IX Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2017

Введение

«7 мая 2011 года в Кандалакшском заливе Белого моря (Мурманская область) произошёл разлив нефти в результате утечки в ЗАО «Беломорская нефтебаза». Возникла непосредственная угроза Кандалакшскому государственному природному заповеднику, который находится в полутора километрах от места загрязнения. При обследовании Кандалакшского залива установлено, что его акватория загрязнена нефтепродуктами. Толщина плёнки – от 2 до 5 миллиметров. При детальном обследовании береговой линии и акватории Кандалакшского залива установлено, что в районе ЗАО «Беломорская нефтебаза» общая площадь загрязнения акватории составляет 199 тысяч квадратных метров, береговой линии – 400 квадратных метров» [4].

Как и остальные моря, Белое, испытывает негативное влияние нефти. Это всем известный современный загрязнитель, называемый «чёрным золотом». Нефть попадает в воду самыми разными способами, но основной – это утечка с нефтебаз. Нефть больше страшна своими физическими свойствами, нежели химическими. Перья птиц, намокая в этой густой жидкости, лишаются теплоизоляционного слоя и способности летать, в результате чего птицы погибают либо от голода, либо от холода, либо просто тонут. Нефтяная пленка препятствует нормальному обмену кислородом воздуха с водой. К счастью, чаще всего разлитую нефть удаётся относительно быстро собрать и обезвредить. То, что остаётся в море, сбивается волнами в комки и уходит на дно, где в дальнейшем перекрывается донными отложениями и нейтрализуется. Такие нефтяные комки со временем уничтожают бактерии.

Мелкие поступления в воду этого продукта гораздо опаснее для экологии. Как бы плохо «чёрное золото» не растворялось в воде, всё же этот процесс с течением времени происходит. Таким образом, ядовитые вещества, содержащиеся в нефти, попадают в гидросферу. Не нанося вреда сразу, они включаются в круговорот веществ и вызывают у морской флоры и фауны различные заболевания. Это бомба замедленного действия.

Ликвидация последствий аварийных разливов нефти проводится ме­ханическими, физико-химическими и биологическими методами. Считается предпочтительным применение в первую очередь механических и физических средств, использование которых кажется наиболее доступным, а результат сразу виден. Задача очистки усложняется, если нефтяное пятно достигает береговой линии. В данной ситуации меры борьбы будут очень дорогостоящи­ми, трудоёмкими и могут оказать серьёзное влияние на окружающую среду. Поэтому важно, используя наиболее эффективные и доступные способы, в предельно короткие сроки удалить нефтяное пятно с поверхности воды и спасти птиц и животных, оказавшихся в зоне бедствия [1].

Именно эта проблема заинтересовала нас. Так появилась наша исследовательская работа.

Объект исследования: нефтяные загрязнения воды.

Предмет исследования: методы устранения нефтяных загрязнений на поверхности воды.

Цель исследования: экспериментальным путём определить, какие способы удаления нефти с поверхности воды и пера птиц являются наиболее эффективными.

Задачи исследования:

1. На основе анализа литературы дать общую характеристику физических и химических свойств нефти.

2. Рассмотреть влияние нефтяных загрязнений на водные источники.

3. Изучить способы и методы ликвидации нефтяных загрязнений. Выявить наиболее доступные и безопасные методы очистки нефтяных загрязнений.

4. Определить экспериментальным путём эффективность выбранных методов для удаления нефтяных пятен.

5. Сравнить полученные результаты, сформулировать выводы.

Методы исследования:

1. Изучение литературы по данному вопросу.

2. Эксперимент.

3. Анализ, систематизация и обобщение полученных данных.

Практическая ценность нашей работы состоит в возможности использования результатов исследования в практике для удаления нефтяных загрязнений.

Теоретические основы исследования.

1 «Чёрное золото»

Нефть¹ – «чёрное золото». Такое выражение известно всем и его смысл тоже. Нефть – неисчерпаемый источник энергии и химических продуктов для человека. Сейчас наша жизнь настолько от неё зависит, что было бы страшно представить её отсутствие. Широко известна фраза Д.И. Менделеева «Нефть – топливо, но дешевле топить ассигнациями». В настоящее время нефтехимия даёт почти четверть всей химической продукции. Нефть – ценнейшее природное ископаемое. Нефть известна очень давно. Археологи установили, что её добывали и использовали уже за 5–6 тысяч лет до нашей эры. Наиболее древние промыслы известны на берегах Евфрата, в Керчи, в китайской провинции Сычуань. Упоминание о нефти также встречается во многих древних рукописных книгах.

2 Свойства нефти

Нефть – маслянистая жидкость, являющаяся смесью углеводородов, от светло-коричневого (почти бесцветная) до тёмно-бурого (почти чёрного) цвета (бывают образцы даже изумрудно-зелёной нефти). Средняя молекулярная масса 220–400 г/моль (редко 450–470). Плотность 0,65–1,05 (обычно 0,82–0,95) г/см³; нефть, плотность которой ниже 0,83, называется лёгкой, 0,831–0,860 – средней, выше 0,860 – тяжёлой. Вязкость – одна из самых главных физических характеристик нефти. Вязкость – это свойство оказывать сопротивление перемещению частиц под влиянием приложенной силы. В практике также используется условная вязкость, определяемая скоростью вытекания испытуемой жидкости в стандартных условиях. Вязкость нефти меняется в широких пределах в зависимости от свойств (от менее 0,1 до 10 мПа·с). Чем тяжелее нефть, тем она менее текучая и подвижная. Поверхностное натяжение нефти – важнейшее свойство, во многом определяющее перемещение её в системе флюидов в недрах. Поверхностное натяжение σ характеризует стремление жидкости уменьшить свою поверхность. Оно обусловлено силами притяжения между молекулами, внутри жидкости силы взаимно компенсируются. Температура застывания – важный показатель свойств нефтей. За таковую принимают температуру, при которой охлаждённая в пробирке нефть не изменит уровня при наклоне на 45°. Температура застывания нефти возрастает с увеличением в ней твёрдых парафинов, а с повышением содержания смол температура застывания снижается. Растворимость нефти в воде при обычных температурах ничтожна, но она резко возрастает при температуре больше 200 °С. Нефть хорошо растворяется в углеводородном природном газе.

Из химических свойств наиболее значимым является горючесть нефти – при сжигании 1 кг нефти выделяется 44 МДж энергии [5].

3 Нефтяные загрязнения и их последствия

Человечество слишком медленно подходит к пониманию масштабов опасности, которую создаёт легкомысленное отношение к окружающей среде. За время своего существования и особенно в XX в. люди ухитрились уничтожить 70 % всех естественных экологических систем на планете. Во многих местах берега сейчас загрязнены и отравлены нефтью из танкеров, нефтепроводов и других устройств. Такая же ситуация складывается с гидросферой и на континентах: реки, озёра делаются непригодными не только для их законных обитателей, но и для людей. Причинами экологических катастроф являются пренебрежение мерами безопасности, халатность персонала предприятий, политические и административные амбиции, алчность, бездумное стремление к экономии средств и к дезинформации или полному утаиванию сведений о катастрофе.

Ежегодно в Мировой океан сбрасывается около 10 млн тонн нефти, часть поверхности воды уже покрыта тончайшей радужной пленкой. Такое положение чревато многими неприятностями глобального масштаба. Плёнка нефти на поверхности воды уменьшает испарения с этого участка на 60 %. В результате усиливается нагрев водной поверхности. Воздух из-за плёнки мало насыщается влагой (водяными парами), поэтому, проходя над континентами, такие воздушные массы дадут мало осадков.

Через 10 минут после того, как в воде оказывается 1 тонна нефти, образуется нефтяное пятно, толщина которого составляет 10 мм. С течением времени толщина плёнки уменьшается (до менее 1 мм), в то время, как пятно расширяется. 1 тонна нефти способна покрыть площадь до 12 км². Дальнейшие изменения происходят под воздействием ветра, волн и погоды. Обычно пятно дрейфует по воле ветра, постепенно распадаясь на более мелкие пятна, которые способны удаляться на значительные расстояния от места разлива. Сильные ветры и штормы ускоряют процесс дисперсии пленки.

Нефтяное загрязнение Мирового океана самое распространённое явление. От 2 до 4 % водной поверхности Тихого и Атлантического океанов постоянно покрыто нефтяной плёнкой. В море нефтяное загрязнение имеет различные формы. Оно может тонкой пленкой покрывать поверхность воды. При разливах толщина нефтяного покрытия вначале может составлять несколько сантиметров. С течением времени образуется эмульсия нефти в воде или воды в нефти. Позже возникают комочки тяжёлой фракции нефти, нефтяные агрегаты, которые способны долго плавать на поверхности моря. К плавающим комочкам мазута прикрепляются разные мелкие животные, которыми охотно питаются рыбы и усатые киты. Вместе с ними они заглатывают и нефть. Одни рыбы от этого гибнут, другие насквозь пропитываются нефтью и становятся непригодны для употребления в пищу из-за неприятного запаха и вкуса.

Все компоненты нефти токсичны для морских организмов. Нефть влияет на структуру сообщества морских животных. При нефтяном загрязнении изменяется соотношение видов и уменьшается их разнообразие. Даже небольшое количество загрязнения воды нефтью вызывает изменение состава крови, нарушение углеродного обмена у рыб, мидий, креветок. Английские орнитологи подсчитали, что ежегодно гибнет более 250 000 птиц. Даже при лёгком загрязнении птицы начинают чиститься клювом, глотая нефть или мазут. Это ведёт к появлению различных заболеваний или полному отравлению. Серьезный вред наносит загрязнение нефтью и крупным морским животным – китам, дельфинам, тюленям. Если тюлень появляется в месте расположения нефтяного пятна, он пачкает мех. Мех теряет свои теплоизолирующие свойства, а это ведёт к охлаждению или прямому отравлению. У тюленей нефть вызывает воспаление глаз, что иногда кончается слепотой. Загрязнения нефтью сказываются и на жизни природных других животных. Исследователь морских глубин Жак-Ив Кусто в книге «Жизнь и смерть кораллового моря» пишет, что достаточно появления вблизи кораллов нефти или мазута, и на большой площади погибают коралловые полипы [6].

4 Экспериментальная часть исследования

Анализ процессов, происходящих при разливе нефти в воде.

Изучив литературу, составили схему происходящих процессов при разливе нефти (Приложение 1).

После составления схемы и анализа всех происходящих процессов был сделан вывод: чем быстрее собрать разлившуюся на поверхности воды нефть, тем меньший вред будет нанесён окружающей среде.

4.1 Изучение способов ликвидации нефтяных загрязнений

Мы изучили разные источники, в которых описаны способы ликвидации нефтяных загрязнений [2, 3].

Все известные на сегодняшний день можно разделить на четыре группы. Данные приведены в таблице (приложение 2).

4.2 Экспериментальное определение эффективности разных способов устранения нефтяных загрязнений

Из описанных способов удаления нефтяных загрязнений мы решили практически проверить эффективность следующих: механическое ограждение, борьба средствами адсорбции, затопление или осаждение, поджёг, разложение или химическое рассеивание. Для удаления нефтяных загрязнений с поверхности пера птицы единственно возможным является использование синтетических моющих средств. В ходе выполнения эксперимента оценили эффективность каждого способа очистки поверхности воды и пера птиц.

4.3 Подготовка эксперимента

В фарфоровую чашку налили воду, затем добавили нефть, тем самым смоделировали экологическую катастрофу. Нефть разливается по поверхности воды тонкой плёнкой.

№ опыта	Условие	Наблюдения	Вывод о возможности применения
1.	Поджёг	Нефть не горит	Тонкий слой, вода оказывает охлаждающее действие
	Поджёг при помощи «фитиля» (в качестве «фитиля» использовали торфяную крошку и кусочки бумаги)	Нефть горит	Нефть горит, но местами всё равно остаётся тонкая пленка. Происходит частичная очистка поверхности воды. Сжигание больших количеств может нанести большой вред экологии атмосферы, из-за попадания в неё продуктов горения.
2.	Механическое ограждение	Нефть концентрируется у границы ограждения	Нефтяное пятно не выходит за пределы ограждения, но, если взболтать воду оно частично выходит за его границы. В целом, препятствует дальнейшему распространению нефтяного пятна. Несмотря на неполную очистку, оно приводит к меньшим негативным экологическим последствиям
3.	Осаждение с помощью крошки мела	Практически полностью масса затонула	Эффективное удаление с поверхности воды, но на морском дне нефть всё ещё опасна для водорослей и глубоководных животных. К тому же со временем эта масса всплывает
4.	Использование СМС («Fairy»)	Нефть концентрируется у стенок фарфоровой чашки	Возможно, этот способ облегчает сбор разлившихся веществ (происходит концентрация нефти у берегов). Хотя с другой стороны испачканных нефтепродуктами птиц и морских животных под тяжестью веса прибивает к берегу, что усугубляет их положение
5.	Адсорбция с помощью активированного угля	Частичное поглощение нефтепродуктов, большая их часть осталась на поверхности воды.	Этот способ не эффективен, так как происходит механическое загрязнение больших участков поверхности воды
6.	Удаление нефти с пера птицы при помощи тёплой воды и СМС (смесь «Fairy» и чистящего порошка «Mr.Proper»)	Это средство очень хорошо очистило перо, не нанося ему вреда.	Для того, чтобы отмыть одну птицу, покрытую нефтяной пленкой, требуется два человека, 45 минут времени и 1,1 тыс. литров чистой воды.

4.4 Выводы

В результате проведённого исследования мы сформулировали следующие выводы:

1. Влияние нефти на окружающую среду обусловлено её составом, физическими и химическими свойствами.

2. Загрязняющие вещества нефти изменяют состав жизненных сред, что является причиной возникновения многих глобальных экологических проблем, таких как изменение климата, появление кислотных осадков, сокращение численности многих видов растений и животных, нехватки чистой пресной воды и других.

3. Существует много различных способов ликвидации нефтяных загрязнений.

4. Ни один из проверенных нами способов не приводит к идеальному результату по очистке поверхности воды от нефтяных загрязнений.

5. Наиболее эффективным является сочетание нескольких способов.

6. Животные, оказавшиеся в зоне бедствия, могут быть спасены только ручным способом: чистка и мытьё моющими средствами.

Заключение

Исследования в области решения проблем, связанных с разливами и утечками нефти, продолжаются. Так, разработано устройство для обработки верхнего слоя жидкости, представляющей собой плоскодонное судно длиной 70 м, шириной 20 м, высотой 6 м и осадка – 4 м. В носовой части корпуса (на высоте воды) расположены отверстия для забора загрязнённой нефтью воды, которая поступает в центральный отсек (внутри судна), где разделяется на нефть и воду. Перспективно применение гранулированных адсорбентов и жидкостей, обладающих магнитными свойствами, которые после адсорбции нефти легко удаляются магнитом.

Предлагается испытать модифицированный термообработкой торф. Им наполняют пористые капроновые боны, что значительно упрощает технологию сбора и удаления нефтепродукта с поверхности воды. Для связывания нефти в нефтевоздушные суспензии испывается высокодисперсная аморфная гидрофобная кремнекислота – силикагель – сорбент для нефти. Перспективным является микробиологическое разложение нефти для предотвращения загрязнения водоёмов нефтепродуктами – для некоторых бактерий нефть является питательной средой. Кроме того, разработан специальный гель, вызывающий затвердевание нефтяной плёнки и специальный адсорбирующий порошок, 20 кг которого, позволяют собрать тонну нефти.

Наиболее эффективным представляется сочетание физико-химической сорбции и микробиологического разложения: сначала обеспечивается сбор плавающей нефти с помощью нефтесорбента, затем производят захоронение такой массы на специальных земельных участках с последующим её биоразложением почвенными микроорганизмами.

Литература и информационные источники

1. Хотунцев Ю.Л. Человек, технологии, окружающая среда. – М.: Устойчивый мир, 2001.

2. Руководство по ликвидации разливов нефти на морях, реках и озерах, изд.ЗАО «ЦНИИМФ», СПб, 2002. – 344 с.

3. Как избавиться от загрязнения нефтью и нефтепродуктами? // Журнал «Энергия», 2002 год, № 5, с. 42–46.

4. http://www.bellona.ru/articles_ru/articles_2011/1305151033.06

5. http://chem932.ucoz.ru/publ/neft/1-1-0-3

6. http://www.baltprint.ru/index.php/novosti/ekologiya

7. http://сайтнефтиигаза.рф/2012/02/sposoby-borby-s-neftezagryazneniem-vodnyx-obektov/

ПРИЛОЖЕНИЯ

Приложение 1.

Схема процессов, происходящих при разливе нефти

Приложение 2.

Способы ликвидации нефтяных загрязнений

Способы	Виды
Механические	Простое вычерпывание вручную с борта небольших судов; ограничение нефтяной пленки с помощью плавающих бонов, с дальнейшей её концентрированием, путём уменьшения поверхности и сближения бонов; сложными машинными комплексами.
Физические	Нефть, плавающую на поверхности воды, можно частично собрать, накрыв её адсорбирующим материалом, покрытие нефтяной пленки порошком или мелкогранулированным веществом, которые, смешиваясь с нефтью, приклеиваются и затопляют её. (Однако, многочисленные эксперименты показали, что через несколько месяцев затопленная масса становится подвижной, и нефть может подняться при волнении моря).
Химические	Нефть и нефтепродукты можно сжигать, но только сразу после разлива, т. к. она в течение первых двух часов теряет легкие фракции, и быстро растекаясь, образует тонкий слой, а охлаждающее действие воды, находящейся под этим слоем, приводит к прекращению горения Перспективным является использование детергентов, к которым относятся вещества, образующие эмульсию и химически воздействующие на молекулы углеводородных соединений и изменяющие их поверхностное натяжение.
Биологические	В живом микромире есть формы, которые способны существовать за счет углеводородов. К ним принадлежат представители нескольких родов бактерий, именно их размножение в зонах загрязнения обеспечивает эффект самоочищения воды или грунта.

1^ https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%9D%D0%B5%D1%84%D1%82%D1%8C

Код для цитирования: Скопировать