Ефективність поглинання нафти сорбентами природного та штучного походження

Ivano-Frankivsk National Technical University of Oil and Gas, Ivano-Frankivsk, Ukraine

THE EFFICIENCY OF OIL EXTRACTION BY NATURAL AND ARTIFICIAL SORBENTS

The global environmental problem of water resources contamination by oil and methods of solving it are considered. The efficiency of simple and accessible methods of oil-contaminated water purification is investigated. The economic benefit from the use of the sorbent method for solving the problem in comparison with the mechanical and dispersive method is revealed. The mechanical method of water purification from oil involves the use of expensive equipment. The dispersant method involves two successive stages of combating pollution of water resources with petroleum products. This, in turn, requires additional material and human resources, as well as a long period of time. The biological method of water purification from oil requires careful research, since organisms-remindants of oil can behave differently in their habitats and at a favourable level of life - to push out other indigenous species or to detect invasive effects on the ecosystem. The sorbing method is least cost-effective and ecologically friendly, since it involves the use of a wide range of sorbents of oil. The promise of this method is the availability of some natural and artificial materials that can be used as sorbents of oil. We have analyzed the practical value, advantages and disadvantages of natural and artificial sorbents of oil, which are widely used in various industries and national economy. The maximum absorption capacity of cotton is identified as a natural material that quickly absorbs oil components and does not require the use of additional resources to fight water contamination. Therefore, we recommend introducing the use of cotton as an environmentally safe and cost- effective material in solving the problem of water pollution with oil and petroleum products. We have found natural charcoal absorbent to be inefficient in comparison with other methods of water purification from oil and to require a long period of time and additional pollution traps, which is economically unprofitable. Synthetic polymer foam and white coal absorb oil in a short time, but in the latter case, small spots remain on the surface of the water. Therefore, the effectiveness of oil absorption by natural and synthetic materials, one can distinguish the following series of investigated materials: black coal ^ foam ^ white coal ^ cotton.

Keywords: oil; pollution; water resources; purification; methods; sorbents.

Вступ

Нафта є одним з основних і найнебезпечніших забруднювачів водних екосистем, що призводить до загибелі їх мешканців. Щороку у водні простори морів та океанів надходить понад 3 млн т нафти внаслідок аварій на бурових установках і платформах, магістральних газо- і нафтопроводах. Будівельні та технологічні дефекти та корозія трубопроводів призводять до прориву і руйнування обладнання з наступним аварійним витоком нафти (Plaksii, 2016; Tsibulnikova, 2015).

На поверхні води нафта може утворювати плівку, перебувати у формі розчинених або емульгованих у воді речовин, або осідати на дно водойми. Токсичний вплив компонентів нафти на водних мешканців призводить до їх загибелі та отруєння організмів, які знаходяться на вищих трофічних рівнях харчової піраміди. Ураження кровоносної, нервової систем людини спричиняють низькомолекулярні аліфатичні, нафтенові, ароматичні вуглеводні, а також важкі метали наявні у нафті (Kablov & Ioschenko, 2004; Poghamitskaya, 2016; Vladimirov, 2014).

Найвищі рівні забруднення нафтопродуктами зафіксовано у Середземному та Балтійському морях, що становить, відповідно, 17 та 14 % від усього забруднення Світового океану. В Україні, де щороку у водні екосистеми потрапляє понад 0,5 млн т нафти, використовують таку градацію для визначення маси нафти на поверхні води (табл. 1) (Maksymov et аі., 2004).

Табл. 1

Візуальні показники для визначення маси нафти на поверхні води

Найвищі концентрації нафти зафіксовано переважно у поверхневому, придонному шарах та у прибережній зоні. Основні складники нафти - вуглеводні різних класів - мають низьку розчинність у воді, що знижується зі збільшенням довжини карбонового ланцюга у їх молекулах (Максимюк та ін., 2013).

Табл. 3

Швидкість поглинання нафтової плями сорбентами

Як нерозчинна у воді суміш, нафта утворює емульсії типу нафта у воді та вода у нафті. Особливу небезпеку становлять агрегати - нафтові грудочки розміром 1-20 мм, оскільки можуть зберігатися довгий час у воді, переміщатися течією та осідати на дні водойми. Агрегати утворюються внаслідок поєднання високомолекуляр- них вуглеводнів типу смол і асфальтенів у єдину суміш, що є пасткою для водних мешканців - безхребетних та нижчих рослин (Brakorenko & Korotchenko, 2016).

Для боротьби з нафтовим забрудненням застосовують такі методи (Maksymiuk et al., 2014; Demirbas, 2017):

• механічний - використання обладнання, зокрема сепараторів, для відстоювання забрудненої нафтою води (Padaki, 2015);

• біологічний - розкладання нафтопродуктів мікроорганізмами родів Calanus, Penicillium, Candida, що здатні метаболі- зувати токсичні компоненти нафти та детоксифікувати їх до нешкідливих сполук. Цей метод, відомий також як біореме- діація, є екологічно безпечним та може використовуватися для відновлення трансформованого під впливом нафти абіотичного середовища (Yatsyshyn & Hlibovytska, 2016; Gli- bovytska & Plaksiy, 2018);

• диспергуючий - використання диспергентів марок ДН-75 та ЕПН-5, які емульгують нафтову плівку до окремих краплин, що піддаються в подальшому біохімічному розкладу;

• сорбуючий - полягає в застосуванні природних або синтетичних пористих матеріалів, здатних ефективно поглинати нафту - вугілля, перліт, дерев'яні ошурки, бентонітові глини, бавовна, торф, полістирол, пінопласт, алюмосилікати, сапропель (Esenkova, 2003; Nabatkyn, 2000). Саме сорбу- ючий метод є одним з найперспективніших способів очищення забруднених нафтою водних ресурсів, оскільки є найменш економічно затратним та найбільш швидким у подоланні проблеми забруднення порівняно з іншими. Тому метою цієї роботи є оцінення ефективності природних і штучних сорбуючих матеріалів у очищенні води від нафтового забруднення.

Матеріали та методи дослідження

Для проведення досліду використовували лабораторну установку (рис. 1). У досліді використовували легку нафту густиною 850 кг/м³. Лабораторна установка складається із посудини, заповненої водою, на поверхні якої за допомогою дозатора створюється нафтова пляма певних розмірів. За допомогою дозатора на поверхню плями із бункера подається сорбент. Збірник слугує для зберігання нафти. Секундоміром фіксують час сорбції нафтової плям.

Рис. 1 Схема лабораторної установки: 1) посудина; 2) вода; 3) дозатор нафтопродуктів; 4) нафтова пляма; 5) дозатор сорбенту; 6) бункер сорбенту; 7) сорбент; 8) збірник для нафти чи нафтопродуктів

Для проведення досліду заповнювали дистильованою водою посудину. За допомогою дозатора створювали на поверхні води нафтову пляму розміром 50-70 мм. Дозатором на поверхню плями нафти подавали сорбент у кількості, яка забезпечує повне покриття плями і одночасно включаємо секундомір. Як сорбенти використовували пінопласт, бавовну, біле та чорне вугілля. Після повного поглинання (сорбції) нафтової плями виключали секундомір, фіксуючи час досліду. Повторність досліду триразова. Статистичне оброблення результатів здійснювали з допомогою програм Excel 2016 та Statistica 6.0.

Результати дослідження

Найвищу швидкість поглинання нафти виявлено в разі застосування бавовни як сорбенту, найнижчу - за використання чорного вугілля (рис. 2).

Рис. 2 Динаміка поглинання нафтової плями сорбентами

У разі використання чорного вугілля відбувається процес згущення нафтової плями (табл. 2). Процес сорбції проходить повільно, частина сорбенту з сорбовани- ми нафтопродуктами утворила осад. Під час сорбції чорним вугіллям процес поглинання в середньому відбувається за 1,5 см/с (табл. 3).

Унаслідок використання білого вугілля процес згущення нафтової плями проходить досить інтенсивно, що становить у середньому 0,39 см/с. Велика частина сорбенту, що вступив у реакцію, випала в осад.

У разі використання пінопласту відбувається процес адгезії (прилипання до нижньої частини пінопласту). Середній час сорбції нафтової плями - 0,86 см/с. Нафта досить тісно зв'язується з пінопластом, що вказує на перебіг процесу сорбції нафти.

Унаслідок використання бавовни як сорбенту відбувається процес адгезії, коли нафтова пляма дуже швидко, в середньому 0,19 см/с, прилипає до поверхні, після чого можна легко відділити забруднення від поверхні води.

Висновки

Залежно від типу сорбенту, який використовують для очищення води від нафтового забруднення, залежить час і якість поглинання нафти.

Експериментальний дослід показав, що бавовна є найоптимальнішим варіантом очищення води від нафти. У цьому випадку не потрібно використовувати додаткових уловлювачів осаду. Бавовна найшвидше поглинає нафту. Вода як наслідок залишається чистою. Це найбільш швидкий і результативний спосіб.

Поглинання нафти білим вугіллям здійснюється за незначний час, частина сорбенту випадає в осад. Оскільки не вся маса білого вугілля вступила в контакт з нафтою, на поверхні частково залишаються незначні плями.

Пінопласт поглинає нафту за незначний час, однак поступається за ефективністю поглинання білому вугіллю та бавовні - природним матеріалам.

Поглинання нафти чорним вугіллям потребує значного часу та уловлювачів, оскільки вугілля крупно дисперсне і швидко випадає в осад. Цей спосіб очищення води від нафти є найбільш економічно невигідним та потребує тривалого часу для досягнення мети.

Перелік використаних джерел

1. Brakorenko, N. N., & Korotchenko, T. V. (2016). Impact of petroleum products on soil composition and physical-chemical properties. IOP Conf. Series: Earth and Environmental Science, 33, 1-6. https://doi.org/10.1088/1755-1315/33/1/012028 Demirbas, A. (2017). Treatment of contaminated wastewater. Petroleum Science and Technology, 35, 883-889.

2. Esenkova, N. P. (2003). Tekhnologiia likvidatcii razlivov neftepro- duktov na osnove netkanogo sorbenta. Neftianoe khoziaistvo, 2, 9596. [In Russian].

3. Glibovytska, N. I., & Plaksiy, L. V. (2018). Methods of water treatment from oil contamination. Ecological education and ecological culture of the population: Materials of the VI International Scientific Conference, (pp. 44-45). Prague, February 25-26.

4. Kablov, V. F., & Ioschenko, Yu. P. (2004). Oil spills and the issue of oil removal. Fundamental Research, 6, 64-68.

5. Maksimov, V. G., Diniak, S. A., & Diniak, O. V. (2004). Analiz sis- temnikh vtrat naftoproduktiv na pidpriemstvakh naftogazovogo kompleksu Ukraini. Ekologiia dovkillia ta bezpeka zhittediialnosti, 5, 41-44. [In Ukrainian].

6. Maksymiuk, M. R., Chumak, V. L., & Neshta, T. V. (2000). Ad- sorbtsiia poverkhnevo-aktyvnykh rechovyn iz stichnykh vod, zab- rudnenykh naftoproduktamy. Neftianoe khoziaistvo: materialy XI mizhnarodnoi naukovo-tekhnichnoi konferentsii, 11, 61-63. [In Ukrainian].

7. Maksymiuk, M. R., Mitskevych, D. I., & Mitskevych, A. I. (2013). Naftove zabrudnennia poverkhnevykh vod ta shliakhy podolannia yoho naslidkiv. Naukovi pratsi. Tekhnohenna bezpeka. Konferentsii "AVIA-2013", NAU, (pp. 21-23). [In Ukrainian].

8. Nabatkyn, A. N. (2014). Prymenenye, (Vol. 221(233), pp. 37-40). Mykolaiv: Vyd-vo ChDU im. Petra Mohyly. [In Ukrainian].

9. Padaki, M. (2015). Membrane technology enhancement in oil-water separation. A review. Desalination, 357, 197-207.

10. Plaksii, L. V. (2016). Metodolohiia otsiniuvannia poverkhnevykh vod v mistsiakh vplyvu obiektiv naftoprovidnoho transportu. Ekolo- hichna bezpeka ta zbalansovane resursokorystuvannia, 2(14), 5 p. Ivano-Frankivsk: IFNTUNH. [In Ukrainian].

11. Pogharnitskaya, O. V., et al. (2016). Treatment of petroleum-contaminated water resources: modern techniques. IOP Conf. Series: Earth and Environmental Science, 43, 1-6. https://doi.org/10.1088/1755- 1315/43/1/012026

12. Tsibulnikova, M. R. (2015). Economic assessment of environmental impact in the course of oil field development and production. IOP Conf. Series: Earth and Environmental Science, 27, 1-5. https://doi.org/10.1088/1755-1315/27/1/012076

13. Vladimirov, V. A. (2014). Oil spills: causes, scales, effects. Civil safety strategy: issues and research, 1, 217.

14. Yatsyshyn, T. M., & Hlibovytska, N. I. (2016). Vplyv naftohazovydo- butku na dovkillia i perspektyvy fitoindykatsii ta fitoremediatsii tekhnohennotransformovanykh terytorii. Ekolohichna bezpeka ta zbalansovane resursokorystuvannia, 1, 22-29. [In Ukrainian].

Размещено на Allbest.ru