Методи знешкодження розлитої нафти на поверхні водоймищ
ВИВЧЕННЯ МЕТОДІВ ОЧИЩЕННЯ ПОВЕРХНІ
ВОДОЙМИЩ ВІД НАФТИ І НАФТОПРОДУКТІВ
ІНСТРУКЦІЯ
до лабораторної роботи №3
з курсу “Основи екології”
для студентів нехімічних спеціальностей
усіх форм навчання
Затверджено
на засіданні кафедри
хімічної інженерії
та промислової екології
Протокол № 7 від 23.12.2001 р.
Львів – 2002
Мета роботи: Вивчення особливостей забруднення водоймищ нафтою і нафтопродуктами та методів і засобів очищення води від цих забруднень.
І. ТЕОРЕТИЧНА ЧАСТИНА
Вода - одна з найпоширеніших сполук на Землі. Вона займає 71 % земної поверхні, у вільному чи зв'язаному стані оточує нас скрізь. Загальний об'єм води на Землі становить 1386 млн. км., з них на Світовий океан припадає 1338 млн. км3, або 96,5 %. Загальна площа океанів і морів перевищує площу суходолу у 2.5 раза. Запаси прісної води, потреба людей у якій є особливо великою, незначні: становлять 35029.2 тис. км3 і є вичерпними. Забруднення водних ресурсів - це зміни їхніх фізичних, хімічних та біологічних властивостей внаслідок потрапляння до них шкідливих рідких, твердих та газоподібних речовин, що роблять воду небезпечною для використання, завдають школи суспільному господарству і здоров'ю людей.
Розрізняють забруднення водоймищ фізичні (механічні), хімічні, біологічні (бактеріальні), радіоактивні і теплові. Особливо небезпечним є забруднення водойм нафтою і нафтопродуктами, яке належить до хімічних забруднень. Це основна забруднювальна речовина морів і океанів. Сюди вона потрапляє під час буріння морського дна, аварій танкерів, які перевозять нафту, в різних районах Світового океану. У моря і океани щороку потрапляє більше 3 млн. т нафти і нафтопродуктів (табл. 1).
Таблиця 1
Забруднення нафтопродуктами морського середовища станом на 2001 рік
| № п/п | Джерела забруднення | Кількість скиду | |
| млн.т | % | ||
| Танкерний флот (аварії, робота двигунів, обслуговування в доках) | 1,46 | 48,3 | |
| Інше судноплавство | 0,50 | 16,5 | |
| Видобуток нафти на шельфі | 0,05 | 1,7 | |
| Атмосферне перенесення з континентів | 0,30 | 10,0 | |
| Річковий стік | 0,04 | 1,3 | |
| Неочищені промислові стічні води | 0,20 | 6,6 | |
| Прибережна нафтопереробна промисловість | 0,10 | 3,3 | |
| Дощова вода (змив міських територій) | 0,12 | 4,0 | |
| Природні витоки нафти з дна | 0,25 | 8,2 | |
| Разом: | 3,02 |
Концентрація нафтопродуктів у водах Світового океану коливається в широких межах: Тихий океан - 0 - 200 мкг/л; Атлантичний океан - 0 - 160 мкг/л; Середземне море -0 - 950 мкг/л; Чорне море - 0 - 290 мкг/л: Балтійське море - 0 - 700 мкг/л; Північне море -0 - 350 мкг/л.
Допустиме значення концентрації нафти та нафтопродуктів у воді, тобто ГДК, знаходиться в межах 50 мкг/л.
Найбільш забруднені нафтопродуктами Середземне море - 17 %, Балтійське - 14 % від усього забруднення в Світовому океані.
Вкриваючи воду тонкою плівкою, нафта перешкоджає проникненню у воду кисню, чим завдає величезної шкоди мешканцям води і часто призводить до їх масової загибелі. Відомо що 1 г нафти вбиває все живе в 1 м3 води. Від нафти гинуть риба, ракоподібні та багато інших тварин. Якщо після нафтового забруднення риба залишається живою, то її не можна споживати, бо вона має сильний нафтовий запах і неприємний смак.
Попадаючи в морську воду, нафта спочатку розтікається у вигляді поверхневої плівки, утворюючи шар різної товщини. За кольором нафтової плівки можна приблизно оцінити її товщину (табл. 2).
Таблиця 2
Характеристика нафтових плівок на поверхні води (Нельсон - Сміт, 1997)
| № з/п | Зовнішній вигляд | Товщина, мкм | Кількість нафти, л/км2 |
| Злегка помітна плівка | 0,038 | ||
| Сріблястий відблиск плівки | 0,076 | ||
| Сліди зафарбування плівки | 0,152 | ||
| Яскраво зафарбовані розводи | 0,305 | ||
| Тьмяно зафарбована плівка | 1,016 | ||
| Темно зафарбована плівка | 2,032 |
Різниця оптичних характеристик нафтових плівок і морської води дозволяє проводити дистанційне виявлення й оцінку нафтових забруднень на поверхні моря чи океану в ультрафіолетовій, видимій та інфрачервоній частинах спектру. Для цього застосовуються пасивні і активні методи. Пасивні методи використовують природне випромінювання, відбите чи випромінюване системою нафта-вода. При спостереженні із супутників Землі найбільш інформативним для виявлення забруднених районів океанів і морів є інтервал 600 - 800 нм. Випромінювання в інфрачервоній області спектру засновані на різниш температур чистої води і води, покритої нафтовою плівкою або на різниці коефіцієнтів випромінювання. Активні методи дистанційного виявлення нафтових забруднень води полягають у використанні штучного джерела випромінювання. До них належать методи оптичної локації, засновані на різниці коефіцієнтів відбивання від забрудненої і чистої поверхні води (діапазон 300 - 400 і 1000 - 1200 нм), а також методи, засновані на випромінюванні флюоресценції плівок нафти за допомогою лідарів в робочих довжинах хвиль 337, 354 і 530 нм.
Згідно з приблизними оцінками, швидкість пересування нафтових плям становить 60 % швидкості течії і 2 - 4 % швидкості вітру, причому нафтова плівка повністю знищує капілярні хвилі, майже повністю малі гравітаційні хвилі і в 2 - 3 рази зменшує параметр шершавості водяної поверхні.
У перші години існування нафтової плівки велике значення має випаровування вуглеводнів. Згідно з даними спостережень, за 12 год випаровується до 25 % легких фракцій нафти, при температурі води 15 0C всі вуглеводні до Qs випаровуються за 10 діб. Всі вуглеводні нафти мають слабку розчинність у воді, яка зменшується із збільшенням кількості атомів вуглецю в молекулі. В 1 л дистильованої води розчиняється близько 10 мг сполук із C6, 1 мг - із C9 і 0,01 мг сполук з C12.
Змішуючись з водою, нафта утворює емульсії двох типів: прямі "нафта у воді" та зворотні "вода у нафті". Прямі емульсії, утворені краплинками нафти діаметром до 0,5 мкм, менш стійкі і особливо характерні для сортів нафти, які вмішують поверхнево-активні речовини. Після видалення летких і розчинних фракцій залишкова нафта частіше утворює в'язкі зворотні емульсії, які стабілізуються високомолекулярними сполуками типу смол і асфальтенів і вміщують 50 – 80 % води (шоколадний мус). Під впливом абіотичних процесів в’язкість «мусу» підвищується і починається його злипання в агрегати – нафтові грудочки розмірами від 1 мм до 20 мм. Агрегати – це суміш високомолекулярних вуглеводнів, смол і асфальтенів. Такі структури можуть тривалий час зберігатися на поверхні моря чи океану, переноситься течіями, викидатися на берег, чи осідати на дно. Нафтові грудочки часто заселені перифітоном (синьо-зелені і діамантові водорості, вусоногі рачки та інші безхребетні).
Методи знешкодження розлитої нафти на поверхні водоймищ
Затримування розповсюдження розлитої на поверхні води нафтової плівки здійснюється за допомогою так званих бонових загороджень, якщо швидкість течії становить більше 0,75 м/с, або за допомогою водяного бар'єру (стоячої хвилі), яку утворюють пропусканням повітря через перфорований трубопровід.
Особлива роль відводиться речовинам - збирачам нафтових плям, які здатні збільшувати товщину нафтової плівки, скорочуючи площу розливу. До таких речовин належать рідкі карбонові кислоти, спирти, етери, гліцериди. За основний критерій ефективності збирача приймається значення тиску розливу ПР, яке визначається згідно з залежністю
Пр= σ0 - σ. (1)
де σ0 - поверхневий натяг води, Н/м: σ - поверхневий натяг води, покритої шаром збирача, Н/м.
Чим більшою є величина Пр. тим товстіший шар (h) зібраної на поверхні води плівки нафти.
Зв'язок між цими показниками має
h = 2(Пр – S) / g р1 (р0 –р1), м, (2)
де S - коефіцієнт розтікання нафти на поверхні води. Н/м; g - прискорення сили земного тяжіння, м/с2; р0 - густина води, кг/м3; р1 - густина нафти. кг/м3.
Найширшого використання набув збирач нафти марки СН-79, який успішно використовується в Одеському порту.
Для видалення із поверхні води зібраної нафтової плівки застосовують такі методи:
а) механічно, за допомогою суден, оснащених спеціальними сепараторами і ваннами для відстоювання води, забрудненої нафтою.
б) адгезія нафти на поверхні твердих речовин виготовлених із неопрену у вигляді ременів
або циліндрів, які обертаються;
в) розпилювання на забрудненій поверхні моря чи океану розплавленого парафіну, або розчину полівінілового пластику на основі леткого розчинника, в яких після охолодження твердне нафта і суміш видаляється механічним способом;
г) застосування синтетичних водовідштовхуючих пористих матеріалів, які здатні ефективно сорбувати нафту, наприклад, гідрофобізований спучений перліт, бентонітові глини, дерев'яні ошурки, активоване вугілля, торф, полістирол;
д) застосування пінопластів, наприклад, олеофільної поліуретанової піни (бібіпол), подрібненої на дрібні шматочки, які здатні поглинути в 100 разів більше нафти, ніж власна маса;
є) використання спеціальних речовин - диспергентів марки ДН-75 і ЕПН-5, які переводять нафтову плівку в емульсію, після чого її очищають від нафти біохімічним способом;
ж) видалення нафти із поверхні води за допомогою біологічних мікроорганізмів типу Calanus, Penicillium, Candida;
з) агломерація нафтопродуктів та нафти сумішшю залишкового бурого вугілля (ЗБВ) та алюмосилікатних мікропор (ACM П):
і) обробка забрудненої нафтою поверхні води сапропелем (органічного і органо-мінерального типу) із добавкою органічного розчинника, який складається із суміші вищих жирних кислот (ВЖК), формула яких
CnH2n+1COOMet,
де п > 2.
Отже, для видалення нафти з поверхні води існує багато методів. Кожен із них має певні переваги і недоліки. Найперспективніше застосування комбінованих методів в такій послідовності:
механічний - сорбуючий - диспергуючий - біологічний.