XIII Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2021

Загрязнение нефтью и нефтепродуктами является одним из самых распространенных, опасных экологических загрязнений в мире. Утечка нефти оказывает чрезвычайно пагубное воздействие на морскую и пресноводную экологию. Нефтяные пятна могут замедлять поступление кислорода в воду, уменьшать прохождение солнечного света, ослабляя процесс фотосинтеза. При нефтяном загрязнении жизнедеятельность многих видов животных и растений изменяется.

Основными причинами нефтяного загрязнения воды являются износ нефтепроводов, нарушение техники безопасности и аварии. Самые большие катастрофы происходят в результате аварий на акваториях. Ежегодно в воду попадает около 1,5 миллионов кубометров нефти и нефтепродуктов.

Размер ущерба от разливов нефти и нефтепродуктов зависит от многих факторов, таких как вид разливаемых нефтепродуктов, состояние пострадавшей экосистемы, метеорологические условия, морские и речные потоки, времена года, состояние местного рыболовства и туризма и др. Также наиболее острой проблемой, стоящей перед человечеством, является проблема накопления промышленных и бытовых отходов, которые хранятся на свалках. Современный научно-технический прогресс связан с постоянным ускорением темпов потребления воды, земли и материальных ресурсов. Ежегодно в окружающую среду выбрасываются сотни миллионов тонн различных продуктов антропогенной деятельности человека. Наиболее опасными среди них являются гальванические шламы, полимерные отходы, нефтепродукты. Загрязнение окружающей среды нефтью и нефтепродуктами оказывает негативное влияние на количественные и качественные показатели воды и почв. Поэтому использование промышленных отходов при создании новых сорбционных материалов, обладающих низкой стоимостью и высокой эффективностью, при очистке сточных и поверхностных вод от нефтепродуктов является актуальной задачей и имеет научное и практическое значение.

Научная значимость решения данной задачи обоснована и экспериментально подтверждена возможностью получения сорбционных материалов для очистки сточных и поверхностных вод от нефтепродуктов с использованием полиэтилентерефталата, терморасширенного и окисленного графита, ферритизированного гальванического шлама, ранее не применявшихся в качестве композиционных материалов. Впервые проведено исследование закономерностей адсорбции нефти и нефтепродуктов, предложены возможные пути повышения сорбционной емкости и эффективности очистки воды путем модификации структуры сорбентов, их химического состава и др. Очистка воды может включать механические и физико-химические методы. Выбор способа и технологии разлива нефти и нефтепродуктов определяет эффективность очистки. Среди широкого спектра методов очистки воды от нефтепродуктов наиболее подходящим является сорбционный метод. С помощью сорбционного метода можно добиться эффективности очистки до 80-99%. Важным фактором является возможность извлечения нефтепродуктов и многократного использования сорбентов. В связи с этим, в задачи исследований входили: рассмотрение составов и технологии производства сорбционных материалов на основе промышленных отходов; изучение и оценка механических, физико-химических и сорбционных свойства полученных сорбентов, сорбционная очистка модельных растворов и сточных вод от промышленных товаров от нефтепродуктов с использованием разработанных сорбентов в статическом режиме, исследование возможности удаления нефтепродуктов с поверхности воды.

Известно, что мелкодисперсные полиолефиновые порошки используются при ликвидации разливов нефти и нефтепродуктов. Они являются эффективными сорбентами этих загрязняющих веществ. Поэтому был создан мелкодисперсный пористый полимерный сорбционный материал из отходов полиэтилентерефталата (ПЭТ) (упаковка, бутылки, тара и др.). Способ получения основан на обратимом фазовом переходе полимера из жидкого состояния в твердое[1]. Растворяющую смесь бензилового спирта и пластификатора дибутилфталата нагревают, затем добавляют измельченный ПЭТ и перемешивают до полного растворения ПЭТ с образованием однородной смеси. Охлаждение смеси до комнатной температуры приводит к осаждению твердого продукта (назовем его ПСМ-1-полимерный сорбционный материал), который соединяют с ацетоном в соотношении 1:2. Поры образуются в результате выщелачивания молекул бензилового спирта и дибутилфталата из ПСМ-1 ацетоном. Этот метод позволяет получить мелкодисперсный материал с мезопористой структурой.

Полученный полимерный сорбционный материал ПСМ-1 может быть использован для сорбционной очистки вод от нефтепродуктов, а также в качестве связующего при производстве таблетированных сорбционных материалов на основе терморасширенного графита (ТГ) и окисленного графита (ОГ) [2], а также композиционного сорбционного материала (КСМ) с магнитными свойствами на основе ферритизированного гальванического шлама. Ферритизированный гальванический шлам обладает магнитными свойствами. Ферритизированный гальванический шлам представляет собой ферриты различных тяжелых металлов, которые входят в состав шлама. Ферриты обладают магнитными свойствами, и именно они определяют их дальнейшее полезное применение в различных сферах [3, 4]. Использование ферритизированного гальванического шлама в качестве магнитной составляющей позволяет утилизировать промышленные отходы и получать на их основе сорбенты, которые могут быть извлечены из водной среды по завершении сорбционного процесса методом магнитной сепарации без дополнительных капитальных и энергетических затрат.

Основными показателями сорбционных материалов, используемых для сбора нефтепродуктов с поверхности резервуаров, являются нефтеемкость, плавучесть и адсорбция воды.

Плавучесть ПСМ-1 определяется соотношением открытых и закрытых пор, которые образуются в процессе формирования структуры. Высокая плавучесть ТГ, ОГ и КСМ связана не только с высокой гидрофобностью поверхности этих сорбционных материалов, но и с их структурой. В зависимости от погодных условий, при локализации нефтяного пятна, запас времени не должен превышать 24-72 часов с момента разлива без опасности причинения значительного вреда окружающей среде. Таким образом, использование разработанных сорбционных материалов, сохраняющих плавучесть в течение длительного времени, позволяет проводить мероприятия по сбору нефти с поверхности воды.

Экономическая эффективность сорбционной технологии, в том числе удельный расход сорбента, во многом определяется морфологией поверхности и пористой структурой сорбционного материала. Микроструктурные исследования сорбционных материалов показывают наличие неоднородной поверхности сорбента с наличием большого количества пор и углублений различной формы и размеров, которые являются важнейшими факторами, обеспечивающими прочное удержание сорбента на поверхности и в объеме сорбента. Такие характеристики сорбентов, как удельная поверхность и пористость материала, играют важную роль в сорбционной очистке воды. Пористость описывается такими характеристиками, как определение общего объема пор и распределение пор по размерам. Установлено, что структура ОГ имеет наибольший суммарный объем пор по сравнению с ПСМ-1 и ТГ.

Анализ распределения пор по размерам показал, что во всех сорбционных материалах преобладают мезопоры, удобные для послойного проникновения адсорбированных молекул нефтепродуктов.

КСМ не имеет пористости, а удельная поверхность обеспечивается дисперсностью частиц.

Максимальная сорбция промышленной нефти сорбционными материалами ПСМ-1, ТГ и ОГ происходит в первые минуты, после чего сорбенты способны удерживать сорбат, и это может быть связано не только с хорошей гидрофобностью и олеофильностью полученных сорбентов, но и с их структурой [5].

Известно, что размер молекул нефтепродуктов колеблется в пределах 5-10 Нм, а ПСМ-1 является мезопористым (радиус преобладающих пор составляет 2-50 Нм). Кроме того, при контакте твердых олеофильных частиц полимерного сорбционного материала ПСМ-1 с толстой нефтяной пленкой вокруг частиц сорбента образуются мицеллы, взаимодействующие друг с другом с образованием специфической сетчатой структурой.

Это приводит к заметному увеличению вязкости водонефтяной суспензии, а при высоких концентрациях ПСМ-1 в воде наблюдаются плотные конгломераты нефтяного загрязнения. При использовании ТГ и ОГ возможно также размещение нефтепродуктов в пустотах сорбционного материала за счет капиллярных сил и олеофильности. При большой толщине нефтяной пленки наблюдается эффективное введение нефтяного загрязнителя в пористую зону таблетированных сорбентов. Применение ПСМ-1 рекомендуется для ликвидации разливов нефти в водоемах.

Наиболее перспективным направлением использования магнитных СМ является сбор разлитых нефтепродуктов с поверхности воды с последующей экстракцией методом магнитной сепарации. Эффективность очистки водной поверхности при использовании сорбционных материалов определяется количеством используемого сорбента и может достигать значений 99,9 %.

Эффективная интеркаляция нефти и нефтепродуктов в пористую зернистую зону сорбента происходит с большей толщиной. Кроме того, образование мицелл вокруг частиц сорбента происходит при контакте твердых олеофильных частиц КСМ с толстой нефтяной пленкой. Эти мицеллы взаимодействуют друг с другом с образованием специфической сетчатой структуры, что приводит к заметному увеличению вязкости нефтеводяной суспензии, которая легко удаляется магнитом.

Адсорбенты обладают низкой стоимостью, высокой сорбционной способностью, высокой механической прочностью и легко регенерируются. Поглощенные вещества экстрагируют методом центрифугирования или вакуумными фильтрами после завершения процесса сорбции. Это позволяет повторно использовать нефтепродукты в промышленности, а также регенерировать сорбенты с возможностью их повторного использования. После достижения сорбционно-десорбционной способности (не менее 5 циклов регенерации) материалы утилизируют путем пиролиза с получением тепловой энергии или в качестве смолистых добавок в асфальтобетонные смеси при производстве дорожного покрытия.

Заключение

Была рассмотрена перспективность применения определенных сорбционных материалов на основе промышленных отходов для ликвидации разливов нефтепродуктов с поверхности воды. Установлено, что данные сорбенты обладают механической прочностью, хорошей сорбционной способностью по нефтепродуктам, гидрофобностью, плавучестью, а также возможностью их регенерации и повторного использования.

Список используемой литературы:

1. Мизеровский Л. Н., Почивалов К. В. К вопросу о применимости правила фаз к системам аморфно-кристаллический полимер-жидкость // Химия и химическая технология. 2007. том 50. выпуск 3. С. 72-78.

2. Бухарова Е. А., Татаринцева Е. А. // Применение композиционного сорбента на основе терморасширенного графита в природоохранных технологиях II Международная молодежная научная конференция Часть 2 Белгород: Издательсьво БГТУ 2014 стр. 28-32

3. Краснов К. С. Физическая химия М.: Высшая школа, 2001 - 512 с.

4. Heuss-Aßbichler S, John M., Huber A. L. A new procedure for recovering heavy metals in industrial wastewater WIT Transactions on Ecology and The Environment Vol 202 p 85–96

5. Бухарова Е. А., Татаринцева Е. А., Серебряков А. В., Нагар Ю. Н. 2015 Получение полимерных композиционных сорбентов на основе терморасширенного и окисленного графита для очистки водных объектов от нефтепродуктов // Водоочистка стр. 20-25