Подбор эффективных сорбентов для очистки водоемов от нефтяных загрязнений

Автор: Копаница Е., Томский Муниципальный
лицей при политехническом университете

Руководитель Осипова Н.А.

г. Томск

Постановка задачи

На территории экспериментального хозяйства Сибирского Ботанического Сада, на стыке террас реки Томи и реки Ушайки, в жилом микрорайоне города, Макрушинском, - расположено небольшое озеро. Предварительные эксперименты показали, что значительный вклад в его деградацию вносит нефтяное загрязнение. Об этом свидетельствуют данные химического анализа воды в озере по содержанию нефтепродуктов, ряд косвенных признаков: тонкая нефтяная пленка на поверхности воды, ручейки темноватой жидкости с резко выраженным запахом, стекающие в озеро. Одним из фактором антропогенного воздействия может рассматриваться расположенная на берегу водоема нефтебаза. В предыдущих исследованиях, проводимых в лаборатории «Химия и экология» Томского муниципального лицея [1], было изучено влияние водорастворимых компонентов нефти и нефтепродуктов на водные экосистемы, показано пагубное воздействие нефтяного загрязнения на растительные организмы.

Целью настоящего исследования явилось изучение возможности борьбы с нефтяным загрязнением с помощью сорбентов. Предстояло разобраться в адсорбционных свойствах природных и синтетических сорбирующих материалов и оценить перспективность их применения в очистке от нефтяного загрязнения. Очевидно, что одним из практических результатов такой работы в перспективе может быть разработка способов очистки от нефтепродуктов озера, описанного выше, являющегося постоянным объектом наших наблюдений на протяжении ряда лет.

Литературные сведения. Когда озера и их водосборы подвержены значительному антропогенному воздействию, восстановление следует понимать не как возврат экосистемы к ее начальному состоянию в далеком прошлом, а прежде всего как снижение антропогенной нагрузки на озеро, удаление биогенных и загрязняющих веществ , повышение самоочищающей способности водоема.[2]

В настоящее время имеется значительный арсенал методов ликвидации поверхностных загрязнений воды. Сейчас в мире при ликвидации разливов нефти предлагается использовать около двух сотен сорбентов, которые можно классифицировать по разным признакам [3]. Остро стоит вопрос о целесобразности организации сорбентов из местного сырья и отходов, что позволит не только оперативно решать экологические проблемы, связанные с нефтяным разливами, но и принесет существенную экономическую прибыль, так как производство сорбентов чрезвычайно выгодно при сформированном спросе. Кроме того, частично решаются проблемы утилизации местных отходов, создаются новые рабочие места [4]. В предыдущих исследованиях [5] предварительно исследована возможность борьбы с нефтяным загрязнением с помощью сорбента, производимого на одном из Томских предприятий из пластиковых бутылок.

Экспериментальная часть

Были описаны сорбенты и изучены адсорбционные свойства следующих материалов: древесные опилки, керамзит, шелуха овса, торф, «эковата-1», «эковата-2» (рис.1). Два последних сорбента – разработка томских ученых [4], которые научились перерабатывать бионеразлагаемые полимерные отходы в волокнистый полимерный материал.

Рис. 1 Слева –направо: Шелуха овса, торф, керамзит (верхний ряд),сосновые опилки, эковата

Сорбционная ёмкость оценивалась как отношение массы поглощенной нефти к массе сорбента, которые определялись по результатам взвешивания чашки с водой, нефтью и чашки с водой нефтью и адсорбентом, который целиком поглощает всю разлитую по поверхности нефть .Методика подробно описана в [5,6].

Проверка гидрофобности сорбента. Капнув на сорбент воду из пипетки, мы наблюдали, как лежит капля. Если плоской «лепешкой» с острыми углами по краям, то сорбент негидрофобный, и капля скоро впитается в материал. Если шариком - сорбент гидрофобный. Как правило, негидрофобные сорбенты быстрее тонут.

Определение времени плавучести.

Это важно при ликвидации разливов на воде. Если сорбент с нефтью утонет, то нефтяные пятна будут всплывать очень долго. Для проверки плавучести помещали сорбент в стеклянный цилиндр с водой и встряхивали, измеряли время, за которое сорбент или его часть утонет.

Влияние низкой температуры на качество сорбента. Хранение сорбентов в отапливаемых помещениях обходится дорого, а хранение их при низких температурах может повлиять на качество сорбента. Многие сорбенты перестают впитывать нефть или немедленно тонут. Поместив сорбент в морозилку на сутки, мы повторяли тест на плавучесть и нефтеемкость.

Поскольку растворимая часть нефтепродукта также пагубна для водоёма, его животного и растительного мира [1], мы постарались оценить эффективность действия сорбента в очистке от водорастворимой части нефтепродукта.В качестве степени доочистки было выбрано отношение перманганатной окисляемости одной и той же пробы до и после контакта с нефтью.

Этот эксперимент был спланирован следующим образом: смесь дистиллированной воды тщательно взбалтывалась с нефтью в бутылке с большим диаметром. Затем в неё загружалось известное количество сорбента, обеспечивающее по результатам испытаний сорбционной ёмкости, полную адсорбцию нефтяной плёнки. Адсорбент с поглощенным загрязнителем извлекался из ёмкости. Мы дополнительно визуально убеждались в полноте извлечения нерастворимой в воде части, заливали оставшуюся смесь в делительную воронку и туда же вновь загружали сорбент. Далее доочистку проводили двумя способами в статических условиях через 1 час и 2 суток; с динамических условиях пропусканием смеси через слой адсорбента.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

Описание сорбентов.

Рис2. Опилки сосновые

Опилки сосновые – отход лесопереработки, характеризуются разной формой зёрен(призматической и угловатой), преобладающие фракции 0,31-0,63мм и 2,5-5 мм.

Торф Асиновского и Пивоваровского месторождения Томской области относится к низинно-переходным, содержание минеральной части 35-50%, плотность 200-2500 кг/м³ , преобладающие фракции 0,63-2,5 мм.

Керамзит – искусственный зернистый материал, получаемый путём обжига глинистого сырья, пористость 50-60%, плотность 300-700 кг/м³. Поры представлены в основном мелкими, замкнутыми ячейками диаметром 0,5-0,8 мм.

Шелуха овса – отход переработки овса, представляет собой лёгкий материал с характерной формой скорлупы, плотность – 100 кг/м³

Рис.3 Шелуха овса

«Эковата – 1,2» – волокнистые пористые материалы, изготовленные при переработке пластиковых бутылок и бывших в употреблении медицинских шприцов, соответственно, на одном из томских предприятий на промышленной установке.

Рис. 4 Эковата

Все исследуемые сорбенты входят в число тех, которым томские ученые ищут новые области применения.

Результаты испытаний сорбционной емкости приведены в таблице 1, из которой видно, что наибольшую сорбционную емкость в отношении нефти проявил сорбент, изготовленный из отработанных медицинских шприцов. По сорбционной емкости он значительно превышает такие широко используемые в качестве сорбентов природные материалы как цеолиты и торф.

Такая своеобразная «промокашка» в виде полотна или кошмы может собирать нефть с поверхности воды. Мы встречались с учеными -–разработчиками этой технологии, посмотрели установку в работе, узнали, что это сорбент более высокого качества, чем его мировые аналоги, себестоимость невысока, а преимущества уже оценили первые заказчики. Следует отметить, что настоящая технология производства этого сорбента чрезвычайно важна в городе, задыхающемся от собственных отходов. А доля бионеразлагаемых полимерных, к которым относится сырье для этого сорбента – медицинские шприцы, с каждым годом растет.

Второй полимерный сорбент «Эковата-1» (изготовлен из пластиковых бутылок) сопоставим по сорбционной емкости с сосновыми опилками. Несмотря на невысокие сорбционные свойства остальных изученных сорбентов, перспективы их применения также не лишены оснований. Все изученные сорбенты, включая полимерные, оказались гидрофобными, не тонули при сборе нефтяной пленки, (за исключением керамзита), сохраняли сорбционные свойства после низкотемпературной обработки. В последующих экспериментах с керамзитом нами была достигнута более высокая адсорбционная способность и плавучесть путем измельчения его и отбора более мелкой фракции ( при этом , по-видимому была достигнута большая раскрываемость его ячеек). Однако это эксперимент требует доработки. Кроме того, отработанный сорбент ( например, торф с поглощенной нефтью) может служить топливом в виде топливных брикетов.

Данные таблиц 2,3 показывают, насколько эффективно решают испытанные сорбенты проблему очистки от водорастворимой части нефти и нефтепродуктов, то есть органических компонентов. Эффективность доочистки невысока в статических условиях, при неподвижном контакте смеси и сорбента, слабо зависит от природы адсорбата (нефть или бензин), несколько повышается при испытании сорбентов в динамических условиях. Наибольшую эффективность при доочистке показал также полимерный материал из экошприцов в динамических условиях, то есть при пропускании смеси через делительную воронку. Из этого можно предположить, что наряду с полислойной (физической) адсорбцией, обеспечивающей высокую сорбционную емкость эковаты в отношении нефти или нефтепродукта, имеет место и фильтрация с извлечением растворенных органических веществ как результат хемосорбции.

Таблица 1

Сорбционная ёмкость различных сорбентов

Сорбент	Сорбционная ёмкость
Керамзит	1,0
Торф 1	1,7
Торф 2	2,5
Отходы шелушения овса	5,1
Эковата из пластиковых бутылок	14,7
Древесные сосновые опилки	16,1
Эковата из одноразовых шприцов	40,5

Таблица 2

Испытание сорбентов в статических условиях

Сорбент	Система	Время контакта	Степень доочистки, %
Эковата-1	бензин-вода нефть-вода	1 час. 2 суток 1 час. 2 суток	0,3 0,5 0,3 0,5
Эковата-2	бензин-вода нефть-вода	1 час. 2 суток 1 час. 2 суток	0,5 3,5 0,5 3,5

Таблица 3

Испытание сорбентов в динамических условиях

Сорбент	Система	Время контакта	Степень доочистки, %
Торф	бензин-вода	1 час. 2 суток	3,5 6,1
Эковата-1	бензин-вода	1 час. 2 суток	5,4 18,6
Овес	бензин-вода	1 час. 2 суток	0,5 0,7
Эковата -2	бензин-вода	1 час. 2 суток	17,5 33,6

Литература

1. Афонин А., Кутугин В., Пипин О. Влияние водорастворимых компонентов нефтепродуктов на водные экосистемы. В сб. «VII Юношеские чтения им. Вернадского. Естественные науки» Москва, 2000. С. 839-843.

2. В.А.Румянцев, В.Г.Драбкова, С.А.Кондратьев Проблемы и пути восстановления умирающих озер. В сб. «Вода и экология», №2, 2000. С.70-74.

3. В.Ж.Аренс, О.М.Гридин, А.Л.Яшин. Нефтяные загрязнения: как решить проблему. Экология и промышленность России, сентябрь, 1999.

4. Г.Плющенко Промокашка из отходов. «Красное знамя», 30 апреля 1997 г., №115-116.

5. Иванов А., Самойленко И. Изучение нефтяного сорбента. В сб. «Юные исследователи – российской науке и технике». Томск, ТПУ, 2001 г. С.38-40.

6. О.М.Гридин. Как выбирать нефтяные сорбенты. Экология и промышленность России, сентябрь, 1999.