Введение к работе
Актуальность проблемы. Разработка новых материалов для сорбции нефти и нефтепродуктов и их анализа - актуальная задача. Нефтегазовый комплекс и его продукция оказывают существенную нагрузку на окружающую среду. Добыча и транспорт нефти и нефтепродуктов на акваториях оборачивается серьезными экологическими рисками. Авария в Мексиканском заливе (апрель 2010 г.) унесла жизни 11 человек. В воды залива попало почти 5 млн. баррелей нефти (примерно 670 тыс. тонн).
Из существующих приемов сбора нефти и нефтепродуктов наибольшее внимание привлекают сорбционные методы. Однако, несмотря на определенные успехи и расширяющееся разнообразие сорбентов, все они имеют недостатки. Учитывая актуальность и значимость проблемы, во всем мире ведется интенсивный поиск новых материалов для сорбции нефти и нефтепродуктов.
Существенное влияние на окружающую среду оказывает также и применение нефтепродуктов, в частности, автомобильных топлив. По данным на 2008 год [Государственный доклад «О состоянии и об охране окружающей среды РФ в 2008 году»] выбросы от автотранспорта составили 42% от общего загрязнения атмосферы в Российской Федерации. В Центральном федеральном округе эта цифра достигает 71%, а в крупных городах превышает 90%. При этом состав моторного топлива оказывает значительное влияние на содержание токсичных веществ в выхлопных газах автомобилей. Безопасность и защита окружающей среды регулируется техническим регламентом «О требованиях к автомобильному и авиационному бензину, дизельному и судовому топливу, топливу для реактивных двигателей и топочному мазуту». Согласно этому документу бензин не должен содержать металлов. Однако, по разным оценкам, на современном российском рынке реализуется от 30% до 50% некачественного топлива, основной технологией которого является добавление к низкооктановому бензину металлсодержащих и азотсодержащих присадок. Это нерегламентированное добавление в бензин металл- и азотсодержащих присадок приводит не только к увеличению выбросов токсичных веществ, но и к поломке двигателя.
Одним из главных путей решения этой проблемы является мониторинг топлива с использованием простых и быстрых методов анализа, например, тест-систем. Необходимо отметить, что нефть и нефтепродукты - многокомпонентные и сложные объекты для анализа. Современные методы анализа нефти и нефтепродуктов основываются на трудоемком фракционировании и хроматографическом анализе, в меньшей степени -
спектральном определении компонентов отдельных фракций. Определение неуглеводородных компонентов, в частности, металлсодержащих соединений - еще более трудоемкая и сложная задача.
Известно, что сорбционное концентрирование является одной из важных стадий анализа. Поиск эффективных сорбентов может иметь ключевое значение при создании новых подходов к анализу нефти и нефтепродуктов.
Несмотря на огромную популярность тест-систем при анализе многих объектов, простых, быстрых и надежных методов определения компонентов нефти и нефтепродуктов на сегодняшний день практически не разработано.
Таким образом, поиск подходящих сорбционных материалов и разработка тест-систем для анализа нефтепродуктов и нефти - важная научная и практическая задача.
Цель работы - поиск материалов для сорбции нефти и нефтепродуктов, а также разработка тест-систем для определения металлсодержащих и азотсодержащих соединений в углеводородных средах нефтяного происхождения.
Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи:
приготовить материалы на основе органических полимеров, исследовать их, определить сорбционную емкость по отношению к нефти и нефтепродуктам;
найти реагенты и материалы для определения железа, марганца и N-метиланилина в углеводородных средах;
исследовать возможность использования биосенсоров для определения соединений металлов в углеводородных средах нефтяного происхождения; установить влияние органических соединений на биосенсор, а также соединений металлов на фоне органических компонентов.
Научная новизна. Найдены новые функциональные материалы на основе органических полимеров, обладающие высокой сорбционной емкостью по отношению к нефти и нефтепродуктам.
Разработаны научные основы создания тест-методов для определения железа и марганца в нефтепродуктах. Показана возможность получения аналитического сигнала при определении железа и марганца в углеводородных средах, в частности, товарных бензинах, с помощью сорбционных материалов без предварительной пробоподготовки.
Впервые предложены индикаторные тест-системы для оперативного определения соединений железа, марганца и N-метиланилина в нефтепродуктах.
Впервые показана возможность использования бактериального теста на основе биосенсора «Эколюм» для определения соединений железа и марганца в углеводородных средах.
Практическая значимость работы. Найден новый эффективный нефтесорбент (заявка на Патент РФ № 2010150288 «Сорбирующий композиционный материал», приоритет от 9.12.2010).
Разработаны материалы и тест-системы для определения соединений Fe и Mn, N-метиланилина в товарных бензинах.
Разработан «Способ определения содержания железа в автомобильном бензине, индикатор на носителе для его осуществления и способ получения индикатора на носителе для определения содержания железа в бензине» (Патент РФ № 2339942).
На разработанный тест для определения Fe и N-метиланилина в бензине оформлена техническая документация: предприятием ООО «Энергетик» разработаны ТУ-2638-01, Системой добровольной сертификации топливно-энергетического комплекса (ТЭКСЕРТ) выдан сертификат соответствия № 021-3. Налажен серийный выпуск тест-полосок для определения Fe и N-метиланилина в бензине (ООО «Энергетик», ООО «ЭкООнис»).
Апробация работы. Результаты работы были доложены на Международной конференции по химической технологии «XT 07» (Москва, 2007); I Международной конференции Российского химического общества имени Д.И. Менделеева «Ресурсо- и энергосберегающие технологии в химической и нефтехимической промышленности» (Москва, 2009); III Российской конференции «Актуальные проблемы нефтехимии» (Звенигород, 2009); VII Международной конференции «Химия нефти и газа» (Томск, 2009), Втором международном форуме «Аналитика и аналитики» (Воронеж, 2008); Всероссийской конференции «Химический анализ» (Москва, 2008); Международной конференции «Наноявления при разработке месторождений углеводородного сырья: от наноминералогии и нанохимии к нанотехнологи-ям» (Москва, 2010).
Разработанные тест-системы были представлены на XXI Международном салоне промышленной собственности «Архимед-2008», где разработка «Индикаторный экспресс-тест для определения качества бензина» была удостоена золотой медали.
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 19 работ: 2 статьи в квалификационных журналах, тезисы 15 докладов на международных и всероссийских конференциях, получен Патент РФ № 2339942, подана заявка на Патент РФ № 2010150288 (приоритет от 9.12.2010).
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, выводов, списка цитируемой литературы и приложений.
В первой главе рассмотрены известные синтетические материалы для сбора нефти и нефтепродуктов, а также обсуждаются результаты исследования волокнистых материалов на основе органических полимеров в качестве нефтесорбентов. Во второй главе описаны ос-
новные методы определения Fe и Мп в углеводородных средах (РФА, фотоколориметрический, атомно-абсорбционный и др.), известные тест-системы для определения Fe и Мп в водных средах, анилина и его производных в различных объектах. Также представлены и проанализированы результаты исследования материалов и тест-систем для определения соединений Fe и Мп, N-метиланилина в товарном топливе. В третьей главе рассмотрены примеры использования метода бактериальной биолюминесценции в экологическом мониторинге и обсуждаются результаты экспериментальных исследований тест-систем на основе люминесцентных бактерий для анализа углеводородных и водно-органических сред. В четвертой главе, экспериментальной части, описаны объекты и методы исследования.
Работа изложена на 140 страницах машинописного текста, содержит 36 рисунков, 2 схемы, 32 таблицы и 4 приложения. Список цитируемой литературы включает 190 наименований.
