Введение к работе
Актуальность работы. Развитие нефтедобычи и нефтепереработки сопровождается увеличением масштабов загрязнения окружающей среды (ОС) нефтью и нефтепродуктами (НП) в результате аварийных разливов на транспорте и трубопроводах, сбросов сточных вод предприятий, промывочных и балластных вод танкеров и т.д. Попадая в водную среду, нефть подвергается сложным процессам переноса и трансформации, протекание которых зависит как от свойств самой нефти, так и от условий ОС. Распространение нефти, сопровождающееся ее растворением, эмульгированием, химическим и фотохимическим окислением, нарушает нормальное функционирование водных экосистем. Образование нефтяных пленок препятствует поступлению кислорода и солнечного света в толщу воды, наблюдается нарушение физиологической активности живых организмов и их гибель, происходит разрыв пищевых цепей, вода становится непригодной для питьевого и хозяйственно-бытового потребления.
Локализация нефтяных загрязнений на водной поверхности, а также очистка нефтезагрязненных вод могут быть успешно осуществлены при помощи адсорбционного метода, обладающего значительными преимуществами. Экономически более эффективным является использование в качестве сорбционных материалов (СМ) цел-люлозосодержащих отходов, что позволяет не только получить дешевые и перспективные сорбенты, но и обеспечивает вторичное применение накапливающихся в больших объемах отходов от переработки растительного сырья. Отходы лесозаготовки и деревообработки составляют около половины объема лесных ресурсов, вовлекаемых в освоение. Доступность и повсеместное распространение данных материалов обуславливают интерес к ним как к возможным нефтесорбентам. Особенно перспективным представляется получение СМ нефти и НП на основе мягких древесных отходов – опилок и стружки, имеющих гораздо более ограниченное вторичное применение на деревоперерабатывающих предприятиях по сравнению с кусковыми древесными отходами. С целью улучшения сорбционных характеристик отходов деревообработки целесообразно проведение модификации последних различными методами. Исследование возможности применения отходов переработки древесины в качестве СМ нефти и НП является актуальной задачей в области охраны ОС.
Цель диссертационной работы заключается в минимизации антропогенного воздействия на ОС путем адсорбционной очистки водных сред от нефти с использованием модифицированных отходов деревообрабатывающих производств.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
-
Исследовать сорбционные свойства опилок ясеня (ОЯ) и опилок липы (ОЛ).
-
Исследовать возможность повышения эффективности очистки водных сред от нефти с использованием кислотообработанных опилок.
-
Исследовать возможность повышения эффективности очистки водных сред от нефти с использованием модифицированных ультразвуком опилок.
-
Исследовать влияние химической и ультразвуковой модификации ОЯ и ОЛ на их структуру и поверхностные характеристики.
-
Провести испытания СМ на водных объектах, находящихся в зоне нефтедобычи и загрязненных нефтью.
-
Разработать техническое решение по использованию отходов деревообработки в качестве СМ нефти и утилизации отработанных реагентов.
Методы исследования, представленные в настоящее работе: ИК-
спектроскопия; рентгеноструктурный анализ; атомно-силовая микроскопия; сканирующая электронная микроскопия; метод лежащей капли; рентгенофлюоресцентный анализ; элементный анализ; термогравиметрический анализ и дифференциальная сканирующая калориметрия; гравиметрический метод для количественной оценки сорб-ционной емкости материалов; биотестирование.
Научная новизна. Научно обоснована и экспериментально подтверждена возможность очистки поверхности воды от нефтяных разливов с применением в качестве СМ отходов деревообработки (опилок ясеня и липы). Предложены способы увеличения сорбционной емкости древесных опилок путем их обработки 0,5–3 %-ными растворами кислот, а также ультразвуком частотой 35 кГц в водной среде. Экспериментально определены параметры модификации опилок растворами кислот и ультразвуком, при которых наблюдаются наилучшие показатели очистки нефтезагрязненных вод. Выявлено, что модификация опилок растворами кислот и ультразвуком способствует увеличению шероховатости поверхности и кристалличности структуры СМ, а также снижению их гидрофильности.
Практическая значимость. Проведены промышленные испытания и определена эффективность очистки водотока от нефти в зоне деятельности АО «Татех» с применением бонового заграждения, где в качестве сорбционной загрузки использовались модифицированные ультразвуком ОЛ.
Рассчитана величина ущерба, причиненного водному объекту в результате разлива нефти, которая составила 160 тыс. руб., а также себестоимость СМ, составившая 11,6 руб./кг. Разработан способ получения СМ из древесных опилок. Предложена утилизация отработанных СМ путем сжигания при температуре не менее 600 С.
Положения, выносимые на защиту:
1. Обработка отходов деревопереработки (опилок ясеня и липы) слабоконцентрированными растворами кислот, а также ультразвуком в водной среде способствует повышению нефтеемкости СМ.
-
Полученные СМ на основе отходов деревопереработки позволяют очищать поверхность воды от нефтяных пленок с высокой эффективностью.
-
Модификация опилок растворами кислот и ультразвуком способствует увеличению шероховатости поверхности и кристалличности структуры СМ, снижению их гид-рофильности.
-
Предлагаемая принципиальная схема применения отходов деревообработки в качестве СМ нефти включает как получение эффективных реагентов с низкой себестоимостью, так и способ обезвреживания отработанных СМ, включая возврат нефти и утилизацию опилок.
Личный вклад автора заключается в постановке целей и задач диссертации, выборе объектов и методов исследования, непосредственном участии в проведении экспериментов, обобщении и обсуждении полученных результатов, формулировке основных научных положений и выводов, опубликовании полученных результатов и апробации материалов диссертационной работы.
Достоверность и обоснованность результатов подтверждается применением аттестованных методик, государственных стандартов и средств измерений, статистической обработкой результатов исследований.
Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались на: X Всероссийской конференции «Промышленная экология и безопасность» (Казань, 2015 г.); III Международной молодежной научной конференции «Экология и рациональное природопользование агропромышленных регионов» (Белгород, 2015 г.); IX Международной научно-практической конференции «Современное состояние и перспективы инновационного развития нефтехимии» (Нижнекамск, 2016 г.); Всероссийской научно-практической конференции, посвященной 50-летию города Нижнекамск «Перспективы развития и современные проблемы образования, науки и производства» (Нижнекамск, 2016 г.); XVI Международной научной конференции «Химия и инженерная экология» (Казань, 2016 г.); Всероссийской научно-практической конференции с международным участием «Химия. Экология. Урбанистика» (Пермь, 2017 г.).
Публикации. Основные результаты диссертационной работы опубликованы в 12 научных трудах, включая 2 статьи в журнале из баз данных Scopus и Web of Science, 4 статьи в научных журналах, рекомендованных ВАК Минобрнауки России.
Структура диссертационной работы. Диссертация изложена на 154 страницах машинописного текста, состоит из введения, 4 глав, заключения и библиографического списка, включающего 145 наименований. В работе 34 рисунка и 34 таблицы. Приложение занимает 8 страниц.