нефть
На рис. 7 показаны срезы образцов труб и гранул до и после испытаний, отражающие цвет и гладкость поверхности срезов, подвергнутых испытаниям, по сравнению с чистыми срезами, что подтверждает предыдущие результаты, полученные на основе графиков.
Обсуждение и заключения. Эксперименты и полученные результаты показали, что скорость диффузии жидкости через полиэтилен является наиболее важным фактором при статическом и динамическом режимах. Погружение в нефть оказывает большее влияние, чем погружение в сопутствующую или дистиллированную воду из-за присутствия солей.
Было обнаружено, что относительное изменение веса и толщины стенок полиэтиленовых труб, по которым проходит сопутствующая вода меньше, чем тех, по которым проходит нефть, а микроскопические изображения срезов в образцах до и после испытаний подтвердили полученные результаты.
Список литературы
1. Antypas I. The Influence of Polyethylene Processing on the Plastic Containers Blowing. Journal of Physics: Conference Series. 2020;1515:042042. https://doi.org/10.1088/1742-6596/1515/4/042042
2. Zakharyan E.M., Petrukhina N.N., Dzhabarov E.G., et al. Pathways of Chemical Recycling of Polyvinyl Chloride. Part 2. Russian Journal of Applied Chemistry. 2020;93:1445–1490. http://dx.doi.org/10.1134/S1070427220100018
3. Chinedu Nwapa, Okunwaye O.J., Okonkwo C.L., et al. Mechanical Properties of High Density Polyethylene and Linear Low Density Polyethylene Blend. SSRG International Journal of Polymer and Textile Engineering (SSRG-IJPTE). 2020;7:22–28. 10.14445/23942592/IJPTE-V7I1P103
4. Antypas I.R. Improvement of Mechanical Behavior of Neoprene Rubber by means of Glass Fiber. Journal of Physics: Conference Series. 2021;1889:042007. http://dx.doi.org/10.1088/1742-6596/1889/4/042007
5. Wei-Li Wu, Yi-Wen Wang. High Density Polyethylene Film Toughened with Polypropylene and Linear Low Density Polyethylene. Materials Letters. 2019;257:126689. http://doi.org/10.1016/j.matlet.2019.126689
6. Chaudhary A.K., Vijayakumar R.P. Effect of Chemical Treatment on Biological Degradation of High-Density Polyethylene (HDPE). Environment, Development and Sustainability. 2020;22:1093–1104. https://doi.org/10.1007/s10668-018-0236-6
7. Lethola M., Miettinen I.T., Lampola T., et al. Pipeline Materials Modify the Effectiveness of Disinfectants in Drinking Water Distribution Systems. Water Research. 2005;39:1962–1971. http://dx.doi.org/10.1016/j.watres.2005.03.009
8. Antypas I.R., Savostina T.P. Study of Mechanical Properties of Recycled Polyethylene of High and Low Density. Materiale Plastice. 2021;58:210-215. https://doi.org/10.37358/MP.21.4.5546
9. Zabolotnyi O., Zabolotnyi V., Koshevoy N. Oil Products Moisture Measurement Using Adaptive Capacitive Instrument Measuring Transducers. In book: Nechyporuk M, Pavlikov V, Kritskiy D. (eds.) Integrated Computer Technologies in Mechanical Engineering. 2021;188:81–91. http://dx.doi.org/10.1007/978-3-030-66717-7_7
10. Beglyarovas É.S., Sokolova A., Bakshtanin M. Change of Indicators of Pollution of Surface Drain of Urban Territories when Carrying Out Construction Work on the Example of the Private Reservoirs of Rivers Likhoborka and Zhabenka. Power Technology and Engineering. 2021;55:1–5. http://dx.doi.org/10.1007/s10749-021-01316-0
11. Martins L.S., Mulinari D., Zanini N.C. Envelopes with Microplastics Generated from Recycled Plastic Bags for Crude Oil Sorption. Polymer Engineering and Science. 2021;61:2055–2065. http://dx.doi.org/10.1002/pen.25734
12. Ketan Patel, Samir H Chikali, Swaminathan Sivaram. Ultrahigh Molecular Weight Polyethylene: Catalysis, Structure, Properties, Processing and Applications. Progress in Polymer Science. 2021;109:101290. https://doi.org/10.1016/j.progpolymsci.2020.101290
13. Lethola M., Miettinen L.T., Lampola T., et al. Pipeline Materials Modify the Effectiveness of Disinfectants in Drinking Water Distribution Systems. Water Research. 2005;39:1962–1971. http://dx.doi.org/10.1016/j.watres.2005.03.009
14. Reye J.T., Moore E.J., Riga A.T. Dissolution and Swelling Characterization of Diverse Amorphous Polymers by Thermal Mechanical Analysis. In: Proc. Annual Conference of the North American Thermal Analysis Society (NATAS), 2005. P. 1–22. URL: https://www.researchgate.net/publication/343759376_Dissolution_and_-Swelling_Characterization_of_Diverse_Amorphous_Polymers_by_Thermal_Mechanical_Analysis
Об авторе
И. Р. АнтибасРоссия
Антибас Имад Ризакалла, доцент кафедры «Основы конструирования машин», кандидат технических наук, доцент
344003, РФ, г. Ростов-на-Дону, пл. Гагарина, 1
Рецензия
Для цитирования:
Антибас И.Р. Устойчивость полиэтилена к нефти и сопутствующей воде. Advanced Engineering Research (Rostov-on-Don). 2023;23(1):55-65. https://doi.org/10.23947/2687-1653-2023-23-1-55-65
For citation:
Antipas I.R. Polyethylene Resistance to Oil and Associated Water. Advanced Engineering Research (Rostov-on-Don). 2023;23(1):55-65. https://doi.org/10.23947/2687-1653-2023-23-1-55-65