XVI Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся

Старт в науке. Летняя площадка 2022

Проблемы ликвидации нефтяных загрязнений

• Авторы
• Руководители
• Файлы работы
• Наградные документы

Аракелян М.А. 1

---

1ГБОУ ШКОЛА № 2089

Заев Д.А. 1

---

1ГБОУ ШКОЛА № 2089

Работа в формате PDF

123.1 KB

Автор работы награжден дипломом победителя II степени

Диплом школьникаСвидетельство руководителя

Черная нефть струится,

Плещет тайги прибой,
И ощущают ноздри
Запах ее огневой.

Нефть – это ярость света,
Ветра напор у виска.
Нефть – голубая ракета,
Рвущаяся в облака.

Введение

Бурный научно-технический прогресс и высокие темпы развития различных отраслей науки и мирового хозяйства в XIX-XX вв. привели к резкому увеличению потребления различных полезных ископаемых, особое место среди которых заняла нефть.

В настоящее время из нефти получают тысячи продуктов. Основными группами являются жидкое топливо, газообразное топливо, твердое топливо (нефтяной кокс), смазочные и специальные масла, парафины и церезины, битумы, ароматические соединения, сажа, ацетилен, этилен, нефтяные кислоты и их соли, высшие спирты и т.д. Наибольшее применение продукты переработки нефти находят в топливно-энергетической отрасли.

Нефть - это маслянистая горючая жидкость, обладающая специфическим запахом, обычно коричневого цвета с зеленоватым или другим оттенком, иногда почти черная, очень редко бесцветная.

Однако, химическим методам очистки нефтяных загрязнений не уделяется должного внимания, поскольку снятие нефтяного загрязнения с оперения птиц, чешуи рыб и шкуры водного животного невозможно физическими биологическими методами, что понимается нами как проблема исследования.

Нахождение путей решения этой проблемы и стало целью моего исследования.

Объектом моего исследования стало нефтяное пятно.

Предметом исследования являются химические очистки нефтяных загрязнений.

В соответствии с вышесказанным, я определил задачи своего исследования:

1. Определиться в понимании необходимости и неизбежности увеличения объемов использования нефти и нефтепродуктов на современном этапе.

2. Изучить методики проведения очистки нефтяных загрязнений.

3. Выявить наиболее значимые, дешевые и безопасные химические методы очистки нефтяных загрязнений.

4. Определить экспериментальным путем возможность использования химических препаратов (или продуктов химической промышленности) для удаления нефтяных пятен.

Научная новизна результатов исследования состоит в том, что в нем химические методы удаления нефтяных пятен рассматриваются как наиболее значимые, дешевые и безопасные.

Теоретическая значимость результатов исследования состоит в том, что оно вносит вклад в дальнейшее развитие теории использования химических знаний для экологического мониторинга окружающей среды и технологии удаления загрязнений с поверхности воды и животных.

Практическая ценность работы связана с возможностью использования разработанных методических рекомендаций и результатов исследования в практике удаления нефтяных загрязнений. Полученные в ходе исследования результаты и выводы могут являться теоретической базой для создания организационных, содержательных и методических основ конструирования процесса борьбы с нефтяными загрязнениями.

Достоверность и обоснованность результатов исследования определяется обоснованностью исходных теоретико-методологических позиций, включающих обращение к смежным отраслям знаний (истории, физике, биологии и др.); большим объемом выборки в проведении диагностирующего эксперимента; применением комплекса методов, релевантных предмету, целям, задачам исследования; устойчивой повторяемостью результатов.

Основная часть.

Нефть - «Черное золото». Такое выражение известно всем, его смысл - тоже. Нефть поистине неиссякаемый источник для человека. Сейчас наша жизнь настолько от нее зависит, что было бы страшно представить ее отсутствие. Американский ученый Ральф Лэпп пишет: «Я считаю варварством сжигание уникального наследия Земли - углеводородов - в форме нефти и природного газа. Сжигание этих молекулярных структур только для получения тепла следует считать преступлением». Нефть - ценнейшее природное ископаемое, открывшее перед человеком удивительные возможности «химического перевоплощения». Всего производных нефти насчитывается уже около 3 тысяч. В химическом отношении нефть - сложная смесь углеводородов и углеродистых соединений, она состоит из следующих основных элементов: углерод (84-87%), водород (12-14 %), кислород, азот и сера (1-2%), содержание серы возрастает иногда до 3-5 %. В нефти выделяют углеводородную, асфальтосмолистую части, порфириты, серу и зольную часть.

Нефть можно классифицировать по разным признакам:

1. По содержанию серы.

2. По потенциальному содержанию фракций, выкипающих до 350 С.

3. По потенциальному содержанию масел.

4. По качеству масел.

Сочетание обозначений класса, типа, группы, подгруппы и вида составляет шифр технологической классификации нефти.

Нефтяные загрязнения и их последствия

Человечество слишком медленно подходит к пониманию масштабов опасности, которую создает легкомысленное отношение к окружающей среде.

За время своего существования и особенно в ХХ в. человечество ухитрилось уничтожить 70 % всех естественных экологических систем на планете. Во многих местах берега сейчас загрязнены и отравлены нефтью из танкеров, нефтепроводов и других устройств. 6 % нефтяных загрязнений исходит от людей, которые выливают нефтепродукты в канавы.

Такая же ситуация складывается с гидросферой и на континентах: реки, озера делаются непригодными не только для их законных обитателей, но и для людей.

Вода – одна из наиболее важных жизнеобеспечивающих природных сред. Образовавшихся в результате эволюции Земли. Опасность загрязнения подземных вод заключается в том, что подземная гидросфера (особенно артезианские бассейны) является конечным резервуаром накопления загрязнителей как поверхностного, так и глубинного происхождения. Особую опасность представляет загрязнение питьевой воды микроорганизмами, которые относятся к патогенным и могут вызвать вспышки разнообразных эпидемических заболеваний среди населения и животных. Наиболее важными антропогенными процессами загрязнения воды являются стоки с промышленно-урбанизированных и сельскохозяйственных территорий, выпадение с атмосферными осадками продуктов антропогенной деятельности. Эти процессы загрязняют не только поверхностные воды (бессточные водоемы и внутренние моря, водотоки), но и подземную гидросферу (артезианские бассейны, гидрогеологические массивы), Мировой океан (в особенности акватории и шельфы). Аварии нефтеналивных танкеров, нефтепроводов могут быть существенным фактором резкого ухудшения экологической обстановки на морских побережьях и акваториях, во внутриконтинентальных водных системах. Отмечается тенденция увеличения этих аварий в последнее десятилетие. Нефтяное загрязнени Мирового океана, несомненно, есть самое распространенное явление. От 2 до 4 % водной поверхности Тихого и Атлантического океанов постоянно покрыто нефтяной пленкой. В морские воды ежегодно поступает до 6 млн. т нефтяных углеводородов. Почти половина этого количества связана с транспортировкой и разработкой месторождений на шельфе. Континентальное нефтяное загрязнение поступает в океан через речной сток. Реки мира ежегодно выносят в морские и океанические воды более 1,8 млн. т нефтепродуктов. В море нефтяное загрязнение имеет различные формы. Оно может тонкой пленкой покрывать поверхность воды, а 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 тяжелой 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. Так, обильно развиваются микроорганизмы, питающиеся нефтяными углеводородами, а биомасса этих микроорганизмов ядовита для многих морских обитателей. Доказано, что очень опасно длительное хроническое воздействие даже небольших концентраций нефти. У нефти есть еще одно неприятное побочное свойство. Ее углеводороды способны растворять в себе ряд других загрязняющих веществ, таких, как пестициды, тяжелые металлы, которые вместе с нефтью концентрируются в приповерхностном слое и еще более отравляют его. Ароматическая фракция нефти содержит вещества мутагенной и канцерогенной природы, например бензапирен. Сейчас получены многочисленные доказательства наличия мутагенных эффектов загрязненной морской среды. Бензапирен активно циркулирует по морским пищевым цепочкам и попадает в пищу людей.

Что касается «самочувствия» планктона в загрязненной воде, то эксперименты показали угнетение или гибель большинства видов микроскопических водорослей при тех концентрациях нефти, которые встречаются сегодня во многих гаванях и заливах. Наряду с этим обнаружены и водоросли, равнодушные к нефти. Но ведь в пищевых цепях моря выжившие виды не всегда могут заменить погибшие. Рыбы и многие жители морского дна - ракообразные, моллюски как-нибудь устойчивы к сегодняшнему уровню нефтяного загрязнения. Но какими будут отдаленные последствия их длительного пребывания в такой среде? Впрочем, и сегодня можно узнать, какие изменения происходят в различных организмах. Такого рода исследования выясняют, что даже небольшое количество загрязнения воды нефтью вызывает изменение состава крови, нарушение углеродного обмена у рыб, мидий, креветок. Эксперименты показали, что из тех немногих икринок, которые не погибали, выклевывались мальки-уродцы: тело их было закручено спиралью и не могло распрямиться. Как считают ученые, нефтяное загрязнение - грозный фактор, влияющий на жизнь всего Мирового океана. Они изучали последствия не очень сильного нефтяного загрязнения в прибрежных водах. Английские орнитологи подсчитали, что ежегодно гибнет более 250000 птиц. Одной из причин их гибели являются смачивание оперения нефтью. Птицы не мерзнут благодаря тому, что между перьями имеется воздушный теплоизолирующий слой. Нефть или мазут проникают в оперение и изменяют структуру пера, ухудшая плавучесть и теплоизолирующие свойства. Даже при легком загрязнении птицы начинают чиститься клювом, глотая нефть или мазут. Это ведет к появлению различных заболеваний или полному отравлению. Серьезный вред наносит загрязнение нефтью и крупным морским животным - китам, дельфинам, тюленям. Обычно после пребывания в воде они выныривают на дневную поверхность, чтобы запастись свежим воздухом. Если тюлень появляется в месте расположения нефтяного пятна, он пачкает мех. Мех теряет свои теплоизолирующие свойства, а это ведет к охлаждению или прямому отравлению. При ликвидации. нефтяных разливов при авариях танкеров часто используют различные диспергенты. Оказалось, что диспергированная нефть также отрицательно влияет на морские организмы как и обычная нефть. Загрязнение Мирового океана приводит к постепенному снижению первичной биологической продукции. По оценкам ученых, она сократилась к настоящему времени на 10%.

Сейчас уже ясен путь, который позволит людям избежать экологического тупика. Это безотходные и малоотходные технологии, превращение отходов в полезные ресурсы. Но потребуются десятилетия для воплощения идеи в жизнь.

Методы утилизации нефтяных загрязнений

Последствия глобализации экологических проблем России не сводятся для нее лишь к получению финансовой и технической помощи для осуществления природоохранных проектов. Настораживает возникновение экологических противоречий между Россией и развивающимися странами. Преимущество России по сравнению с другими государствами том, что формирование экологической культуры в ней происходит условиях, когда экологические проблемы приобретают приоритетное международное звучание и накоплен солидный мировой опыт экологической деятельности, которым Россия могла бы воспользоваться.

Поглощение нефти

Некоторые вещества и материалы, такие, как опилки, торф, солома или полистирол, обладают способностью собирать нефть на своей поверхности. Нефтяные пятна посыпают адсорбентами, которые затем извлекают вместе с нефтью.

Затопление нефти

Если нефтяное пятно покрыть мелом или гипсом, то оно тонет и идет ко дну. Можно отделить ее фильтроованием. Но на морском дне нефть все еще опасна для водорослей и животных.

Использование буев

Нефтяные пятна можно убрать с помощью специальных плавающих буев, ограничивающих дальнейшее растекание пятен. Сначала пятно окружают такими буями, а затем нефть откачивают оттуда в специальные контейнеры.

Технология очистки водоемов и почвы от нефтяных загрязнений комплексным методом с прuменением углеводородокисляющux бактерий Технология основана на предварительном сборе нефти механическим способом и далее на использовании адсорбента с нефтью в качестве топлива или деструкции адсорбента микроорганизмами.

Механический способ, как первичный, применяется для очистки водной поверхности, береговой части водоемов и почвогрунта при сильной степени их загрязнения и замазученности. Для этой цели пользуются нефтесборщики, рыхлители почв с боновыми локализаторами, установки декантации, обезвоживания, реагентный узел, передвижные очистные сооружения. Сбор нефтепродуктов адсорбентом можно осуществлять как с поверхности грунта, так и с поверхности воды. Адсорбционная емкость составляет 6-8 г/г в зависимости от вязкости нефти.

Собранный с помощью адсорбента нефтепродукт при необходимости может легко регенерироваться или деструктурироваться микроорганизмами.

Новый способ

Британские ученые разработали новое средство борьбы с нефтяным загрязнением окружающей среды, возникающим при крушениях танкеров. Средство представляет собой специальный гель, который разбрызгивается с самолетов на разлитую в море нефть и вызывает её отвердение. Слой нефти на воде превращается в некое подобие ковра, который без особых проблем можно нарезать полосами, скатать и удалить. Изобретение относится к охране окружающей среды и предназначено для ликвидации разливов на поверхности водоемов и рек нефти и нефтепродуктов путем их сбора. Устройство содержит несущую раму, вращающийся барабан с нефтепоглощающей оболочкой, отжимной ролик, трубопровод для отвода собранной нефти и поплавки. На несущей раме вокруг вращающегося барабана расположены источники инфракрасного излучения, в качестве которых могут быть использованы кварцевые галогенные термоизлучатели. Источники инфракрасного излучения могут быть снабжены экранами и поочередно направлены на вращающийся барабан и окружающее устройство пространство воды с пленкой нефти или нефтепродукта. Такая конструкция устройства обеспечивает его надежную и стабильную работу в холодное время суток или в зимний период путем подогрева оболочки вращающегося барабана, что исключает возможность снижения поглощающей способности оболочки при низких температурах.

Экспериментальные доказательства возможности удаления нефтяных загрязнений

В настоящее время на планете сложилась такая ситуация, когда исчезают многие виды животных, рыб, птиц и других обитателей нашей планеты по вине человеческой деятельности. Одна из причин гибели животных это разлив нефти . Ж. Кусто писал: «Море стало сточной ямой, куда стекаются все загрязняющие вещества, выносимые отравленными реками; все загрязняющие вещества, которые сбрасывают такие отравители, как танкеры. Поэтому не следует, удивляется, если мало-помалу из этой сточной ямы уходит жизнь». Анализу эффективности использования различных марок СМС для удаления нефтяных загрязнений и посвящена следующая часть исследования.

Эффективность использования СМС для удаления нефтяных загрязнений

Нефть, попадая на поверхность воды, образует тонкую пленку не только на поверхности воды, но также и поверхности тела животных находящихся в это время в воде. Анализируя материалы я пришел к мысли о том, что для удаления нефтяных загрязнений с поверхности животных можно использовать СМС.

Поверхностный слой жидкости, в том числе и нефтяные, обладает несколько иными свойствами, чем внутренние слои жидкости. Молекулы внутренних слоев равномерно окружены со всех сторон такими же, точно молекулами, и, следовательно, силы притяжения их взаимно уравновешиваются. Молекулы поверхностного слоя оказываются под действием сил притяжения преимущественно со стороны жидкости вследствие чего они как бы втягиваются внутрь жидкости. Эта ocoбенность поверхностных молекул связана, таким образом с внутренним давлением.

Под влиянием внутреннего давления поверхностный слой стремится сократиться. Отсюда стремление жидкости уменьшить поверхность при неизменном объеме, например, этим объясняется сферическая форма капель.

На величину поверхностного натяжения влияет и величина углеводородного радикала вещества. Так, если взять несколько органических кислот одного и того же гомологического ряда (Н-СООН, СНзСООН, СНзС СООН, СНзСН2СН2СООН), то поверхностное натяжение их уменьшается по мере удлинения углеродной цепи - в 3,2 раза на каждую группу СН2. Наличие примесей различных веществ в жидкостях влияет на величину поверхностного натяжения. Уменьшение поверхностного натяжения имеет большое значение в процессах всасывания жидких питательных веществ эпителием. Добавление к жидкостям ПАВ увеличивает их способность смачивать обрабатываемую поверхность.

Методы определения поверхностного натяжения.

Чаще всего используется сталагмометрический метод, основанный на использовании особого прибора - сталагмометра, Он представляет собой капиллярную трубку с верхней и нижней метками и расширением. В сталагмометр набирается вода, после чего она выпускается и подсчитывается число капель. Затем то же самое проделывается с исследуемой жидкостью. Метод применим: для жидкостей, которые хорошо смачивают стенки капилляра. В исследовании я использовал сталагмометрический метод. Зная число капель и плотность жидкости, можно рассчитать поверхностное натяжение по формуле

где - поверхностное натяжение исследуемой жидкости; - поверхностное натяжение воды; , p - плотность воды и исследуемой жидкости; n и - количество капель воды и исследуемой жидкости. Плотность нефти я определял методом взвешивания, а затем рассчитал среднее значение величины в эксперименте.

Синтетические моющие средства знает и пользуется любой современный человек, живущий в цивилизованных странах. К этим средствам также относится мыло, которым мы пользуемся каждый день. Формула мыла - СООNа и называется она стеарат натрия. Мыло, растворяясь в воде, взаимодействует с ней и эту реакцию называют гидролизом:

СООNа + НОН = С СООН + NaOH.

В эксперименте участвовали следующие СМС:

1. «№1» - неионогенные поверхностно-активные вещества (ПВА) и хлорсодержащие отбеливающие вещества.

2. «»2» - мыло на натуральной жирной основе..

3. «№3» - 5 % катионные ПВА неионоогенные ПВА, поликарбоксилаты, фосфонаты, 5-15% анионовые ПВА кислородосодержащие отбеливатели, 15-30 % фосфонаты. Дополнительно: энзимы.

4. «№4» - 5 % неионогенные ПВА, катионные ПВА, поликарбоксилаты, кислородосодержащие отбеливатели, 5-15% анионные ПВА, 15-30 % фосфонаты. Дополнительно: энзимы, оптические отбеливатели.

5. «№5»- А-ПАВ, Н-ПАВ, кислородосодержащий отбеливатель, активатор отбеливания, силикат, фосфаты, фосфонаты, сода, биодобавки-энзимы, оптические отбеливатели.

6. «№6» - кислородосодержащий отбеливатель, комплексообразователи, натриевые соли, триполифосфат.

7. «№7» - неионогенные и анионные поверхностные вещества, перборат натрия, фосфаты, сульфаты, карбонаты, ТАЭД, силикат, антисорбенты, пеногаситель, биодобавки (энзимы.

8. «№8» - кальцинированная сода.

9. «№9» - биоактивные ингредиенты-энзимы, 5-15 % кислородосодержащие отбеливатели, 15-30 % фосфонаты, 5 .% анионные поверхностно-активные вещества, поликарбоксилаты.

10. №10.

Взяв одинаковое количество СМС, смешав с нефтью, я определил поверхностное натяжение способом:

.

Проанализировав данные эксперимента, я пришел к выводу, что использование СМС марок «№4», «№5», «№9», «№10» значительно повышает поверхностное натяжение исследуемой жидкости, другие же исследуемые марки СМС понижают значение величины поверхностного натяжения, а значит, являются поверхностно-активными по отношению к нефти: «№1», «»3».

Далее я решил провести контрольный эксперимент, целью которого было установить зависимость между изменением величины поверхностного натяжения при добавлении СМС и «легкостью снятия» пятна с поверхности пера и шкуры. Теперь я моделировал ситуацию удаления нефтяного загрязнения с перьевой поверхности тела птицы и меховой животного (перо, мех). Так, я взял большую емкость, имитирующую водоем и налил воды. После этого я капнул несколько капель нефти. Нефть разлилась по поверхности воды тонкой пленкой. Взяв шкурку, я обмакнули ее в нефтяное пятно, представив себе зверя, попавшего в беду. Затем я начал очищать шкурку растворами СМС, повторяя свои действия отдельной для каждой марки СМС и чистой шкурки. Потом я перешел к перьям и проделал те же операции, что и со шкурками. Наблюдения занес в таблицу. Из данных таблицы видно, что перо значительно легче отмывается многими марками СМС от нефти по сравнению со шкуркой, а это, в свою очередь, наводит на мысль о большей уязвимости водных животных при нефтяном разливе. Также подтверждается мое предположение о существовании зависимости между изменением величины поверхностного натяжения и качеством смывания нефтяного пятна с поверхности тела птицы и водного животного.

В эксперименте наиболее эффективными оказались «№6», «№7», являющиеся ПАВ по отношению к нефти. Однако перо птицы можно очистить от нефтяного загрязнения и обычным мылом

ВЫВОДЫ

Нефть, попадая на поверхность воды, образует тонкую пленку не только на поверхности воды, но также и поверхности тела животных, находящихся в это время в воде. Поверхностный слой жидкости, в том числе и нефти, обладает несколько иными свойствами, чем внутренние слои жидкости. Молекулы поверхностного слоя оказываются под действием сил притяжения преимущественно со стороны жидкости, вследствие чего они как бы втягиваются внутрь жидкости.

Многие вещества, главным образом органические, понижают поверхностное натяжение. Их называют поверхностно-активными (белки, желчные кислоты, спирты, мыла, сложные эфиры, альдегиды, кетоны, танниды и др.).

Существует ряд методов определения поверхностного натяжения: сталагмометрический, по высоте поднятия жидкости в капилляре, наибольшего давления в пузырьках, по отрыву кольца,

Использование СМС значительно повышает поверхностное натяжение исследуемой жидкости, а значит, являются поверхностно-активными по отношению к нефти

Перо птицы можно очистить от нефтяного загрязнения обычным хозяйственным мылом.

Ряд марок СМС, а также сода при использовании нарушают структуру меха, он облезает. Некоторые марки СМС делают шкурку жесткой или покрытой «катушками» после высушивания.

Заключение

В заключение хотелось бы отметить то, что задачи моего исследования решены.

Во-первых, изучены методики проведения очистки нефтяных загрязнений.

Во-вторых, выявлены наиболее дешевые и безопасные химические методы удаления нефтяных загрязнений с поверхностного покрова водных животных.

В-третьих, экспериментальным путем доказана возможность использования различных марок СМС для удаления нефтяных загрязнений.

Однако, исследование ставит передо мной новую задачу - найти причину таких результатов, а именно определить качественный состав наиболее эффективных марок СМС, сравнить их химический состав и вычленить химические компоненты, способствующие удалению нефтяных загрязнений с поверхности пера и меха водных животных. Но это уже будет другое исследование.

Литература:

1. Баширов В. В. Техника и технология поэтапного нефти М., 1992.

2. Гаврилов, В. П. «Черное золото» планеты» - М.: Недра, 1978.

3. Елашева, О. М Асфальтосмолистые парафиновые отложения нефтедобывающих регионов России - альтернативное сырье для производства параафино-церезиновых композиций и битумов

4. М. Елашева, Л. Н. Баландин Промышленные и бытовые отходы. Проблемы и решения. Уф а, 1996.

5. Израэль, Ю. А. Берегите биосферу. М.: Педагогика, 1987.

6. Карцев, А. А. Вода и нефть. М.: Недра, 1977.

7. Рогожина Н. В поисках ответов на Экологический вызов. Мировая экономика и: международные отношения. -1999. N 9.

Приложение 1

Эффективность использования СМС для понижения поверхностного натяжения

Приложение 2

Эффективность СМС в снятии нефтяного пятна с перьевой

и меховой поверхности