II Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся

Старт в науке

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ПРИРОДНЫХ СОРБЕНТОВ (МОХ) ДЛЯ ЛИКВИДАЦИИ НЕФТЯНЫХ РАЗЛИВОВ В МОРЕ

• Авторы
• Руководители
• Файлы работы
• Наградные документы

Новосёлов И.А. 1

---

1МАОУ СОШ №22 г.Новороссийск

Ткач Е.Н. 1Варельджян Н.С. 1

---

1ПДО Дворец творчества детей и молодёжи им. Н.И.Сипягина г. Новороссийск; МАОУ СОШ №22 г. Новороссийск

Работа в формате PDF

1.2 MB

Автор работы награжден дипломом победителя II степени

Диплом школьникаСвидетельство руководителяСвидетельство руководителя

Введение

Общеизвестно, что нефть и нефтепродукты являются одними из наиболее опасных загрязнителей моря. Отношения в системе «человек – нефтепродукты» длительные и не простые, результатом которых, однозначно, является разрушение и уничтожение ОС. В связи с тем, что в последние годы идет интенсивная разработка нефтяных месторождений, в том числе, в акваториях морей, а, следовательно, и транспортировка ее морскими судами и до береговых нефтебаз, задача защиты ОС в случае аварийного разлива приобретает большую значимость.

Для ликвидации нефтяного загрязнения воды применяются различные методы: механические, физико-химические и биологические. Выбор метода зависит от многих факторов, в том числе, района аварии (открытое море, прибрежная зона), местных условий водоема и др.

Наиболее широко распространены механические методы. Сразу после аварии и локализации нефтяного пятна бонами для сбора нефти чаще всего используют нефтемусоросборщики различных модификаций. Однако после сбора на поверхности воды остается до 30 % объема разлитой нефти. При работе нефтемусоросборщиков вместе с нефтью забирается примерно 40–80 % воды, что создает дополнительные проблемы, так как воду необходимо очищать от нефти, прежде чем сбрасывать обратно в водоем. Отсюда себестоимость очистки единицы площади разлива, загрязненной нефтью, возрастает практически вдвое. Следует также отметить, что при толщине нефтяной пленки 1–3 мм и меньше, использование нефтесборщиков не рационально. Помимо этого, такие суда не могут работать на глубинах менее 1,5 – 2 м и в штормовых условиях.

Применение химических методов ликвидации нефтяных разливов в Черном и Каспийском морях запрещено международными актами (Конвенция о защите Черного моря от загрязнения, Бухарест, 1992 и Рамочная Конвенция по защите морской среды Каспийского моря, Тегеран, 2003 и др.), в других морях применение их ограниченное, прежде всего, из-за высокой токсичности используемых препаратов. Применение диспергентов в России запрещено. Достаточно части для предотвращения растекания нефти и ликвидации последствий аварий в море используются детергенты эмульгирующего действия. Эмульгирование нефтяной пленки происходит при расходе детергентов примерно 25 % от массы пролитой нефти. В результате этого в воде создаются потенциально опасные концентрации токсических веществ прямого или косвенного действия на окружающую среду. С одной стороны, действие детергентов способствует росту скорости процессов самоочищения моря, т.к. при нанесении их на нефтяное пятно происходит уменьшение размера нефтяных капель, а, следовательно, нефть легче окисляется и разлагается под действием внешних факторов (инсоляция, солёность, бактериальное разрушение и др.). С другой – поражающее действие препарата на морских обитателей оказывается выше, чем находящаяся на поверхности воды нефтяная пленка. Вредные вещества, входящие в состав химических препаратов (диспергентов, детергентов и др.), могут накапливаться в морских организмах, передаваться по пищевым сетям, оказывая косвенное воздействие на гидробионты. В шторм эмульгированная нефть разделяется на мельчайшие капельки и тем самым легче попадает в организм водных обитателей. Иными словами, при химическом методе нефть эмульгируется и рассеивается, но от этого её меньше в море не становится, а привносится ещё и дополнительное очень токсичные вещества.

Биологический метод ликвидации нефтяного разлива основан на применении микроорганизмов, разлагающих нефть до простых соединений. Однако, это весьма длительный процесс, охватывающий от нескольких месяцев до нескольких лет.

1.  

   1. Обоснование выбора материала для сбора нефтепродуктов в море

В последнее время широко используется метод сбора нефти сорбентами/адсорбентами, в том числе, природными – мох, лузга риса и подсолнечника, солома, деревянная стружка и другие. Гидрофобность сухого растительного сырья возникает при сушке многих растений и обусловлена, в первую очередь, сорбцией воздуха на его структурных элементах – в сосудистой системе, клетках, порах, мембранах. При контакте с водой происходит вытеснение воздуха и, соответственно, увлажнение материала.

Основным условием при выборе биосорбента является то, что они должны быть нетоксичными, обладать высокой нефтеёмкостью и низким водопоглощением, поэтому мы решили использовать природные растительные материалы, однако третье условие для них неприемлемо.

Цель работы: разработка эффективного метода сбора нефтепродуктов с применением сухого растительного сырья (по результатам экспериментальных работ).

Основные задачи:

1. Теоретическое обоснование и разработка методики постановки экспериментальных работ.

2. Определение водопоглощения и нефтеёмкости мха (амблистегий ползучий, сфагнум), при различных видах его подготовки к сбору нефти с поверхности воды.

3. Разработка рекомендаций по использованию природного материала для сбора остаточного количества нефти при аварийном разливе в море.

В качестве растительного сырья в работе использован мох амблистегий (Рис. 1), собранный в лесу в районе г. Новороссийска, и мох сфагнум (Рис. 2).

Мох сфагнум и препараты на его основе используются, как сорбенты, достаточно широко. Мох амблистегий – встречается повсеместно на всей территории России – от заполярья до субтропиков, на влажной почве в лесах, на камнях и гниющей древесине, на основаниях стволов деревьев.

1.2. Материалы и методы

Для решения поставленных нами задач была разработана методика и выполнены опыты на базе лаборатории кафедры Техносферной безопасности МГТУ им. Ф.Ф.Ушакова, включающие два этапа (две части). Водопоглощение и нефтеёмкость определяли для обоих видов мхов.

Материалы и оборудование:высушенные биосорбенты (мох сфагнум, мох амблистегий), сырая нефть, морская вода, химическая посуда, весы аналитические, сушильный шкаф, мерный стакан, пинцет, перчатки, ножницы, 6 чашек Петри, гидрофобизатор во флаконе с распылителем, секундомеры, ситечко для сбора биосорбента с поверхности воды, тетрадь для записей результатов. Работы выполняются под вытяжным шкафом.

1.  

   1. Практическая часть. Опыты.

Первая часть экспериментальных работ включала серию опытов по определению водопоглощающей способности и нефтеёмкости мхов, находящихся в естественном состоянии (без специальной их подготовки).

1. Определение водопоглощающей способности мхов. Образец мха массой 10 г, высушенный до постоянной массы при температуре 25^о С, взвесили на весах с точностью до 0,01 г. Затем поместили мох в химический стакан и залили морской водой с температурой 20^о С, выдерживали в течение 24 часов (Рис. 3). Для полного погружения мха под воду – на 2 см ниже уровня воды, его удерживали пластиковой сеткой. После этого мох извлекали из воды и держали на весу примерно 10 сек., чтобы стекла вода с поверхности образца. Затем помещали мох на сухую, заранее взвешенную фильтровальную бумагу, и взвешивали образец. По величине показателя между конечной и начальной массами образца судили о водопоглощающей способности мхов. Вес воды, которая вытекла из мха на фильтровальную бумагу, включали в общий вес насыщенного водой образца. В дальнейшем эта величина учитывалась в расчетах во второй части экспериментальных работ. Опыт проводили в трех повторностях.

1. Определение нефтеёмкости мхов. Для определения нефтеёмкости мхов в три больших химических стакана (диаметр водного зеркала – 10 см) налили 0,5 литра морской воды и внесли по 20 мл сырой нефти. Для каждой серии опытов взвешивали по три образца сухого мха – по 10 г каждый. Образец мха помещали в стакан на поверхность нефти (Рис. 4).

Через заданное от начала опыта время (15 минут и 1 час) мох собрали с поверхности воды, поместили на взвешенную фильтровальную бумагу. Далее определяли весовым методом количество поглощенной образцом нефти и рассчитывали нефтеёмкость по формуле:

где Н – нефтепоглощение биосорбента, г нефти/г биосорбента;

M_нач – масса биосорбента в начале опыта (равна 10 г);

М_кон – масса биосорбента в конце опыта, г.

Вторая часть опытных работ включала серию экспериментов по определению нефтеёмкости мха при разной подготовке образцов перед внесением на нефтяную пленку:

• мох в естественном состоянии;

• измельчение образца;

• нанесение на образец водоотталкивающей пропитки.

В качестве водоотталкивающей пропитки для мха в работе использован гидрофобизатор. Основным его показателем, характеризующим качество гидрофобизации образца, было выбрано капиллярное(капиллярный подсос) и объемное водопоглощение (по массе). Гидрофобизатор подбирали по следующим критериям:

• при контакте с водой химически инертен;

• не образует вредных примесей при длительном нахождении в воде;

• не вступает в химические реакции с нефтью и не растворяется в ней.

В эксперименте применяли гидрофобизатор, используемый для шерстяных, шелковых, хлопчатобумажных и синтетических тканей, а также для дерева, бумаги и кожи. Он представляет собой многокомпонентный состав на кремнийорганической основе с включением воска. В таблице 1 приведены основные показатели и свойства гидрофобизатора.

Таблица 1 – Основные показатели и свойства гидрофобизатора

Согласно аннотации производителя, выбранный для эксперимента гидрофобизатор практически полностью устраняет такое явление, как капиллярный подсос, при прямом поверхностном увлажнении значительно снижает водопоглощение материалов. Суть этого явления в том, что на поверхности материала образуется очень тонкое гидрофобное покрытие, невидимая пленка полимера, которая при воздействии влаги закрывает поры материала и не дает влаге проникать внутрь.

Опыт предусматривает три повторности. Условия проведения опытов для обоих видов мха были одинаковые.

1.  

   1. Результаты

Анализ и обобщение результатов выполненных экспериментальных работ показали, что водопоглощающая способность мхов существенно снижается при обработке мхов водоотталкивающей пропиткой (гидрофобизатором). Результаты экспериментальных работ приведены в таблице 2.

Таблица 2. – Результаты экспериментальных работ

Из представленного в таблице следует, что в первой серии опытов (мох в естественном состоянии) мох сорбировал около половины объема разлитой нефти. Бумажный фильтр, на который помещали извлеченный из нефти мох, был сильно пропитан водой.

Во второй серии (мох измельченный) мох сорбировал половину объема разлитой нефти, но водопоглощающая способность его была выше, чем в первом опыте.

В третьей серии опытов (мох обработанный гидрофобизатором) мох сорбировал практически весь объем нефти, на поверхности воды практически не осталось нефти, бумажный фильтр был практически сухим и имел выраженные отпечатки нефти.

Заключение:

В результате проведенной нами работы была разработана методика и согласно ей выполнены исследования по определению водопоглощающей способности и нефтеёмкости двух видов мхов (амблистегий и сфагнум). Исследования выполнялись с различной подготовкой образцов мха: сушка, измельчение, нанесение гидрофобизатора. Каждая серия опытов имела три повторности.

Проведенные экспериментальные работы показали, что при нанесении на мох амблистегий водоотталкивающих материалов его водопоглощающая способность уменьшается при экспозиции в течение 15 мин. в 2,8 – 3 раза, при экспозиции в течение 1 часа – в 7,4 – 9,8 раз. Применение гидрофобизатора повышает нефтеёмкость мха амблистегий в 2,4 – 3,7 раза.

Полученные в ходе экспериментальных опытов показатели водопоглощения и нефтеёмкости мха аблистегий и мха сфагнум отличались незначительно. Следовательно, при нефтяных разливах в качестве сорбента, помимо мха сфагнум, можно использовать мох амблистегий.

Наши рекомендации:

Применение биосорбентов с предварительной их обработкой водоотталкивающими материалами позволяет:

• блокировать загрязнение в кратчайшие сроки и предупредить его распространение;

• ликвидировать загрязнение с минимальным экологическим ущербом;

• обеспечить дальнейшее пролонгированное действие по восстановлению природных биоценозов с привлечением и стимуляцией самоочищающих механизмов.

Разработанный и опробованный в эксперименте метод специальной подготовки биосорбентов может быть включен в арсенал средств для быстрого реагирования при аварийных разливах в открытом море и его прибрежной зоне.

Список использованной литературы:

1. Вершинин А.О. Жизнь Чёрного моря: Краснодар-Москва, 2007

2. Гилярова Н.С. Биология: М.: БРЭ, 1998

3. Нельсон-Смит А. Нефть и экология моря: М.: Изд-во Прогресс, 1977

4. Патин С.А. Нефтяные разливы и их воздействие на морскую среду и биоресурсы: ВНИРО, 2003

5. Патин С.А. Биологические проблемы освоения нефтегазовых ресурсов: ВНИРО, 1978г.

6. Приваленко В.В., Хованский А.Д. Как спасти Черное море: Ростов-на-Дону 2006

Приложение 1

Рисунок 1. Опыты Рисунок 2. Работы под вытяжным в лаборатории шкафом

Рисунок 3. Взвешивание образцов Рисунок 4. Перемещение мха в

мха на весах стакан на поверхность нефти

Приложение 2

Рисунок 5. Рисунок 6.

Рисунок 7.

Добавление сырой нефти в морскую воду

Приложение 3

Рисунок 8. Рисунок 9.

Определение нефтеёмкости мхов

Рисунок 10. Определение водопоглощающей способности мхов

Приложение 4

Рисунок 11. Собираем мох Рисунок 12. Измельчение образца

с поверхности воды

Рисунок 13. Нанесение на образец водоотталкивающей пропитки