Введение к работе
Актуальность работы: Разливы нефти на водной поверхности представляют особую опасность для окружающей среды в случаях аварийных ситуаций при её добыче, транспортировке и переработке. Нефть разносится на многие километры водной поверхности, и последствия носят трудно учитываемый характер, т.к. нефтяное загрязнение нарушает естественные процессы, существенно изменяет условия обитания всех видов живых организмов, а нефтяные углеводороды накапливаются биомассе. Результатом является непригодность воды для употребления, гибель практически всех гидробионтов под сплошной нефтяной пленкой, медленная деградация флоры и фауны. Разработка и усовершенствование технологических методов минимизации последствий загрязнений при нефтяных разливах является чрезвычайно важной задачей.
Инженерную защиту территорий естественных экосистем от антропогенного воздействия рекомендуется проводить решением многофункционального комплекса задач с применением современных технических средств и реализацией различных методов. Первичные меры по устранению загрязнения должны быть направлены на локализацию нефтяных пятен с целью предотвращения распространения загрязнения и уменьшения площади разлива. Одновременно необходимо проводить ликвидацию нефтяного пятна с поверхности воды, которую в основном осуществляют механическим способом в первые часы аварии с целью предотвращения ее растекания и уменьшения толщины пленки. Сбор нефти технологически усложняется с уменьшением толщины слоя пленки, и в этих случаях прибегают к термическим и физико-механическим способам, основными из которых являются: контролируемое сжигание, сорбция, диспергирование.
Из всех способов более эффективным и экономически выгодным является адсорбция, т.к. сжигание и диспергирование влекут вторичное загрязнение окружающей среды (ОС) продуктами горения и внесением химических растворителей нефти. Одно из основных требований, предъявляемых к сорбенту – отсутствие вторичного загрязнения воды. В этом случае для ликвидации могут применяться экологичные материалы природного происхождения. Таковым условиям удовлетворяет, в частности, листовой опад, собираемый при уборке парков, скверов, зон массового отдыха, и других объектов благоустройства. Количество образующегося листового опада в смете ежегодно возрастает пропорционально увеличению зеленых насаждений города, и в г. Казани с 2015 г. (104,3 т) до 2016 г. (689,9 т) оно выросло более чем в шесть раз (по данным госдоклада об охране окружающей среды РТ 2015 -2016 гг.) Исследование возможности использования данного материала в качестве основы для получения сорбционных материалов для ликвидации нефтяных разливов является актуальной научной задачей, решение которой имеет очевидное прикладное значение.
Цель работы – минимизация негативного воздействия нефти на окружающую среду при ликвидации аварийных разливов на водной поверхности с помощью сорбционного материала на основе листового опада.
На основании поставленной цели сформулированы следующие задачи
исследований:
-
исследование основных параметров и сорбционных характеристик березового, тополиного, дубового и смешанного листового опадов, в зависимости от температуры и времени проведения процесса;
-
определение механизма процесса поглощения нефти листовым опадом в процессе очистки поверхности воды;
-
влияние кислотной и плазменной модификации на сорбционные свойства листового опада и механизм протекания процесса сорбции нефти с поверхности воды;
-
разработка технологической схемы производства сорбционного материала на основе листового опада для ликвидации аварийных разливов нефти с водной поверхности;
-
исследование возможных путей утилизации отработанного листового опада;
-
анализ эколого-экономической эффективности использования листового опада в качестве сорбционного материала при ликвидации аварийных разливов нефти.
Положения, выносимые на защиту:
-
Березовый, тополиный, и смешанный листовой опад, используемый в качестве сорбционного материала, позволяет очищать поверхность воды от нефтяных пятен с высокой степенью эффективности.
-
При сорбции нефти листовым опадом, происходит физическая адсорбция и адгезия, которая протекает в смешанном диффузионно-кинетическом режиме, что подтверждается исследованием механизма процесса.
-
Показано, что модификация листового опада в потоке высокочастотной (ВЧ) низкотемпературной плазмы пониженного давления, позволяет увеличить сорбционную емкость предлагаемого сорбционного материала.
-
Разработанная принципиальная технологическая схема получения сорбционного материала на основе листового опада позволяет получить сорбционный материал с низкой себестоимостью, что подтверждается эколого-экономическими расчетами.
Методы исследования, представленные в настоящей работе: гравиметрия, ИК-спектрометрия; дифрактометрия; метод растекающейся капли; биотестирование; рентгеноспектральный флуоресцентный, экстракционный.
Научная новизна. Научно обоснована и экспериментально подтверждена возможность очистки поверхности воды от нефтяных разливов с применением в качестве сорбционного материала (СМ) растительного отхода, не используемого ранее. Впервые выполнено исследование закономерностей адсорбции нефти березовым, тополиным и смешанным листовым опадом. Предложены возможные способы увеличения сорбционной емкости листового опада путем обработки 1 N растворами H2SO4, HCl,
СH3CООН, а также в потоке высокочастотной (ВЧ) низкотемпературной плазмы
пониженного давления. Разработан способ получения адсорбента на основе листового
опада.
Новизна технических решений подтверждена патентом РФ № 2595654, и решением
РОСПАТЕНТа от 1.04.2016 г., о выдаче патента на изобретение по заявке №
2015110560/05(016572)
Практическая значимость. Проведена очистка природного водного ручья без
названия от нефти на территории ЗАО «Предприятие Кара Алтын» (г. Альметьевск) с
помощью плазмомодифицированного листового опада, использованного в виде бонового
заграждения с эффективностью процессе очистки 99,8 %.
Разработан способ получения СМ из листового опада. Предложен метод утилизации
отработанного СМ. Произведен расчет оценки размера вреда, причинённого водному объекту
вследствие разлива нефтепродуктов, который составил 3025 тыс. руб., при этом укрупненная
эколого-экономическая оценка ущерба, предотвращаемого в результате разлива 2 тонн нефти,
в акватории реки Волга на территории Республике Татарстан составит 1510 тыс. руб.
Рассчитана себестоимость листового опада, как СМ, которая составила 8 600 руб. за тонну.
Личный вклад автора. Автором решены задачи исследований, проведено
обобщение литературных данных и их критический анализ, теоретические изыскания и их
экспериментальное подтверждение, обсуждение результатов исследования. Оформление
материалов для публикации научных статей, тезисов докладов, заявок на патенты
осуществлены автором совместно с научным руководителем.
Обоснованность и достоверность результатов, сформулированных в диссертации,
обеспечивается использованием гостированных и стандартных методов исследований и
обработкой результатов, проверкой их на воспроизводимость и сходимость, а также
отсутствием противоречий с теми сведениями, которые ранее были известны.
Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались
и получили положительную оценку на XV международном симпозиуме
«Энергоресурсоэффективность и энергосбережение» (г. Казань, 2015 г.), отмечены
дипломом победителя отборочного тура на конкурсе научных работ в рамках
Всероссийской молодежной научной конференции «Актуальные проблемы разработки и
применения новых материалов и технологий» (г. Саратов, 2013 г.). Материалы,
представленные в работе, обсуждались на следующих форумах и конференциях: VII
международной студенческой научной конференции «Студенческий научный форум
2015», международной научно-практической конференции «Инновационная наука и
современное общество» (г. Уфа, 2014 г.), международной научно-практической
конференции «Современные тенденции в образовании» (г. Москва, 2015 г.), 5
международной конференции по науке и технологиям (г. Лондон, 2015 г.).
Публикации. Опубликовано 16 работ: из них 3 статьи в рецензируемых журналах из перечня ВАК РФ, 10 тезисов конференций и симпозиумов различного уровня, 1 патент на изобретение.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 5 глав, выводов, списка использованной литературы и приложений. Работа изложена на 158 страницах, содержит 26 таблиц, 46 рисунков и 159 литературных источника, в том числе 15 иностранных.