VII Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2015

Аварии с загрязнением природной среды нефтепродуктами происходят  с завидной регулярностью, поэтому вопрос по выбору методов и мероприятий по ликвидации нефтезагрязнений является актуальным. Нефтяное загрязнение это попадание нефти в окружающую среду (розлив нефти) в результате действий человека. В это понятие также входят аварии танкеров, аварии на нефтяных платформах, буровых установках, скважинах, а также выброс любых веществ, полученных от переработки сырой нефти. Ликвидация последствий подобных происшествий занимает от нескольких месяцев до нескольких лет.

Разлив нефти может произойти как при ее добыче, транспортировке и хранении, так и при переработке и применении в технологических процессах. Помимо этого причинами нефтезагрязнения зачастую становится физический износ оборудования или его механическое повреждение. Лидирующие позиции по числу аварийных разливов нефти и нефтепродуктов занимают магистральные и внутрипромысловые продуктопроводы. Подавляющее большинство чрезвычайных происшествий на них связано с коррозией оборудования, некачественными строительно-монтажными работами и лишь незначительная часть с заводским браком и ошибками эксплуатации.    

Для правильного выбора мероприятий по ликвидации нефтяного загрязнения на любом нефтяном объекте необходимо представлять химические и физические преобразования нефти при попадании ее в окружающую  среду. С первых секунд контакта нефти и нефтепродуктов с водной средой или почвой начинают быстро развиваться сложные превращения, длительность и результаты которых зависят как от свойств и состава самой нефти, так и от конкретной ситуации.

Распространение разлитой на водной поверхности нефти происходит под действием сил тяжести и контролируется ее вязкостью и силами поверхностного натяжения. Уже через 10 минут после разлива 1 тонны нефти она распространяется на акватории в радиусе 50 метров и толщиной слоя 110 мм., с последующим образованием более тонкой пленки (менее 1 мм) и покрытием акватории площадью до 12 км².

При растекании сырой нефти по суше она быстро теряет свои летучие компоненты, а оставшиеся более вязкие фракции начинают тормозить процесс растекания. Пленочная нефть в водной среде дрейфует преимущественно по направлению ветра со скоростью, часто превышающей скорость движения воды и составляющей 3-4 % от скорости ветра. До 15 % углеводородов нефти переходит в растворенное состояние, и этот переход в раствор растянут во времени и в большей степени зависит от гидродинамических и физико-химических условий в поверхностных водах.

Химические превращения нефти на поверхности и в толще воды начинают проявляться не раньше чем через сутки после ее попадания и носят в основном окислительный характер. Конечные продукты окисления (гидроперекиси, фенолы, карбоновые кислоты, кетоны, альдегиды и др.) имеют повышенную растворимость в воде и обладают высокой токсичностью. Присутствие в воде и на суше частиц различного состава приводит к тому, что часть нефти (10-30 %) сорбируется на них или осаждается на дно водоема; эти процессы наиболее активно происходят в прибрежной полосе и на мелководье из-за интенсивного перемешивания. Одновременно идет процесс биоседиментации, т. е. извлечения нефти остатками организмов и их метаболитами. Тяжелые фракции нефти могут сохраняться в толще грунта или в донных осадках в течение многих месяцев и даже лет. Нефтяные агрегаты в виде смолистых комков образуются как остатки после испарения и растворения относительно легких фракций нефти, эмульгирования и химического превращения нефти. Очевидно, что нефть в окружающей среде быстро теряет свои первоначальные свойства, разделяется на группы углеводородов и фракции в разных миграционных формах, состав и химические свойства которых радикально изменились. Все перечисленное выше необходимо учитывать при осуществлении мероприятий по ликвидации нефтяного загрязнения на водных объектах и на суше.

Современный арсенал методов и средств, имеющихся в распоряжении служб по борьбе с разливами нефти, весьма разнообразен и включает механические, химические и биологические средства, которые обычно дополняют друг друга.

Механические способы.

С позиции экологической безопасности более предпочтительны механические способы сбора разлитой нефти - путем ограничения ее распространения и применения, специальных нефтесборщиков и сепарационных установок. Основными техническими средствами локализации нефтяного загрязнения являются боновые заграждения, и в настоящее время их известно около 150 видов, см. рис. 1.

Рисунок 1. Боновые заграждения.

Они не только локализуют разлив, но и обеспечивают эффективную очистку данной поверхности от нефти (например, сорбционные боны), а специальные сепарационные устройства приводят еще и к отделению собранной нефти от воды.

Для выполнения нефтесборных работ широко применяются скиммеры, рис. 2.

 Пороговые скиммеры просты в эксплуатации и надежны в применении. Принцип работы заключается в протекании поверхностного слоя жидкости через преграду (порог) в емкость с более низким уровнем, который достигается откачкой жидкости из емкости различными способами.

 

 

Рисунок 2. Скиммеры.

 

Олеофильные скиммеры (рис. 3) эффективны при небольших разливах на мелководье, в затонах, прудах, водоемах при наличии густых водорослей и пр. Принцип работы основан на способности некоторых материалов подвергать нефть и нефтепродукты налипанию. Преимуществом олеофильных нефтесборщиков является незначительное количество собираемой совместно с нефтью воды и низкой чувствительностью к cорту нефти.

 

 

Рисунок 3. Олеофильные скиммеры.

Физико-химические методы.

Широко используются физико-химические методы, основанные на свойствах различных материалов поглощать нефть. На воде наиболее эффективны плавающие сорбенты (плотностью менее 1000 кг/м³): природные - торф, мох, сено, солома, опилки и искусственные - полиуретан, резина, целлюлоза, кокс и другие материалы, выпускаемые в виде гранул или полос. Гранулированные сорбенты более эффективны, чем матерчатые, их применяют для удаления нефтяного загрязнения на больших площадях. Преимущество искусственных сорбентов по сравнению с природными заключается в возможности их повторного использования (после регенерации).

Минеральные сорбенты выпускаются в основном в виде порошка. Широкое применение для очистки поверхности воды от нефти нашел перлит, получаемый при обжиге обсидиана (вулканического стекла). Выпускается также сорбент на основе модифицированного карбонатного порошка, где в качестве модификатора служит смесь полимерной смолы и битума в равном массовом соотношении и в количестве 0,5-1,5 % от массы порошка. К недостаткам минеральных сорбентов относятся их разовое использование, сложность утилизации нефти и сравнительно пониженная сорбционная емкость. Твердые полимерные сорбенты применяются в измельченном (порошкообразном) виде; на поверхность загрязненной воды высыпают поглощающие частицы из олеофильного материала, имеющего плотность меньше плотности воды и обладающего адгезивными свойствами по отношению к нефти.

Поглощающие частицы с налипшей нефтью собирают и сжигают или отделяют нефть от сорбентов механическими способами. В качестве полимерных сорбентов пригодны различные смолы (например, измельченная сланцевая смола), используют также состав, содержащий фенолформальдегидную смолу, порошкообразователь и отвердитель. При нанесении этого состава на поверхность, покрытую нефтью, образуется плотная пастообразная масса, которая легко удаляется любым механическим способом. Удельное поглощение нефти составляет 20 единиц на единицу первоначальной массы. Твердые сорбенты растительного происхождения - это опилки. Для повышения качественных характеристик древесных опилок их пропитывают расплавом гидрофобного наполнителя, в отдельных случаях древесные опилки комбинируют с минеральными сорбентами (каолин, бетонит, тальк и др.). В качестве сорбента разбрасывают и модифицированный торф. Модификация заключается в замене минеральных подвижных ионов на органические, поэтому модифицирование проводят методом ионного обмена в водной среде, степень очистки нефти модифицированным торфом составляет до 90 %. Торф, модифицированный органическими катионами, долго не утрачивает своей сорбционной активности.

Комбинированные поглотители - это полипропиленовое волокно и пенополиуретаны. Пенополиуретановую массу помещают между гидрофобными слоями, крепят волокнистый слой к пенополиуретану свободно (в противном случае резко снижается эффективность поглотителя). Поглощающая способность комбинированных поглотителей для тяжелых и легких нефтей в зависимости от толщины пленки составляет 26 кг/кг, а кратность использования достигает даже 30 раз. Перечень химических веществ и препаратов, официально признанных в разных странах и одобренных для практического использования при ликвидации нефтяных разливов, насчитывает сейчас более 200 наименований.

По своему химическому составу, свойствам и назначению они делятся на следующие группы:

1) эмульгаторы для создания нефтяных эмульсий с целью рассеяния (диспергирования) нефти и ускорения ее разложения;

2) деэмульгаторы для разрушения устойчивых эмульсий типа «вода в нефти»;

3) отвердители для придания нефти твердой или желеобразной консистенции и ее последующего механического удаления;

4) моющие вещества для смывания нефтяных пленок, пятен и покрытий с пляжных и береговых участков;

5) осаждающие вещества для затопления разлитой нефти на дно (в исключительных случаях);

6) препараты для поджигания нефти на поверхности моря (в особых ситуациях);

7) препараты для гелеобразования, которые позволяют проводить утилизацию локализованной нефти для дальнейшей переработки; при контакте с нефтяной пленкой они превращаются в вязкую массу.

Диспергирующие агенты

Лидирующее положение в большом арсенале химических средств и методов для ликвидации нефтезагрязнения занимают диспергирующие агенты, которые представляют собой смесь растворителей и поверхностно активных веществ (ПАВ). Благодаря особенностям химической структуры и способности понижать поверхностное натяжение на границе раздела нефти с водой, ПАВ стабилизируют нефтяные капли в воде и таким образом эмульгируют и диспергируют нефть. При этом устраняется возможность образования нефтяных пленок на поверхности моря или пляжа, и резко ускоряются процессы химического и микробиологического распада нефти. Некоторые препараты на основе ПАВ обладают многофункциональными свойствами, как для диспергирования нефти, так и ее локализации и удаления. Некоторые из них синтезируются уже в промышленных масштабах для применения в аварийных ситуациях.

Однако полученный за последние 30 лет опыт практического использования таких препаратов, в том числе при ликвидации последствий разливов нефти, показал насколько серьезны трудности эффективного использования химических средств для указанных целей (при отсутствии стандартных схем и процедур, пригодных для всех видов аварийных ситуаций). К числу главных причин и факторов, снижающих эффективность химических средств для ликвидации нефтяных разливов, относятся:

- невозможность быстрого применения необходимых химических препаратов из-за погодных условий, отдаленности места разлива.

- образование обширных нефтяных полей и пленок или устойчивых водонефтяных эмульсий с повышенной вязкостью, а так же при химической обработке измененных под действием природных факторов нефтяных остатков.

Экологические последствия от разлитой недиспергированной в воде нефти, особенно когда она достигает берега и входит в контакт с мелководной прибрежной зоной, как правило, превосходят те последствия, которые возможны при использовании химических средств для рассеивания нефти в открытых водах. Применение диспергентов может быть эффективным при ликвидации небольших нефтяных разливов и на суше, когда есть возможность быстрой доставки химических средств.

Сжигание нефти на поверхности

В последнее время усилился интерес к способам ликвидации нефтяных разливов путем сжигания нефти на поверхности моря, отмелях и пляжах. Выявлены положительные эффекты от сжигания различной нефти и преимущества этого способа по сравнению с другими. Испытанные в различных природных условиях специальные препараты и методы для поджигания нефти и поддержания ее горения могут быть эффективными при ликвидации аварийных разливов в отдаленных районах и в ледовых условиях.

Однако нефть с низкой вязкостью растекается по водной поверхности очень тонким слоем, что заметно затрудняет ее сжигание (из-за быстрого испарения летучих и легковоспламеняющихся фракций). Для повышения эффективности горения нефти на поверхности используются специальные воспламеняющие химические средства (карбиды) и материалы (отходы целлюлозы, обработанная силиконом солома, древесные опилки), поддерживающие горение. Ни одно из перечисленных веществ не может поддерживать горение в течение длительного времени. Метод сжигания применим для борьбы с нефтяным загрязнением только в тех случаях, когда полностью исключается возможность возникновения пожара на любых соседних объектах. Во многих странах ведутся интенсивные поиски микробиологических способов уничтожения разливов нефти. Главная идея таких методов основана на способности некоторых видов микроорганизмов использовать нефтяные углеводороды в качестве пищевого субстрата и активно разлагать их при соответствующих условиях. Это постоянно происходит в водоемах или на суше и определяет интенсивность природных процессов самоочищения.

Шламонакопители

Экологический контроль за состоянием атмосферы должен обеспечивать возможность оценки динамики изменения опасных концентраций вредных веществ и последствий их влияния на все окружающие объекты природы. Не следует забывать и о состоянии здоровья нефтяников, временно или постоянно проживающих вблизи территорий нефтедобычи. Помимо загрязнения воздуха и вод нельзя забывать и о шламонакопителях, которые являются причиной гибели перелетных птиц и мелких животных. Кроме того, шламонакопители занимают значительные площади, выведенные из сельскохозяйственного оборота.

По результатам исследований ТатНИПИнефти по техногенному воздействию на окружающую среду, шламовые амбары либо вообще не имеют гидроизоляции, либо она нарушена и их содержимое проникает в почву на глубину до 80 м. Заполнение большинства шламонакопителей составляет от 80 до 95 %, поэтому задача по ликвидации нефтешламовых амбаров и утилизации их содержимого является для нефтедобывающих предприятий столь актуальной. Однако работы по ликвидации нефтешламовых амбаров ведутся крайне медленными темпами. Работы по рекультивации нефтешламовых амбаров сводятся лишь к осуществлению технического этапа, биологическая рекультивация загрязненных земель практически вовсе не проводится.

Таким образом, согласование технического развития и хозяйственной деятельности с экологическими требованиями и ограничениями (обусловленными продолжающимся глобальным экологическим кризисом, ухудшением состояния природной среды, истощением природных ресурсов) становится актуальной задачей общества в целом и самих предприятий в частности. Нефтегазовая отрасль, являясь основным источником формирования государственного бюджета, в то же время остается одной из зон повышенного экологического риска, связанного со спецификой сырья и продукции, а также с использованием высокотехнологичных и в то же время пожароопасных и взрывоопасных процессов.

Литература:

1. Давыдова С.Л., Тагасов В.И. Нефть и нефтепродукты в окружающей среде.

2. Дж.Х. Гэри, Г.Е. Хэндверк, М.Дж. Кайзер - Технологии и экономика нефтепереработки

3. Журнал «Сфера нефть и газ», статья П. Л. Ивасишина - Заместителя Генерального директора поОТ, ПБ и ООС ООО «ЮГРАГАЗПЕРЕРАБОТКА»

4. Журнал «Оil and Gas Eurasia».

5. Постановление Правительства РФ от 21 августа 2000 г. № 613 «О неотложных мерах по предупреждению и ликвидации аварийных разливов нефти и нефтепродуктов» (в ред. от 15 апреля 2002 г. № 240).

6. Приказ МПР «О совершенствовании работы в области борьбы с нефтеразливами» № 144, 2003г.

 

 

Код для цитирования: Скопировать