Оценка эффективности различных способов устранения нефтяных загрязнений

Управление образования администрации МО «Приморский муниципальный район» Муниципальное казённое учреждение «Информационно-аналитический центр» Приморского района Архангельской области

Исследовательская работа по экологии

Оценка эффективности различных способов устранения нефтяных загрязнений

Приморский район, 2013 г.

Оглавление

Введение………………………………………………………………………………….     1

1. Теоретические основы исследования

1.1. «Черное золото» ……………………………………….……………………………    2

1.2. Свойства нефти ………………..……………………………………………………    3

1.3. Нефтяные загрязнения и их последствия ………………………………………….   3

2.   Экспериментальная часть исследования

2.1. Анализ процессов, происходящих при разливе нефти в воде ………..…………     5

2.2. Изучение способов ликвидации нефтяных загрязнений. ………………………..     5

2.3. Экспериментальное определение эффективности применения разных способов устранения нефтяных загрязнений  …………………………………………………….   6

3.  Выводы ………………………………………………………………………………..    9

4. Заключение …………………………………………………………………………….   9

5. Список литературы ……………………………………………………………………   10

6. Приложения

6.1. Схема процессов, происходящих при разливе нефти ……………………………    11

Введение

 «7 мая 2011 года в Кандалакшском заливе Белого моря (Мурманская область) произошел разлив нефти в результате утечки в ЗАО "Беломорская нефтебаза". Возникла непосредственная угроза Кандалакшскому государственному природному заповеднику, который находится в полутора километрах от места загрязнения. При обследовании Кандалакшского залива установлено, что его акватория загрязнена нефтепродуктами. Толщина плёнки - от 2 до 5 миллиметров. При детальном обследовании береговой линии и акватории Кандалакшского залива установлено, что в районе ЗАО "Беломорская нефтебаза" общая площадь загрязнения акватории составляет 199 тысяч квадратных метров, береговой линии - 400 квадратных метров». [4] Такой текст был предложен нам на уроке химии, где шла речь о нефти. Какая проблема скрывается за этими строками?

Оказывается, как и остальные моря, Белое, испытывает негативное влияние нефти. Это всем известный современный загрязнитель, называемый «черным золотом». Нефть попадает в воду самыми разными способами, но основной – это утечка с нефтебаз. Нефть больше страшна своими физическими свойствами, нежели химическими. Перья птиц, намокая в этой густой жидкости, лишаются теплоизоляционного слоя и способности летать, в результате чего птицы погибают либо от голода, либо от холода, либо просто тонут. Нефтяная пленка препятствует нормальному обмену кислородом воздуха с водой. К счастью, чаще всего разлитую нефть удается относительно быстро собрать и обезвредить. То, что остается в море, сбивается волнами в комки и уходит на дно, где в дальнейшем перекрывается донными отложениями и нейтрализуется. Такие нефтяные комки со временем уничтожают бактерии.

Мелкие поступления в воду этого продукта гораздо опаснее для экологии. Как бы плохо «черное золото» не растворялось в воде, все же этот процесс с течением времени происходит. Таким образом, ядовитые вещества, содержащиеся в нефти, попадают в гидросферу. Не нанося вреда сразу, они включаются в круговорот веществ и вызывают у морской флоры и фауны различные заболевания. Это бомба замедленного действия.

Ликвидация последствий аварийных разливов нефти проводится механическими, физико-химическими и биологическими методами. Считается предпочтительным применение в первую очередь механических и физических средств, использование которых кажется наиболее доступным, а результат сразу виден. Задача очистки усложняется, если нефтяное пятно достигает береговой линии. В данной ситуации меры борьбы будут очень дорогостоящими, трудоемкими и могут оказать серьезное влияние на окружающую среду. Поэтому важно, используя наиболее эффективные и доступные способы, в предельно короткие сроки удалить нефтяное пятно  с поверхности воды и спасти птиц и животных, оказавшихся в зоне бедствия. [1]

Именно эта проблема заинтересовала нас. Так появилась наша исследовательская работа.

Объект исследования: нефтяные загрязнения воды.

Предмет исследования: методы устранения нефтяных загрязнений на поверхности воды.

Цель исследования: экспериментальным путём определить, какие способы удаления нефти с поверхности воды и пера птиц являются наиболее эффективными.

Задачи исследования:

1. На основе анализа литературы дать общую характеристику физических и химических свойств нефти.

2.  Рассмотреть влияние нефтяных загрязнений на водные источники.

3. Изучить способы и методы ликвидации нефтяных загрязнений. Выявить наиболее доступные и безопасные методы очистки нефтяных загрязнений.

4. Определить экспериментальным путем эффективность  выбранных методов  для удаления нефтяных пятен.

5. Сравнить полученные результаты, сформулировать выводы.

Методы исследования:

1. Изучение литературы по данному вопросу.  2.  Эксперимент.  3. Анализ, систематизация и обобщение полученных данных.

Практическая ценность нашей работы состоит в  возможности использования результатов исследования в практике для удаления нефтяных загрязнений.

Теоретические основы исследования

                                                     1.1. «Черное золото»

Нефть -  «черное золото». Такое выражение известно всем и его смысл тоже. Нефть - нескончаемый источник топлива и химических продуктов для человека. Сейчас наша жизнь настолько от нее зависит, что было бы страшно представить ее отсутствие. Широко известна фраза Д.И.Менделеева “Нефть – топливо, но дешевле топить ассигнациями”. В настоящее время нефтехимия дает почти четверть всей химической продукции. Нефть - ценнейшее природное ископаемое. Нефть известна очень давно. Археологи установили, что её добывали и использовали уже за 5-6 тысяч лет до нашей эры. Наиболее древние промыслы известны на берегах Евфрата, в Керчи, в китайской провинции Сычуань. Упоминание о нефти также встречается во многих древних рукописных книгах.

1.2. Свойства нефти

Нефть — маслянистая жидкость, являющаяся смесью углеводородов, от светло-коричневого (почти бесцветная) до тёмно-бурого (почти чёрного) цвета (бывают образцы даже изумрудно-зелёной нефти). Средняя молекулярная масса 220—400 г/моль (редко 450—470). Плотность 0,65—1,05 (обычно 0,82—0,95) г/см³; нефть, плотность которой ниже 0,83, называется лёгкой, 0,831—0,860 — средней, выше 0,860 — тяжёлой.  Вязкость - одна из самых главных физических характеристик нефти. Вязкость — это свойство оказывать сопротивление перемещению частиц под влиянием приложенной силы. В практике также используется условная вязкость, определяемая скоростью вытекания испытуемой жидкости в стандартных условиях. Вязкость нефти меняется в широких пределах в зависимости от свойств (от менее 0,1 до 10 м Па*с). Чем тяжелее нефть, тем она менее текучая и подвижная.  Поверхностное натяжение нефти - важнейшее свойство, во многом определяющее перемещение ее в системе флюидов в недрах. Поверхностное натяжение – σ - стремление жидкости уменьшить свою поверхность. Оно обусловлено силами притяжении между молекулами, внутри жидкости силы взаимно компенсируются. Температура застывания - важный показатель свойств нефтей. За таковую принимают температуру, при которой охлажденная в пробирке нефть не изменит уровня при наклоне на 45°. Температура застывания нефти возрастает с увеличением в ней твердых парафинов, а с повышением содержания смол температура застывания снижается. Растворимость нефти в воде при обычных температурах ничтожна, но она резко возрастает при температуре больше 200°С. Нефть хорошо растворяется в углеводородном природном газе.

Из химических свойств наиболее значимым является горючесть нефти – при сжигании 1 кг нефти выделяется 44 МДж энергии. [5]

1.3. 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 XX в. люди ухитрились уничтожить 70 % всех естественных экологических систем на планете. Во многих местах берега сейчас загрязнены и отравлены нефтью из танкеров, нефтепроводов и других устройств. Такая же ситуация складывается с гидросферой и на континентах: реки, озера делаются непригодными не только для их законных обитателей, но и для людей. Причинами экологических катастроф являются пренебрежение мерами безопасности, халатность персонала предприятий, политические и административные амбиции, алчность, бездумное стремление к экономии средств и к дезинформации или полному утаиванию сведений о катастрофе.

Ежегодно в Мировой океан сбрасывается около 10 млн. тонн нефти, часть поверхности воды уже покрыта тончайшей радужной пленкой. Такое положение чревато многими неприятностями глобального масштаба. Пленка нефти на поверхности воды уменьшает испарения с этого участка на 60%. В результате усиливается нагрев водной поверхности. Воздух из-за пленки мало насыщается влагой (водяными парами), поэтому, проходя над континентами, такие воздушные массы дадут мало осадков.

 Через 10 минут после того, как в воде оказывается 1 тонна нефти, образуется нефтяное пятно, толщина которого составляет 10 мм. С течением времени толщина пленки уменьшается (до менее 1 мм), в то время, как пятно расширяется. 1 тонна нефти способна покрыть площадь до 12 кв. км. Дальнейшие изменения происходят под воздействием ветра, волн и погоды. Обычно пятно дрейфует по воле ветра, постепенно распадаясь на более мелкие пятна, которые способны удаляться на значительные расстояния от места разлива. Сильные ветры и штормы ускоряют процесс дисперсии пленки.

Нефтяное загрязнение Мирового океана самое распространенное явление. От 2 до 4 % водной поверхности Тихого и Атлантического океанов постоянно покрыто нефтяной пленкой. В море нефтяное загрязнение имеет различные формы. Оно может тонкой пленкой покрывать поверхность воды. 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. Даже небольшое количество загрязнения воды нефтью вызывает изменение состава крови, нарушение углеродного обмена у рыб, мидий, креветок. Английские орнитологи подсчитали, что ежегодно гибнет более 250000 птиц. 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.  Если тюлень появляется в месте расположения нефтяного пятна, он пачкает мех. Мех теряет свои теплоизолирующие свойства, а это ведет к охлаждению или прямому отравлению. У тюленей нефть вызывает воспаление глаз, что иногда кончается слепотой. Загрязнения нефтью сказываются и на жизни природных других  интересных животных. Широко известный исследователь морских глубин Жак-Ив Кусто в книге «Жизнь и смерть кораллового моря»  пишет, что достаточно появления вблизи кораллов нефти или мазута, и на большой площади погибают коралловые полипы. [6]

Экспериментальная часть исследования

1.  Анализ процессов, происходящих при разливе нефти в воде.

Изучив литературу, мы составили схему происходящих процессов при разливе нефти.

(Приложение 1)

После составления схемы и анализа всех происходящих процессов мы сделали вывод: чем быстрее собрать разлившуюся  на поверхности воды нефть, тем меньший вред будет нанесён окружающей среде.

2.2.  Изучение способов ликвидации нефтяных загрязнений.

Мы изучили разные источники, в которых описаны способы ликвидации нефтяных загрязнений. [2,3] Все известные на сегодняшний день можно разделить на четыре группы.

2.3. Экспериментальное определение эффективности разных способов устранения нефтяных загрязнений

Из описанных способов удаления нефтяных загрязнений мы решили практически проверить эффективность следующих: механическое ограждение, борьба средствами адсорбции, затопление или осаждение, поджег, разложение или химическое рассеивание. Для удаления нефтяных загрязнений с поверхности пера птицы единственно возможным является использование синтетических моющих средств. В ходе выполнения эксперимента оценили эффективность каждого способа очистки поверхности воды и пера птиц.

Подготовка эксперимента

В фарфоровую чашку налили воду, затем добавили нефть, тем самым смоделировали экологическую катастрофу. Нефть разливается по поверхности воды, тонкой пленкой.

Выводы

В результате проведённого исследования мы сформулировали следующие выводы:

1. Влияние нефти на окружающую среду обусловлено её составом, физическими и химическими свойствами.

2. Загрязняющие вещества нефти изменяют состав жизненных сред, что является причиной возникновения многих глобальных экологических проблем, таких как изменение климата, появление кислотных осадков, сокращение численности многих видов растений и животных, нехватки чистой пресной воды и других.

3. Существует много различных способов ликвидации нефтяных загрязнений.

4. Ни один из проверенных нами способов не приводит к идеальному результату по очистке поверхности воды от нефтяных загрязнений.

5. Наиболее эффективным является сочетание нескольких способов.

6. Животные, оказавшиеся в зоне бедствия, могут быть спасены только ручным способом: чистка и мытьё моющими средствами.

Заключение.

Исследования в области решения проблем, связанных с разливами и утечками нефти, продолжаются. Так, французские специалисты запатентовали устройство для обработки верхнего слоя жидкости, представляющей собой плоскодонное судно длиной 70 м, шириной 20 м, высотой 6 м и осадка – 4 м. В носовой части корпуса (на высоте воды) расположены отверстия для забора загрязненной нефтью воды, которая поступает в центральный отсек (внутри судна), где разделяется на нефть и воду. Перспективно применение гранулированных адсорбентов и жидкостей, обладающих магнитными свойствами, которые после адсорбции нефти легко удаляются магнитом. Эстонские авторы предлагают испытать модифицированный термообработкой торф. Им наполняют пористые капроновые боны, что значительно упрощает технологию сбора и удаления нефтепродукта с поверхности воды. Немцы для связывания нефти в нефтевоздушные суспензии предлагают испытать высокодисперсную аморфную гидрофобную кремнекислоту – силикагель – сорбент для нефти. Перспективным является микробиологическое разложение нефти для предотвращения загрязнения водоемов нефтепродуктами - для некоторых бактерий нефть является питательной средой. Британские ученые разработали новое средство, представляющее собой специальный гель, вызывающий затвердевание нефтяной пленки. А русские ученые изобрели специальный адсорбирующий порошок, 20 кг которого, позволяют собрать тонну нефти.

    Наиболее эффективным представляется сочетание физико-химической сорбции
и микробиологического разложения: сначала обеспечивается сбор плавающей нефти с помощью нефтесорбента, затем производят захоронение такой массы на специальных земельных участках с последующим ее биоразложением почвенными микроорганизмами. [7]

Научно-исследовательские институты занимаются совершенствованием технических средств по удалению нефтяных загрязнений. Большинство из них находятся в стадии разработки, и каждый из нас может стать участником решения этой проблемы, предложив свой способ. Специалистов в этой области готовят многочисленные учебные заведения. С 2000 года получить образование  в этом направлении можно в Институте нефти и газа при Северном Арктическом Государственном университете им. М.В.Ломоносова

Литература

1. Хотунцев Ю.Л. «Человек, технологии, окружающая среда» Москва: Устойчивый мир, 2001 г.
2. Руководство по ликвидации разливов нефти на морях, реках и озерах, изд.
   ЗАО «ЦНИИМФ», С.-Петербург, 2002, 344 с.
3. Как избавиться от загрязнения нефтью и нефтепродуктами? Журнал «Энергия», 2002 год № 5, с. 42-46.
4. http://www.bellona.ru/articles_ru/articles_2011/1305151033.06
5. http://chem932.ucoz.ru/publ/neft/1-1-0-3
6. http://www.baltprint.ru/index.php/novosti/ekologiya
7. http://сайтнефтиигаза.рф/2012/02/sposoby-borby-s-neftezagryazneniem-vodnyx-obektov/

Приложения

Приложение 1. Схема процессов, происходящих при разливе нефти.