44266

Исследование отмывающей способности раствора ПАВ «DeltaGreen» с концентрацией 5,0%

Дипломная

Химия и фармакология

Ежегодно миллионы тонн нефти выливаются на поверхность Мирового океана, попадают в почву и грунтовые воды, сгорают, загрязняя воздух. Большинство земель в той или иной мере загрязнены сейчас нефтепродуктами.

Русский

2013-11-13

1.81 MB

33 чел.

Содержание

[1] 1.1 Общие положения

[2] 1.2 Рекультивация нефтезагрязнённых земель

[2.1] 1.2.1 Основные этапы очистки почвы от нефти и нефтепродуктов

[2.2] 1.2.2 Методы проведения рекультивации

[2.3] 1.2.3 Технический этап рекультивации

[3] 1.3 Физико-химические методы рекультивации

[4]
2 Физико-химические свойства моющих поверхностно-активных веществ (ПАВ)

[5] 2.1 Общая характеристика поверхностно-активных веществ (ПАВ)

[6] 2.2 Классификация поверхностно-активных веществ (ПАВ)

[7] 2.3 Моющее действие поверхностно-активных веществ (ПАВ)

[8]
3 Экспериментальные исследования

[9] 3.1 Сталагмометрическое определение поверхностного и межфазного натяжений водных растворов поверхностно-активных веществ (ПАВ)

[10] 3.1.1 Описание сталагмометра

[10.1] 3.1.2 Определения поверхностного натяжения растворов ПАВ методом счета капель

[10.2] 3.1.3 Определение межфазного натяжения растворов ПАВ

[11] 3.2 Исследование отмывающей способности ПАВ

[12] 3.3 Описание реагента ПАВ

[13] 3.4 Меры безопасности выполнения экспериментальных работ

[14]
4 Результаты экспериментальных исследований

[15] 4.1 Исследование поверхностной  и межфазной активности ПАВ

[16] Рисунок  4 –Изменение относительного поверхностного натяжения

[17] Рисунок – 6

[18] 4.2 Исследование отмывающей способности ПАВ


          1 Загрязнение почв нефтью 

1.1 Общие положения

В последние годы проблема нефтяных загрязнений становится все более актуальной. Развитие промышленности и транспорта требует увеличения добычи нефти как энергоносителя и сырья для химической промышленности, а вместе с тем, это одна из самых опасных для природы индустрий.

Вторжение в биосферу потоков нефти и нефтепродуктов, физические изменения ландшафтов, все это вызывает существенные, а часто и необратимые, изменения в экосистемах.

Острота проблемы определяется региональным размахом нефтедобычи: в современную эпоху нефть может добываться на 15 % поверхности земного шара, в том числе, более чем на 1/3 поверхности суши [1]. В мире насчитывается более 40 тысяч нефтяных месторождений - потенциальных очагов воздействия на природную среду. В настоящее время ежегодно во всем мире добывается от 2 до 3 миллиардов тонн нефти [2] и по весьма приближенным, но явно не сниженным, данным, ежегодно поверхность земного шара загрязняется порядка 30 миллионов тонн нефти, что эквивалентно потере человечеством одного крупного нефтяного месторождения [

3

].

Ежегодно миллионы тонн нефти выливаются на поверхность Мирового океана, попадают в почву и грунтовые воды, сгорают, загрязняя воздух. Большинство земель в той или иной мере загрязнены сейчас нефтепродуктами. Особенно сильно это выражено в тех регионах, через которые проходят нефтепроводы, а также богатых предприятиями химической промышленности, использующими в качестве сырья нефть или природный газ. Ежегодно десятки тонн нефти загрязняют полезные земли, снижая ее плодородие, но до сих пор этой проблеме не оказывают должного внимания [].

Основной источник загрязнения почвы нефтью – антропогенная деятельность. В естественных условиях нефть залегает под плодородным слоем почвы на больших глубинах и не производит существенного на нее влияния. В нормальной ситуации нефть не выходит на поверхность, происходит это только в редких случаях в результате подвижек горных пород, тектонических процессов, сопровождающихся поднятием грунта.

Загрязнение окружающей среды нефтью и нефтепродуктами происходит при освоении нефтегазовых ресурсов недр и на предприятиях нефтяной индустрии. Под освоением нефтегазовых ресурсов недр понимается весь цикл работ от поисков месторождений нефти и газа до разработки последних, включительно. Под нефтяной индустрией подразумевается не только все, что связано с транспортом нефтепродуктов и нефти, переработкой последней, но и все, что связано с потреблением нефтепродуктов, как промышленными предприятиями, так и всем парком транспортных средств. На рисунке 1 показаны основные этапы загрязнения окружающей среды нефтью и нефтепродуктами.

Рисунок 1 – Основные этапы загрязнения окружающей среды нефтью и нефтепродуктами

Каждый этап в технологической цепочке движения нефти из недр до получения нефтепродуктов связан с нанесением ущерба окружающей среде. Негативному воздействию окружающая среда подвергается, начиная уже с поискового этапа. Однако наибольшее воздействие на биосферу оказывают процессы переработки, хранения и транспортировки нефти и нефтепродуктов.

Районы и источники загрязнений нефтью можно условно разделить на две группы: временные и постоянные («хронические»). К временным районам можно отнести нефтяные пятна на водной поверхности, разливы при транспортировке. К постоянным относятся районы нефтедобычи, на территории которых земля буквально пропитана нефтью в результате многократных утечек.

Почва - биологически активная среда, насыщенная большим количеством всевозможных микроорганизмов (бактерий и грибков).

За счет загрязнения нефтью в почве резко возрастает соотношение между углеродом и азотом, что ухудшает азотный режим почв и нарушает корневое питание растений. Кроме того, нефть, попадая на поверхность земли и впитываясь в грунт, сильно загрязняет подземные воды и почву, в результате чего плодородный слой земли не восстанавливается в течение длительного периода времени. Объясняется это тем, что из грунта вытесняется кислород, необходимый для жизнедеятельности растений и микроорганизмов. Почва самоочищается обычно очень медленно путем биологического разложения нефти [4].

Специфика загрязнения земель нефтепродуктами заключается в том, что последние долго разлагаются (десятки лет), на них не растут растения и выживают не многие виды микроорганизмов. Восстановить земли можно путем удаления загрязненного почвенного слоя вместе с нефтью. Далее может следовать либо засев культурами, которые в получившихся условиях смогут дать наибольшее количество биомассы, либо завоз незагрязненной почвы.

Почвы считаются загрязненными нефтепродуктами, если концентрация нефтепродуктов достигает уровня, при котором:

- начинается угнетение или деградация растительного покрова;

- падает продуктивность сельскохозяйственных земель;

- нарушается экологическое равновесие в почвенном биоценозе;

- происходит вытеснение одним-двумя произрастающими видами растительности остальных видов, ингибируется деятельность микроорганизмов;

- происходит вымывание нефтепродуктов из почв в подземные или поверхностные воды.

Безопасным уровнем загрязнения почв нефтепродуктами рекомендуется считать уровень, при котором не наступает ни одного из негативных последствий, перечисленных выше, вследствие загрязнения нефтепродуктами.

Таким образом, нефть представляет собой смесь углеводов и их производных, в целом свыше тысячи индивидуальных органических веществ, каждое из которых может рассматриваться как самостоятельный токсикант. Основной источник загрязнения почвы нефтью - антропогенная деятельность. Загрязнение происходит в районах нефтепромыслов, нефтепроводов, а также при перевозке нефти.

Восстановление загрязненных нефтепродуктами земель проходит либо засевом культур, устойчивых к нефтяному загрязнению, либо завозом незагрязненной почвы, что осуществляется в три основных этапа: удаление загрязненной нефтью почвы, рекультивация нарушенного ландшафта, мелиорация [5].

1.2 Рекультивация нефтезагрязнённых земель

Нефтяное загрязнение отличается от многих других антропогенных воздействий тем, что оно дает не постепенную, а, как правило, «залповую» нагрузку на среду, вызывая быструю ответную реакцию. При оценке последствий такого загрязнения не всегда можно сказать, вернется ли экосистема к устойчивому состоянию или будет необратимо деградировать. Во всех мероприятиях, связанных с ликвидацией последствий загрязнения, с восстановлением нарушенных земель, необходимо исходить из главного принципа: не нанести экосистеме больший вред, чем тот, который уже нанесен при загрязнении. Суть восстановления загрязненных экосистем – максимальная мобилизация внутренних ресурсов экосистемы на восстановление своих первоначальных функций. Самовосстановление и рекультивация представляют собой неразрывный биогеохимический процесс.

Естественное самоочищение природных объектов от нефтяного загрязнения - длительный процесс, особенно в условиях Сибири, где долгое время сохраняется пониженный температурный режим. В связи с этим, разработка способов очистки почвы от загрязнения углеводородами нефти - одна из важнейших задач при решении проблемы снижения антропогенного воздействия на окружающую среду.

В век технической революции необычайно быстро развиваются все отрасли наук, и особенно интенсивное развитие получают направления, стоящие на стыке различных областей естественнонаучной и производственной деятельности человека. За последнее десятилетие ученые различных отраслей науки уделяют пристальное внимание вопросам охраны биосферы от загрязнений, охраны и воспроизводства земельных, флористических и фаунистических ресурсов, охраны природных ландшафтов от разрушения.

Необычайно быстрыми темпами развивается и рекультивация земель - направление молодое, комплексное, находящееся на стыке самых разнообразных специальных дисциплин: географии, горного дела, геологии, почвоведения, геоботаники, агрохимии, лесоводства, экономики, градостроительства и так далее. Объектами рекультивации являются природно-территориальные комплексы, подвергшиеся разрушению и загрязнению в результате антропогенной деятельности. Воздействие мощной современной техники приводит не только к серьезной перестройке природных биогеоценозов, но и к их уничтожению. Нарушаются веками сложившиеся связи в природе, происходит коренная перестройка экосистем. Процесс естественной эволюции природно-техногенных комплексов идет чрезвычайно замедленными темпами. В связи с полным разрушением и преобразованием в процессе техногенеза растительности, почв и даже литогенной основы формирующиеся естественным путем биогеоценозы, как правило, малопродуктивны. Задача рекультивации земель или рекультивации природно-техногенных ландшафтов состоит в том, чтобы ускорить процесс естественной эволюции, придать ей целенаправленный характер, создать на месте нарушенных еще более продуктивные и устойчивые биогеоценозы, сформировать наиболее рационально организованные ландшафты, имеющие высокую хозяйственную, эстетическую и природоохранную ценность.

Рекультивация земель - понятие сравнительно новое, получившее широкое употребление только в последние десятилетия XX века.

Термин «рекультивация» появился с развитием и распространением работ по восстановлению плодородия земель, полностью или частично разрушенных в результате деятельности горнодобывающей промышленности. Поскольку наиболее ощутимый урон как природным, так и культурным ландшафтам принес открытый способ добычи полезных ископаемых, одновременно с его быстрым распространением возрастала необходимость восстановления продуктивности нарушенных природно-территориалъных комплексов, возвращения в хозяйственный оборот земель, освободившихся после окончания промышленных разработок [6].

Рекультивация рассматривается уже как комплексная проблема восстановления продуктивности и реконструкции, нарушенных промышленностью ландшафтов в целом, как «совокупность человеческой деятельности, направленной на восстановление нового культурного ландшафта, соответствующего исторической эпохе» [7] .

1.2.1 Основные этапы очистки почвы от нефти и нефтепродуктов

В зависимости от степени деградации нефти в почве и ее состава, принципы выбора приемов и методов рекультивации должны быть различными. В настоящее время существует большое количество методов, с помощью которых снижают и ликвидируют загрязнения нефтью и нефтепродуктами [8

].

Технология рекультивации включает в себя четыре основных этапа очистки. На первом этапе очистка проводится с использованием механических методов очистки почвы от нефти и нефтепродуктов. К ним относят обваловку загрязнения, замену почвы и откачку нефти в емкости [9]. Эти первичные мероприятия необходимы при крупных разливах нефти и нефтепродуктов, их осуществляют с помощью специального оборудования. Удаление нефти с поверхности почвы проводится с помощью специальных насосов. Сгребание загрязненного слоя осуществляется бульдозерами, экскаваторами, автомашинами или тракторами, после чего происходит захоронение слоя почвы, загрязненного нефтью. При этом возникает проблема с выбором места их расположения, так как они становятся источниками вторичного загрязнения.

На втором этапе применяют физико-химические методы: промывку почвы, сорбцию нефти и нефтепродуктов с поверхностного почвенного слоя, электрохимическую очистку почвы и так далее []. Промывку почвы проводят в специальных установках (например, в промывных барабанах) с применением моющих веществ, детергентов, затем промывные воды отстаиваются в гидроизолированных прудах или емкостях, где впоследствии проводят их разделение и очистку. Среди способов промышленной очистки грунтов большая роль отводится электрохимическому способу [10]. Он основан на использовании поля постоянного электрического тока и предполагает использование специальных устройств для очистки почвы.

На третьем этапе используются биологические методы, включающие применение гуминовых кислот, микроорганизмов и биотехнологии для очистки от нефтяных загрязнений. В литературных источниках рассмотрены разработки различных фирм в области применения микроорганизмов и биотехнологии для очистки от нефтяных загрязнений [11,12,13]. Применение этих методов способствует росту численности и активности микроорганизмов, участвующих в разложении углеводородов нефти, которые после нанесения их на очищаемую поверхность прикрепляются к пленке нефти на разделе фаз нефть-вода и включаются в процесс биодеградации углеводородов до полного исчезновения компонентов нефти. Поэтому обработка нефтезагрязненных почв активными штаммами нефтеокисляющих микроорганизмов считается наиболее перспективным методом борьбы с нефтяными загрязнениями. Применение гуминовых кислот (важнейшей части гумуса, которая определяет основные свойства почв и их плодородие) также дает хороший экологический эффект, который заключается в быстром восстановлении естественных геобиохимических процессов, поскольку гуминовые вещества обеспечивают устойчивость биосферы к интенсивному антропогенному воздействию.

На четвертом этапе применяют агротехнические приемы: рыхление, внесение минеральных удобрений, химическую мелиорацию и посев трав (фитомелиорацию) []. С их помощью можно ускорить процесс самоочищения загрязненных нефтью почв с помощью углеводородокисляющих микроорганизмов, входящих в состав естественного микробиоценоза. Так, рыхление загрязненных почв увеличивает диффузию кислорода, снижает концентрацию углеводородов в почве, обеспечивает разрыв поверхностных пор, насыщенных нефтью, в то же время способствует равномерному распределению компонентов нефти и нефтепродуктов в почве и увеличению активной поверхности взаимодействия. При использовании рыхления создается оптимальный газо-воздушный и тепловой режим, растет численность микроорганизмов и их активность, а также увеличивается скорость биохимических процессов. Внесение биогенных элементов в виде минеральных удобрений, а также посев в загрязненную почву трав с разветвленной корневой системой способствуют ускорению разложения углеводородов нефти.

1.2.2 Методы проведения рекультивации

Рекультивация земель – комплекс работ, направленных на восстановление продуктивности и народнохозяйственной ценности нарушенных земель, а также на улучшение условий окружающей среды в соответствии с интересами общества [14].

Задача рекультивации – снизить содержание нефтепродуктов и находящихся с ними других токсичных веществ до безопасного уровня, восстановить продуктивность земель, утерянную в результате загрязнения [15].

В соответствии с общими требованиями к рекультивации земель [16] при рекультивации земельных участков, загрязненных нефтью, нефтепродуктами и нефтепромысловыми сточными водами, необходимо осуществлять мероприятия по охране окружающей среды:

-ускорить деградацию нефтепродуктов;

-ликвидировать засоленность и солонцеватость почв.

Выделяются два уровня загрязнения:

- умеренное загрязнение, которое может быть ликвидировано путем активизации процессов самоочищения техническими (агротехническими) приемами (внесением удобрений, поверхностной обработкой и глубоким рыхлением и так далее);

- сильное загрязнение, которое может быть ликвидировано путем проведения специальных мероприятий, способствующих созданию аэробных условий и активизации углеводородоокисляющих процессов.

Нарушенные земли должны быть рекультивированы преимущественно под пашню и другие сельскохозяйственные угодья. В этом случае, рекультивация земель должна включать получение заключения агрохимической и санитарно-эпидемиологической служб об отсутствии опасности выноса растениями веществ, токсичных для человека и животных [17].

Если рекультивация земель в сельскохозяйственных целях нецелесообразна, создаются лесонасаждения с целью увеличения лесного фонда, оздоровления окружающей среды или защиты земель от эрозии; при необходимости создаются рекреационные зоны и заповедники.

Рельеф и форма рекультивированных участков должны обеспечивать их эффективное хозяйственное использование.

Рекультивируемые земли и прилегающая к ним территория после завершения всего комплекса работ должны представлять собой оптимально организованный и экологически сбалансированный устойчивый ландшафт [18].

Рекультивация нарушенных земель должна осуществляться в два последовательных этапа: технический и биологический, в соответствии с требованиями ГОСТ 17.5.1.01-83 [19]. Технический этап включает в себя использование механических и физико-химических методов. Биологический этап – биологические методы. В таблице 1 содержится описание методов ликвидации нефтяных загрязнений почвы [20].

Таблица 1 - Методы ликвидации нефтяных загрязнений почвы

Методы

Способы ликвидации

Особенности применения

Механи-

ческие

Обвалка загрязнения, откачка нефти в ёмкости

Первичные мероприятия при крупных разливах при наличии соответствующей техники и резервуаров (проблема очистки почвы при просачивании нефти в грунт не решается)

Замена почвы

Вывоз почвы на свалку для естественного разложения

Физико-

хими-

ческие

Сжигание

Экстренная мера при угрозе прорыва нефти в водные источники. В зависимости от типа нефти и нефтепродукта уничтожается от 50 до 70% разлива, остальная часть просачивается в почву. Из-за недостаточно высокой температуры в атмосферу попадают продукты возгонки и неполного окисления нефти; землю после сжигания необходимо вывозить на свалку

Предотвращение возгорания

При разливе легковоспламеняющихся продуктов в цехах, жилых кварталах, на автомагистралях, где возгорание опаснее загрязнения почвы; изолируют разлив сверху противопожарными пенами или засыпают сорбентами

Промывка почвы

Проводится в промывных барабанах с применением ПАВ, промывные воды отстаиваются в гидроизолированных прудах или ёмкостях, где впоследствии

Продолжение таблицы 1

1

2

3

проводятся их разделение и очистка

Дренирование почвы

Разновидность промывки почвы на месте с помощью дренажных систем; может сочетаться с использованием нефтеразла- гающих бактерий

Экстракция растворителями

Обычно проводится в промывных барабанах летучими растворителями с последующей отгонкой их остатков паром

Сорбция

Разливы на сравнительно твёрдой поверхности (асфальт, бетон, утрамбованный грунт) засыпают сорбентами для поглощения нефтепродукта и снижения пожароопасности при разливе легковоспламеняющихся продуктов

Термическая десорбция

Проводится редко при наличии соответствующего оборудования, позволяет получать полезные продукты вплоть до мазутных фракций

Биоло-

гические

Биоремедиация

Применяют нефтеразрушающие микроор- ганизмы. Необходима запашка культуры в почву. Периодические подкормки растворами удобрений, ограничение по глубине обработки, температуре почвы (выше 15ºС), процесс занимает 2-3 сезона

Продолжение таблицы 1

1

2

3

Фиторемедиация

Устранение остатков нефти путём высева нефтестойких трав (клевер ползучий, щавель, осока и другие), активизирующих почвенную микрофлору, является окончательной стадией рекультивации загрязнённых почв

При умеренном загрязнении достаточно проводить только технический этап рекультивации в расчете на самоочищение почвы.

1.2.3 Технический этап рекультивации

Технический этап включает в себя проведение работ создающих необходимые условия для дальнейшего использования рекультивированных земель по целевому назначению или для проведения мероприятий по восстановлению плодородия почв (биологический этап). Меры технической рекультивации - это ускорение процессов физического очищения почвы.

До недавнего времени наиболее распространенным и дешевым методом ликвидации нефтяного загрязнения было простое сжигание. Этот способ неэффективен и вреден по двум причинам: 1) сжигание возможно, если нефть лежит на поверхности густым слоем или собрана в накопители, пропитанные ею почва или грунт гореть не будут; 2) на месте сожженных нефтепродуктов продуктивность почв, как правило, не восстанавливается, а среди продуктов сгорания, остающихся на месте или рассеянных в окружающей среде, появляется много токсичных, в частности канцерогенных веществ [21].

Очистка почв и грунтов в специальных установках путем пиролиза или экстракции паром дорогостояща и малоэффективна для больших объемов грунта. Требуются большие земляные работы, в результате чего нарушается естественный ландшафт, а после термической обработки в очищенной почве могут остаться новообразованные полициклические ароматические углеводороды – источник канцерогенной опасности [22

].

Землевание замедляет процессы разложения нефтяных углеводородов, приводит к образованию внутрипочвенных потоков нефти, пластовой жидкости и загрязнению грунтовых вод. Складирование загрязненной почвы создает очаги вторичного загрязнения.

Качественное удаление нефтяных загрязнителей при высоких уровнях загрязнения зачастую не обходится без применения различного рода сорбентов. Среди возможного сырья для производства сорбентов наиболее привлекательными являются естественное органическое сырье и отходы производства растительного происхождения. К такому сырью относятся торф, сапропели, отходы переработки сельскохозяйственных культур и другие. [23].

Существует технология очистки почв и грунтовых вод путем промывания их поверхностно-активными веществами. Этим способом можно удалить до 86% нефти и нефтепродуктов. [].

1.2.4 Биологический этап рекультивации

Биологический этап включает комплекс агротехнических и фитомелиоративных мероприятий, направленных на улучшение агрофизических, агрохимических, биохимических и других свойств почвы. Биорекультивация - это оптимизация физико-химического и биологического факторов очищения почвы.

Биологический этап выполняется после завершения технического этапа и заключается в подготовке почвы, внесении удобрений, биопрепаратов, подборе трав и травосмесей, посеве, уходе за посевами и направлен на закрепление поверхностного слоя почвы корневой системой растений, создание сомкнутого травостоя и предотвращение развития водной и ветровой эрозии почв на нарушенных землях.

Биологический этап осуществляется после полного завершения технического этапа по восстановлению плодородного слоя почвы в соответствии с ГОСТ 17.5.3.06-85 и комплексе с механическими методами.

1.3 Физико-химические методы рекультивации

Физико-химические методы применяются для очистки от нефти как самостоятельно, так и в сочетании с другими способами. Широко используются сорбционные методы. В качестве сорбентов применяют природные и синтетические адсорбционные материалы органической и неорганической природы. Для сорбции нефти и нефтепродуктов могут применяться такие вещества, как торф, торфяной мох, бурый уголь, кокс, рисовая шелуха, кукурузная лузга, древесный опил, диатомовая земля, солома, сено, песок, резиновая крошка, активированный уголь, перлит, пемза, лигнин, тальк, снег (лед), меловой порошок, отходы текстильной промышленности, вермикулит, изопреновый каучук и некоторые другие материалы. Особый практический интерес представляют сорбенты растительного происхождения (торф, опилки, ДВП и другие) ввиду их невысокой стоимости и значительного объема запасов. Для удаления нефтепродуктов с водной поверхности применяют соцветия тростника. [24

].

В качестве сорбентов используют также разнообразные отходы промышленных предприятий, которые весьма эффективны при сборе нефти с поверхности воды и почвы. Они имеют низкую стоимость и высокую нефтепоглощающую способность.

Существуют различные способы очистки загрязненного нефтепродуктами грунта с использованием сорбционных материалов. Например, если в качестве адсорбента используют гидрофобизованные нефтепродуктами опилки, то методика очистки заключается в следующем: опилки смешивают с нефтезагрязненной почвой, затем в данную смесь подают воду и все перемешивают, опилки после данной процедуры всплывают и их удаляют с поверхности воды. При этом очистка грунта достигает 97 - 98 %. В качестве гидрофобизатора используется отработанное техническое масло [25].

Наиболее широкое применение на практике получили торф и различные его модификации, древесный опил, перлит и различные марки активированного угля.

Торф — природное образование органической природы, возникшее в результате отмирания и неполного разложения болотной растительности в условиях повышенной влажности и недостатка кислорода. Это многокомпонентная система, содержащая как органические, так и минеральные вещества. Сложная природа органического вещества торфа, его химический состав предопределяют его замечательное свойство — сорбционную способность. Использование торфа в качестве сорбента техногенных выбросов обусловлена его микроструктурой и дисперсностью, пористостью, клетчатой структурой, высокой удельной поверхностью (до 200 м2/г). Для сорбции 1 т нефти требуется около 1,5 т торфа естественной влажности, или 250 кг сухого. Сорбционная емкость торфа может быть увеличена различными приемами: тепловой обработкой, добавкой водоотталкивающих агентов и так далее [].

Для восстановления плодородия почв, загрязненных нефтепродуктами, и изменения направленности почвообразовательного процесса в сторону их окультуривания предлагается после бурения скважин обрабатывать почву и грунт комплексными реагентами, включающими высокоактивные дисперсные адсорбенты [26

].

Одно из самых основных свойств, которым должен обладать сорбент, применяемый для очистки нефтезагрязненных объектов, — его гидрофобность. Такие свойства присущи, например, древесному углю и пиролитическим отходам целлюлозно-бумажной промышленности.

Разработаны методы обезвреживания нефти и нефтепродуктов путем их связывания и превращения в твердые образования. При введении в смесь жидких и твердых углеводородов портландцемента образуется состав, который затем подвергают сушке. При этом углеводороды оказываются как бы покрытыми слоем цемента, изолирующим данный состав от соприкосновения с окружающей средой. Далее происходит застывание цемента в виде формы, которая придается смеси на начальном этапе перемешивания [27].

В другом случае осуществляют смешивание нефти и нефтепродуктов с известковой вяжущей пастой на водной основе. Полученную смесь формируют в блоки удобных для последующей транспортировки или захоронения размеров и выдерживают до затвердения, в результате чего достигается капсулирование экологически вредных веществ в твердой цементирующей массе. Для ускорения процесса отверждения и снижения расхода отвердителя в композиционную смесь добавляют нетоксичную окись хрома, образующуюся при термическом разложении двухромовокислого аммония. Окись хрома, полученная при термическом разложении двухромовокислого аммония, рассыпается по поверхности отверждаемой жидкости. Благодаря сильно развитой структуре поверхности окись хрома поглощает нефть, нефтепродукты и растительные масла [28].

. Среди обширного класса сорбентов наиболее эффективными для удаления с поверхности органических загрязнителей являются искусственные сорбенты многоразового пользования с высокоразвитой открытопористой структурой. К таким материалам относится, например, сорбент, созданный на основе карбамидного олигомера, специальным способом вспененного и превращенного в поропласт с высокоразвитой межфазной поверхностью. Он обладает отличными олеофильными свойствами и высокой сорбционной способностью: 1 г такого сорбента может поглощать до 60 г нефти и нефтепродуктов в зависимости от плотности сорбента; скорость сорбирования составляет от нескольких минут до 1—2 ч в зависимости от вязкости нефтепродукта. Сорбент позволяет осуществлять последующее простое извлечение собранного нефтепродукта (до 97%) методом отжима с целью его дальнейшей утилизации.

Твердые синтетические полимерные сорбенты (пенополиуретан, различные смолы) состоят из частиц, содержащих открытые поверхностные поры, которые способны удерживать углеводороды, и закрытые внутренние поры, придающие частицам хорошую плавучесть. Такие сорбенты не поглощают воду, но способны поглотить 2—5-кратный объем углеводородов. На некоторых предприятиях США для удаления нефти с поверхности воды используют хлопья полиуретановой пены, которая в дальнейшем собирается и отжимается с помощью специального устройства.

Хорошими сорбционными свойствами обладают такие полимерные материалы, как вспененные полистирольные гранулы или фенолформальдегидная стружка. Одним из лучших материалов в сорбции нефти оказался "пламилод", который представляет собой специально изготовленную пластмассу. Данный материал может впитать в себя до 1 т нефти на 40—130 кг собственного веса [29].

Для очистки нефтезагрязненной почвы используют также поверхностно-активные вещества. Они изменяют поверхностное натяжение нефтяной пленки, что способствует ее диспергированию и лучшему отделению сырой нефти и нефтепродуктов от частиц почвы. В настоящее время для данной цели используют детергенты искусственного и естественного происхождения.

Песчаная почва, загрязненная нефтепродуктами, может быть очищена с помощью подогретой воды, в которую введены поверхностно-активные вещества. Данная операция осуществляется следующим образом. Почву промывают подогретой до 20 — 100 °С водой, из полученной жидкостной смеси путем отстаивания отделяют нефть и нефтепродукты, песок дополнительно промывают водным раствором, который содержит добавки ПАВ для отделения нефтяной пленки с поверхности частиц. Затем образующуюся водно-нефтяную эмульсию отделяют и обрабатывают деэмульгатором до образования отдельных слоев нефти и воды. После этого слои разделяют и путем отгонки отделяют деэмульгатор, который направляют для повторного использования. При этом степень очистки частиц песка составляет 98,0 - 99,9 %.

Существует установка для очистки грунта от нефти и нефтепродуктов. Принцип ее действия основан на использовании виброкавитационной экстракции загрязнений, содержащих нефть и нефтепродукты, с последующим разделением пульпы на чистый грунт и извлеченные нефтепродукты. В качестве экстрагентов разработчики предлагают использовать как пресную, так и соленую воду, пар, нефть и различные углеводороды. Установка снабжена специально сконструированным экстрактором, который обладает высокими производительностью и эффективностью, а также оригинальным узлом для последующего отделения грунта от нефти и нефтепродуктов. Остаточная концентрация нефти и нефтепродуктов в грунте после его обработки не превышает 0,05 — 0,1 % (по массе).

Предложен термический способ очистки почвы от легких и средних по молекулярному весу углеводородов, при котором в пробуренную скважину впускают горячую смесь инертного газа и воздуха, затем ее поджигают, а продукты сгорания углеводородов откачивают на поверхность почвы в куполообразное защитное устройство, в котором продукты сгорания обезвреживаются и выбрасываются в атмосферу. Другой термический способ обезвреживания почвы, загрязненной значительным количеством нефтепродуктов, заключается в удалении ее с загрязненного участка и обработке на специальной установке. После предварительного нагрева горячими газами почву пропускают через горелку обрабатывающей установки, где из нее отсасывают в виде паров около 95 % присутствующих в ней углеводородов, которые направляются в отделение конденсации для превращения в жидкий нефтепродукт. Из камеры горения почву перегружают в камеру дожигания, в которой она нагревается до 1200 °С, в результате чего разрушаются оставшиеся в почве токсичные вещества. После завершающей обработки почва становится пригодной для обычного использования [].

Методы поверхностной очистки от нефтяных загрязнений с помощью сорбентов весьма перспективны, так как эти методы просты в осуществлении, экологически безопасны и позволяют в дальнейшем легко утилизировать собранные нефтепродукты.


2 Физико-химические свойства моющих поверхностно-активных веществ (ПАВ)

2.1 Общая характеристика поверхностно-активных веществ (ПАВ)

Поверхностно-активными веществами называются химические соединения, способные изменять фазовые и энергетические взаимодействия на различных поверхностях раздела фаз: «жидкость — воздух», «жидкость — твердое тело», «масло — вода» и так далее. Как правило ПАВ — это органическое соединение с асимметричной молекулярной структурой, содержащее в молекуле углеводородный радикал и одну или несколько активных групп. Углеводородная часть (гидрофобная) молекулы обычно состоит из парафиновых, ароматических, алкилароматических, алкилнафтеновых, нафтеноароматических, алкилнафтеноароматических углеводородов, различных по строению, разветвленности цепочек, молекулярной массе и другие. Активные (гидрофильные) группы являются наиболее часто кислородсодержащими (эфирные, карбоксильные, карбонильные, гидроксильные), а также азот-, серо-, фосфор-, серофосфорсодержащими (нитро-, амино-, амидо-, имидо-группы и тому подобное). Следовательно, поверхностная активность многих органических соединений в первую очередь зависит от их химического строения (в частности их полярности и поляризуемости). Такая структура, называемая дифильной, обусловливает поверхностную, адсорбционную активность ПАВ, то есть их способность концентрироваться на межфазовых поверхностях раздела (адсорбироваться), изменяя их свойства. Кроме того, адсорбционная активность ПАВ зависит также от внешних условий: температуры, характера среды, концентрации, вида фаз на границе раздела и так далее [30

, с.9].

По внешнему виду многие ПАВ представляют собой пасты, а некоторые жидкости или твердые мылообразные препараты, имеющие запах ароматических соединений. Практически все ПАВ хорошо растворяются в воде, образуя при этом в зависимости от концентрации большое количество пены. Кроме того, существует группа ПАВ, которая не растворяется в воде, но растворяется в маслах.

Главным физико-химическим свойством ПАВ является их поверхностная, или капиллярная активность, то есть их способность понижать свободную поверхностную энергию (поверхностное натяжение). Это основное свойство ПАВ связано с их способностью адсорбироваться в поверхностном слое на границе раздела двух соприкасающихся фаз: «жидкость-газ» (пар), «жидкость-жидкость», «жидкость-твердое тело». ПАВ обладают и рядом других свойств, важнейшие из них следующие.

Пенообразующая способность, то есть способность раствора образовывать устойчивую пену. Адсорбция на поверхностях, то есть переход растворенного вещества из объемной фазы в поверхностный слой. Смачивающая способность жидкости — это способность смачивать твердую поверхность или растекаться по ней. Эмульгирующая способность, то есть способность раствора веществ образовывать устойчивые эмульсии. Диспергирующая способность, то есть способность растворов ПАВ образовывать устойчивую дисперсию. Стабилизирующая способность, то есть способность растворов ПАВ сообщать устойчивость дисперсной системе (суспензии, эмульсии, пена) путем образования на поверхности частиц дисперсной фазы защитного слоя. Солюбилизационная способность — это способность повышать коллоидную растворимость мало- или совсем нерастворимых в чистом растворителе веществ. Моющая способность, то есть способность ПАВ или моющего средства в растворе осуществлять моющее действие. Биологическая разлагаемость, то есть способность ПАВ подвергаться разложению под воздействием микроорганизмов, что приводит к потере их поверхностной активности. Как будет показано в следующих разделах, отдельные свойства ПАВ имеют важное гигиеническое значение. Указанные и другие уникальные свойства многочисленных групп ПАВ позволяют использовать их для различных целей во многих отраслях народного хозяйства: в нефтяной, газовой, нефтехимической, химической, строительной, горнорудной, лакокрасочной, текстильной, бумажной, легкой и других отраслях промышленности, сельском хозяйстве, медицине и так далее [, с. 9-10].

2.2 Классификация поверхностно-активных веществ (ПАВ)

Для систематизации большого количества соединений, обладающих поверхностно-активными свойствами, предложен ряд классификаций, в основу которых положены различные признаки: содержание анализируемых элементов, структура и состав веществ, способы их получения, сырьевые источники, области применения и так далее. Та или иная классификация, кроме систематизации большого набора веществ, имеет преимущественную область применения. В частности, по содержанию определяемых элементов все ПАВ рекомендуется делить на пять групп. К первой группе отнесены ПАВ, в составе которых определяются углерод, водород и кислород. В остальных группах ПАВ, кроме указанных, содержится ряд других элементов. В составе второй группы ПАВ содержатся углерод, водород, кислород и азот. Третья группа ПАВ в молекуле содержит пять элементов: углерод, водород, кислород, азот и натрий. В составе молекулы ПАВ, отнесенных к четвертой группе, определяются углерод, водород, кислород, сера и натрий. Шесть элементов: углерод, водород, кислород, азот, сера и натрий содержатся в молекуле ПАВ, отнесенных к пятой группе. Данная классификация используется при качественном анализе ПАВ.

Наиболее полной и широко используемой является классификация, основанная на структурных особенностях и составе вещества [, с. 9].

В соответствии с данной классификацией все ПАВ подразделяются на пять больших классов: анионоактивные. катионоактивные, амфолитные, неионогенные, высокомолекулярные.

Анионоактивные ПАВ — это соединения, функциональные группы которых в результате диссоциации в растворе образуют положительно заряженные органические ионы, обусловливающие поверхностную активность.

Катионоактивные ПАВ в результате диссоциации в растворе из функциональных групп образуют положительно заряженные длинноцепочечные органические ионы, что обусловливает их поверхностную активность.

Амфолитные ПАВ — это соединения с несколькими полярными группами, которые в водном растворе, в зависимости от условий (величины рН, растворителя и так далее), могут диссоциироваться с образованием анионов или катионов, что придает им свойства анионного или катионного ПАВ.

Неионогенные ПАВ — это соединения, практически не образующие в водном растворе ионов. Растворимость их в воде определяется наличием в воде нескольких молярных групп, имеющих сильное сродство с водой.

Высокомолекулярные ПАВ по механизму и адсорбционной активности значительно отличаются от дифильных ПАВ. Для большинства высокомолекулярных ПАВ характерна линейная структура цепи, но встречаются среди них также полимеры разветвленного и пространственного соединения. По характеру диссоциации полярных групп высокомолекулярные ПАВ также разделяются на ионогенные (анионные, катионные, амфолитные) и неионогенные.

Полимеры принято делить на три группы: органические, элементоорганические и неорганические. Органические полимеры содержат, кроме атомов углерода, атомы водорода, кислорода, азота, серы и галоидов. Элементоорганические полимеры содержат атомы углерода и гетероатомы. Неорганические полимеры не содержат атомов углерода. В процессе нефтегазодобычи в основном используются органические и элементоорганические полимеры.

По назначению в ходе технологического процесса добычи нефти ПАВ могут быть разделены на ряд групп.

Деэмульгаторы — ПАВ, используемые для подготовки нефти.

Ингибиторы коррозии — химические реагенты, которые при добавлении в коррозионную среду резко замедляют или даже приостанавливают процесс коррозии.

Ингибиторы парафино- и солеотложений — это химические реагенты, предотвращающие выпадание высокомолекулярных органических соединений и неорганических солей в призабойной зоне пласта, оборудовании скважин, промысловых коммуникациях и аппаратах или способствующие удалению выпавшего осадка. К ингибиторам солеотложения относится большая группа химических соединений органической и неорганической природы. Они подразделяются также на однокомпонентные (анионные и катионные) и многокомпонентные. По растворимости бывают масло-, водо- и нефтерастворимые. В группу анионных ингибиторов

Бактерицидные препараты в процессе добычи нефти применяются для подавления роста различных микроорганизмов в призабойной зоне скважин, в нефтегазопромысловых сооружениях и оборудовании.

По степени биологического разложения под действием микроорганизмов ПАВ разделяют на биологически жесткие и биологически мягкие.

По растворимости в различных средах ПАВ разделяют на три большие группы: водорастворимые, маслорастворимые и водомаслорастворимые. Водорастворимые ПАВ объединяют ионогенные (анионоактивные, катионоактивные и амфолитные) и неионогенные ПАВ и проявляют поверхностную активность на границе раздела «вода-воздух», то есть снижают поверхностное натяжение электролита на границе с воздухом. Они применяются в виде водных растворов в качестве моющих и очищающих средств, флотационных реагентов, пеногасителей и пенообразователей, деэмульгаторов, ингибиторов коррозии, добавок к строительным материалам и тому подобное.

Маслорастворимые ПАВ не растворяются и не диссоцируют в водных растворах. Они содержат гидрофобные активные группы и разветвленную углеродную часть значительной молекулярной массы. Эти ПАВ слабо поверхностноактивны на границе раздела нефтепродуктов и воздуха. Поверхностная активность данных ПАВ в малополярных средах проявляется прежде всего на границах раздела с водой, а также на металлических и других твердых поверхностях. Маслорастворимые ПАВ в нефтепродуктах и в других малополярных средах обладают следующими функциональными свойствами: детергентными, диспергирующими, солюбилизирующими, противокоррозионными, защитными, антифрикционными и другие.

Водомаслорастворимые, как видно из названия, способны растворяться как в воде, так и в углеводородах (нефтяных топливах и маслах). Это обусловлено наличием в молекулах гидрофильной группы и длинных углеводородных радикалов.

Приведенные классификации, основанные на различных принципах, значительно облегчают ориентацию среди большого разнообразия соединений, обладающих свойствами поверхностно-активных веществ [, с. 9-10].

2.3 Моющее действие поверхностно-активных веществ (ПАВ)

Согласно теории, выдвинутой ещё в 30-е годы Ребиндером [II], основой моющего действия ПАВ и моющих средств является их поверхностная активность при достаточной механической прочности и вязкости адсорбционных пленок. Последнее условие выполнимо при оптимальной коллоидности растворов. Образовавшиеся пленки должны быть как бы твердыми за счет полной ориентации полярных групп в насыщенных адсорбционных слоях и коагуляции ПАВ в адсорбционном слое. Эти явления наблюдаются только в растворах поверхностно- активных полуколлоидов.

Таким образом, процесс моющего действия определяется химическим строенном ПАВ и физико-химическими свойствами их водных растворов.

По химическому строению и поведению в водных растворах ПАВ разделяют на три основных класса: анионоактивные, неионогенные и катионоактивные

Анионоактивные и катионоактивные вещества, диссоциируя в водных растворах, образуют соответственно анионы и катионы, которые определяют их поверхностную активность. Неионогенные ПАВ не диссоциируют в воде, их растворение идет за счет образования водородных связей.

Как известно, ПАВ характеризуются двойственностью свойств, связанной с асимметрией их молекулы, причем влияние этих противоположных асимметрично локализованных в молекуле свойств может проявиться раздельно или одновременно.

Так, способность ПАВ к адсорбции сопровождается ориентацией на поверхности водного раствора в результате уменьшения свободной энергии системы. С этими свойствами связана и способность ПАВ понижать поверхностное и межфазное натяжение растворов, обеспечивать эффективное эмульгирование, смачивание, диспергирование, пенообразование [].

Водные растворы коллоидных ПАВ концентрацией выше ККМ обнаруживают способность поглощать значительные количества нерастворимых или малорастворимых в воде веществ (жидких, твердых). Образуются прозрачные, устойчивые, не расслаивающиеся со временем растворы. Это явление - самопроизвольный переход в раствор нерастворимых или малорастворимых веществ под действием ПАВ, как известно,называют солюбилизацией или коллоидным растворением.

Указанные свойства водных растворов ПАВ обусловливают их широкое применение для отмывания загрязнений различных поверхностей.

Как правило, ни одно ПАВ не обладает совокупностью свойств, необходимых для оптимального проведения моющего процесса. Хорошие смачиватели могут плохо удерживать загрязнения в растворе, а вещества, хорошо удерживающие загрязнения, обычно являются плохими смачивателями. Поэтому при составлении рецептуры моющего препарата применяют смесь ПАВ и добавок, улучшающих определенные свойства ПАВ или композиции в целом. Так, в композиции технических моющих средств вводят щелочные добавки, которые омыляют жировые загрязнения и придают заряд капелькам образующихся в растворе эмульсий и дисперсий.[31

, с.12-14]


3 Экспериментальные исследования

3.1 Сталагмометрическое определение поверхностного и межфазного натяжений водных растворов поверхностно-активных веществ (ПАВ)

3.1.1 Описание сталагмометра

В качестве средства измерения  используется сталагмометр СТ-1.

Основной частью прибора является микрометр 1, обеспечивающий фиксированное перемещение поршня 2 в цилиндрическом стеклянном корпусе медицинского шприца 3. Шток поршня 2 соединен с пружиной 4, благодаря чему исключается его самопроизвольное перемещение.

Микрометр со шприцом укреплены с помощью скобы 5 и втулки 6, которая может свободно передвигаться по стойке штатива 7 и фиксироваться на любой ее высоте винтом 8. На наконечник шприца надета игла 9, которая плотно входит в капиллярную трубка из нержавеющей стали 10 (капилляр). Для определения поверхностного натяжения растворов ПАВ на границе с воздухом используется капилляр с прямым кончиком, а для межфазного натяжения методом счета капель – капилляр с загнутым кончиком. При вращении микровинта, пружина 4, сжимаясь, давит на шток поршня 2, который, перемещаясь в корпусе шприца, заполненного исследуемой жидкостью, выдавливает ее из кончика капилляра 10 в виде капли. При достижении критического объема капли отрываются и падают (для измерения поверхностного натяжения методом счета капель) или всплывают и образуют слой (для измерения межфазного натяжения методом объема капель).

Рисунок 2 – Установка по определению межфазного натяжения СТ-1

Поскольку величина межфазного и поверхностного натяжения зависит от температуры соприкасающихся фаз, сталагмометр помещен в термостатирующий шкаф.

3.1.2 Определения поверхностного натяжения растворов ПАВ методом счета капель

Поверхностное натяжение (σ) возникает на границе раздела фаз. Молекулы на границах раздела фаз не полностью окружены другими молекулами того же вида по сравнению с соответствующими молекулами в объеме фазы, поэтому поверхность раздела фаз в межфазном поверхностном слое всегда является источником силового поля. Результат этого явления – нескомпенсированность межмолекулярных сил и наличие внутреннего или молекулярного давления. Для увеличения площади поверхности необходимо вывести молекулы из объемной фазы в поверхностный слой, совершив работу против межмолекулярных сил.

Поверхностное натяжение растворов определяют методом счета капель с использованием сталагмометра, который заключается в отсчете капель при медленном вытекании исследуемой жидкости из капилляра. В данной работе используется относительный вариант метода, когда одна из жидкостей (дистиллированная вода), поверхностное натяжение которой при данной температуре точно известно, выбирается в качестве стандартной.

Перед началом работы шприц  сталагмометра тщательно промывают хромовой смесью, затем несколько раз ополаскивают дистиллированной водой, так как следы ПАВа сильно искажают полученные результаты.

Сначала опыт проводят с дистиллированной водой: набирают раствор в прибор и дают жидкости по каплям вытекать из сталагмометра в стаканчик. Когда уровень жидкости достигнет верхней метки, начинают отсчет капель n0; отсчет продолжают до достижения уровнем нижней метки. Эксперимент повторяют 4 раза. Для расчета поверхностного натяжения используют среднее значение количества капель. Разница между отдельными отсчетами не должна превышать 1-2 капли. Поверхностное натяжение воды σ0 табличная величина. Плотность растворов определяется пикнометрически.

Повторяют эксперимент для каждой исследуемой жидкости. Чем меньше поверхностное натяжение истекающей из сталагмометра жидкости, тем меньший объем имеет капля и тем больше будет число капель. Сталагмометрический метод дает достаточно точные значения поверхностного натяжения растворов ПАВ. Измеряют число капель n исследуемого раствора, вычисляют поверхностное натяжение δ по формуле

, (1)

где  0 – поверхностное натяжение воды при температуре опыта;

n0 и nх – число капель воды и раствора;

0 и х – плотности воды и раствора.

По полученным данным эксперимента строится график зависимости величины поверхностного натяжения на границе раствор «ПАВ – воздух» от концентрации (изотерма поверхностного натяжения).

3.1.3 Определение межфазного натяжения растворов ПАВ

Среди многообразных поверхностных явлений, протекающих на границах раздела фаз, особое влияние оказывает межфазное натяжение.

При рассмотрении системы «вода – нефть» на их границе раздела всегда существует межфазное натяжение. Молекула воды, удаленная от поверхности раздела, со всех сторон окружена другими молекулами воды. Поэтому результирующая сила взаимодействия этой молекулы с другими молекулами равна нулю. Молекула, расположенная на поверхности раздела, подвержена действию, с одной стороны, молекул нефти, расположенных выше границы раздела, а с другой стороны, молекул воды, лежащих ниже этой границы. Результирующая сила взаимодействия этой молекулы не равна нулю. Вследствие этого возникают силы межфазного натяжения и образуется поверхностный слой типа упругой мембраны.

Величина межфазного натяжения разных тел на границе раздела различных соприкасающихся фаз не одинакова и является для них физической характеристикой.

Приборы для определения межфазного натяжения основываются на измерении усилия, необходимого для разрыва поверхности межфазного раздела по периметру определенной длины. Наибольшее распространение получил метод определения объема капель [32], выдавливаемых из капилляра на границе раздела фаз.

Межфазное натяжение па границе двух жидкостей определяется по формуле:

σ = К∙V∙(ρ1 – ρ2),  (2)

где σ - межфазное натяжение, мН/м;

К - постоянная капилляра, мНм3 / (м·кг);

V - объем выдавливаемой капли, в делениях шкалы;

ρ1, ρ2 - плотность граничащих жидкостей, кг/м3.

Для определения постоянной капилляра необходимо замерить межфазное поверхностное натяжение такой органической жидкости на границе с дистиллированной водой, для которой это значение имеется в справочнике. Например, величина поверхностного натяжения на границе октан - дистиллированная вода по справочнику равна 50,98 мН/м.

Определив на сталагмометре объем выдавливаемой капли, постоянную К капилляра определяют по формуле:

К = 50,98/[V∙(ρв - ρо)], (3)

где К - постоянная капилляра, мНм3 / (м·кг);

50,98 - значение поверхностного натяжения на границе октан -дистиллированная вода, мН/м;

V- объем всплывшей капли в делениях шкалы;

ρв - плотность воды, кг/м3;

ρо - плотность октана, кг/м3.

Проведение испытания.

Устанавливается температура в термостате, равная 30 °С. Шприц заполняется нефтью и закрепляется с помощью скобы 14 на штативе. В стаканчик до метки наливается дистиллированная вода и в нее помещается загнутый капилляр, который с помощью медицинской иглы 10 надевается на шприц 4. Поверхность капилляра должна быть обезжирена хромовой смесью (концентрированная серная кислота + хромовокислый калий). Записывается число делений лимба микрометра  и включается в сеть электродвигатель, который приводит во вращение микровинт, сообщающий поршню поступательное движение. Поршень шприца 4 начинает медленно перемещаться, вытесняя тем самым нефть из капилляра. В связи с этим на кончике капилляра формируется капля, которая при достижении критического объема, отрывается от капилляра и всплывает на поверхность воды. В момент отрыва капли необходимо отключить электродвигатель от электросети и записать число делений лимба микрометра. Высчитывается объем выдавливаемой капли в делениях лимба микровинта. Проводится не менее 10 подобных замеров и берется среднее значение объема капли V, по которому вычисляется величина межфазного натяжения на границе нефть-дистиллированная вода.

σв-н = К∙V∙(ρв – ρн),

где σ - межфазное натяжение, мН/м;

К - постоянная капилляра, мНм3 / (м·кг);

V - объем выдавливаемой капли, в делениях шкалы;

ρв - плотность воды, кг/м3 

ρн - плотность нефти, кг/м3

По полученным данным эксперимента строится график зависимости величины межфазного поверхностного натяжения на границе нефть-вода от температуры.

3.2 Исследование отмывающей способности ПАВ

Высокую эффективность показал метод отмывания почв и грунтов, загрязнённых нефтью, с использованием поверхностно-активного вещества [33].

Назначение настоящих исследований явилось изучение возможности отмыва почв и грунтов сразу после их загрязнения с помощью раствора поверхностно-активного вещества.

Объектами исследований явились нефтезагрязнённые типовой чернозём и кварцевый песок со свежим нефтезагрязнением.

Порядок выполнения исследований. Исследования проводились в условиях модельного опыта. Экспериментальные исследования выполнялись лабораторным методом.

Определение степени отмыва типового чернозёма и кварцевого песка от нефтезагрязнения проводилось визуальным способом.

При выполнении исследовательской работы применялись следующие средства измерений, вспомогательные устройства, материалы и реактивы, а именно: весы, мерные стаканы, мерные колбы, сито с отверстиями диаметром 3 мм.

Для увеличения эффекта воздействия раствора ПАВ, проявляющегося в растворении нефтепродуктов, образовании эмульсии, выталкивании ее на поверхность до образования четкой границы между всплывшей нефтью или ее продуктами и раствором ПАВ, использовали нагревание и взбалтывание [34

].

Исследования по рекультивации проводились в условиях модельного опыта.

Порядок работ. Исследуемые типовой чернозём и кварцевый песок высушили в сушильном шкафу до «воздушно-сухого» состояния, их масса составляла: типовой чернозём – 50 г; кварцевый песок – 50 г. Поместили в мерные стаканы и подвергли нефтяному загрязнению до сильнозагрязнённого уровня. Загрязняли, исходя из литературных данных. Сильнозагрязнённой считается почва, количество содержания нефти которой превышает 40 г/кг [35].

Добавляем в типовой чернозём и кварцевый песок по 5 мл товарной нефти Девонского отложения Серафимовского месторождения Туймазинского района Республики Башкортостан Российской Федерации [36]. Загрязнённые нефтью чернозём и песок перемешиваем 5 – 10 минут. Содержание нефти в залитых чернозёме и песке определялось количеством заливаемой нефти.

Загрязнённые  типовой чернозём и кварцевый песок с ярко – выраженным запахом нефти растираем и просеиваем через сито диаметром 3 мм.

Далее приступаем к отмыванию раствором моющего средства «DeltaGreen» разных концентраций: 0,1%; 0,5%; 1,0%; 2,5%; 5,0%.

Для увеличения эффекта воздействия раствора ПАВ, проявляющегося в растворении нефтепродуктов, образовании эмульсии, выталкивании ее на поверхность до образования четкой границы между всплывшей нефтью или ее продуктами и раствором ПАВ, использовали нагревание и взбалтывание [].

Для сравнения качественной характеристики моющего средства «DeltaGreen» проводим отмыв нефтезагрязнённых типового чернозёма и кварцевого песка от нефти также с использованием воды, то есть без добавления средства «DeltaGreen».

Все опыты проводятся в пятикратной повторности.

3.3 Описание реагента ПАВ

В качестве моющего средства использовался препарат «DeltaGreen», применяющийся в настоящее время для обезжиривания или очистки деталей и ёмкостей многих технологических процессов. Для очистки почвы от нефти ранее его не использовали.

Средство под торговым названием «DeltaGreen» концентрат» производится научно-производственной фирмой «Pro Green International, LLC» [37]. Это жидкость светло-зелёного цвета, не содержит растворителей, кислот, едких, вредных отбеливающих веществ и аммиака, продукт безвреден для людей, животных, окружающей среды, полностью биологически разлагаем, не канцерогенный, не коррозийный, неограниченно и без остатка растворим в воде, без запаха, рН 10,0 ± 0,5. Следовательно, его использование не приводит к дополнительному загрязнению природной среды, как это бывает при химических методах с использованием различных растворителей, эмульгаторов и тому подобное.

 3.4 Меры безопасности выполнения экспериментальных работ

Сотрудники лаборатории должны знать свойства и физико-химические характеристики реактивов и новых химических веществ, поступающих на исследование. Необходимо следить, чтобы на всех емкостях реагентов, поступающих для исследования в лабораторию, имелись этикетки или подписи с указанием содержимого и основных физико-химических характеристик с выделением особо опасных свойств: «Яд», «Огнеопасно» и так далее.

Все работы, связанные с выделением вредных газов, паров и дыма, должны проводиться в работающих вытяжных шкафах с опущенными дверцами. Кратность воздухообмена 8-10.

При проведении опытов с реагентами, не испытывавшимися ранее в лаборатории, всем сотрудникам необходимо ознакомиться с их вредными свойствами, описанными в справочнике "Вредные вещества в промышленности" [38]. При проведении экспериментов с химическими веществами необходимо использовать спецодежду и индивидуальные средства зашиты - халаты, резиновые фартуки, перчатки и другие.

При работе с аппаратами, находящимися под вакуумом, а также при всех работах, связанных с возможностью засорения, ожога и раздражения глаз, необходимо надевать защитные очки или приспособления для защиты (шлем или щиток из органического стекла). Нельзя сливать нефтепродукты и органические растворители в канализацию. Все остатки химических веществ необходимо сливать в специальные закрытые бачки с этикеткой "Слив" и ежедневно выносить из лаборатории в специально отведенные для этого места.

Лаборатория должна быть оснащена средствами пожаротушения и аптечкой для оказания первой помощи.

Огнеопасные реактивы и реагенты необходимо хранить в специально оборудованных местах с хорошей вентиляцией. Каждый работающий в лаборатории должен знать, где расположены средства пожаротушения (кошма, листовой асбест, сухой песок, огнетушители, пожарный водяной стояк и так далее) и уметь ими пользоваться.

Во избежание поломки и раската стеклянных деталей установки, порезов их осколками, разлива масла и водных растворов используемых реагентов работы необходимо вести очень осторожно, без резких движений.

В случае разлива и попадании на кожу масла и водных растворов используемых реагентов необходимо смыть их водой или мыльным раствором.

При выполнении измерений в лаборатории должны соблюдаться следующие условия:

- температура воздуха (20 +/- 5) °C;

- влажность воздуха не более 80% при t = 25 °C;

- частота переменного тока (50 +/- 1) Гц;

- напряжение в сети (220 +/- 22) В.

Нельзя оставлять работающую установку или приборы без присмотра. Запрещается прием пищи и пользование открытым огнем в помещении, где находится экспериментальная установка.


4 Результаты экспериментальных исследований

4.1 Исследование поверхностной  и межфазной активности ПАВ

После подготовки сталагмометра к проведению измерений нами была произведена тарировка прибора. Была рассчитана константа К на границе дистиллированная вода – октан (К = 0,008974). Затем мы проводили лабораторные исследования при комнатной температуре (24 С). Результаты приведены в таблице 2,3.

Таблица 2 – Результаты измерения поверхностного натяжения растворов ПАВ

Концентрация, %

Плотность, г/см3

Количество капель, шт.

Поверхностное натяжение, мН/м

0,1

0,998

140

55,2

0,2

0,997

149

51,8

0,3

0,996

181

42,4

0,4

0,996

202

38,1

0,5

0,996

217

35,5

1,0

0,995

241

31,9

2,5

0,994

255

30,1

5,0

0,994

272

28,2

По таблице 2 была построена изотерма поверхностного натяжения (рис )

Рисунок 3 – Изотерма поверхностного натяжения растворов ПАВ

Рисунок  4 –Изменение относительного поверхностного натяжения

Как видно, для раствора концентрацией 0,1 % поверхностное натяжение меньше примерно на 15%. Максимальное изменение характерно для раствора 5% концентрации, оно составляет 40% или снижено в 2,5 раза. При этом значения для 2.5 и 5 % близки.

Межфазное натяжение на границе нефть – дистил вода составляет 30,5 мн/м. Эксперименты проводили с нефтью….

Результаты представлены в таблице 3.

Таблица 3 – Результаты измерения межфазного натяжения растворов ПАВ, дистиллированная вода

Концентрация, %

Значения лимба

Константа

Плотность раствора, г/см3

Плотность нефти,

Межфазное натяжение, мН/м

Дистил-лированная вода

23

0,008974

998

850

30,5

0,1

12

0,008974

998

850

15,9

0,2

10

0,008974

998

850

13,3

0,3

8

0,008974

998

850

10,6

0,4

6,5

0,008974

998

850

8,6

0,5

5

0,008974

998

850

6,6

1,0

2,5

0,008974

998

850

3,3

2,5

1,5

0,008974

998

850

2,0

5,0

1,3

0,008974

998

850

1,7

 

Как видно, максимальное снижение МН характерно для 5% раствора. Снижение составляет примерно 19 раз, что представлено ярко на рисунке 6.

Рисунок 5 – Изотерма межфазного натяжения растворов ПАВ, дистиллированная вода

Рисунок – 6

По рисунку видно, что значения для 2.5 и 5 % близки. Оба значения предположительно покажут высокую отмывающую способность, что следуетподтвердить в последующих экспериментах по отмыву почвы и песка от нефтяного загрязнения.

4.2 Исследование отмывающей способности ПАВ

После добавления раствора биологически разлагаемого поверхностно-активного вещества «DeltaGreen» в нефтезагрязнённые типовой чернозём и кварцевый песок образуется эмульсия, выталкиванием её на поверхность до образования чёткой границы между всплывшей нефтью и раствором ПАВ, отмытые грунт и песок остаются на дне. На рисунке 2,3 изображены результаты отмыва нефтезагрязнённых типового чернозёма и кварцевого песка раствором поверхностно-активного вещества «DeltaGreen» разных концентраций.

         

   0,1% раствор               0,5% раствор               1,0% раствор

          ПАВ                              ПАВ                             ПАВ

         

    2,5% раствор               5,0% раствор                     вода

          ПАВ                              ПАВ

Рисунок 3 - Отмыв нефтезагрязнённого типового чернозёма раствором поверхностно-активного вещества «DeltaGreen» разных концентраций

Ввиду наличия в почве гумуса, ее сложного состава, визуально оценить степень отмыва тяжело. Тем не менее, по рисунку видно, что максимальная степень отмыва характерна для 5% раствора ПАВ. Результаты по отмыву в кварцевом песке более наглядны ввиду ее однородности по структуре и по цвету.

На рисунке 3 наблюдаем отмыв нефтезагрязнённого типового чернозёма

     

    0,1% раствор            0,5% раствор            1,0% раствор

           ПАВ                          ПАВ                            ПАВ

         

    2,5% раствор              5,0% раствор                      вода

           ПАВ                             ПАВ

Рисунок 4 – Отмыв нефтезагрязнённого кварцевого песка раствором поверхностно-активного вещества «DeltaGreen» разных концентраций

Таким образом, наглядно видно, что хорошо отмывает нефтезагрязнённый кварцевый песок раствор ПАВ «DeltaGreen» с концентрацией 5,0%. Также достаточно хорошо отмывает раствор ПАВ «DeltaGreen» с концентрацией 1,0%. Раствор с концентрацией 0,5% отмывает достаточно, до образования нефтяной плёнки на поверхности, но на дне (слой отмытого кварцевого песка) видны нефтеобразования. Также происходит и с раствором с концентрацией 0,1%, но нефтяная плёнка на поверхности меньше. Следовательно, при рекультивации сильнозагрязнённых нефтезагрязнённых почв физико–химическим методом, используя способ отмыва раствором поверхностно-активного вещества, рекомендуется использовать раствор ПАВ «DeltaGreen» с концентрацией 5%. При рекультивации слабозагрязнённых нефтью почв можно использовать раствор ПАВ «DeltaGreen» с концентрацией 1,0%.


Библиографический список

1 Пиковский Ю.И. Загрязнённые нефтью наземные экосистемы: состояние и рекультивация // Современные проблемы изучения и сохранения биосферы. Том 3. С. Петербург, гидрометеоиздат., 1992. 184с

2 Рябчиков А.М. О загрязнении природной среды нефтью // Вестник МГУ. Сер.5. География. 1974. 2. С. 11-19.

3 Михайловер М.Д., Ермолаев Г.М. Охрана окружающей среды в нефтеперерабатывающей и нефтехимической промышленности. М.: ЦНИИТЭ нефтехим, 1979. 46с.

4 Кессельман Г.С., Махмудбеков Э.А. Защита окружающей среды при добыче, транспорте и хранении нефти и газа. М., Недра, 1981, 256с.

5 Вальков В.Ф., Казеев К.Ш., Колесников С.И. Экология почв: Учебное пособие для студентов ВУЗов. Часть 3. Загрязнение почв. Ростов-на-Дону: УПЛ РГУ, 2004. – 54с. (29-33)

6 Лукина Н.В., Чибрик Т.С., Глазырина М.А., Филимонова Е.А. Биологическая рекультивация и мониторинг нарушенных промышленностью земель // Хрестоматия. Екатеринбург. УрГУ, 2008. – 256с. (7-9)

7 Knabe W. Zur Wiederurbarmachung im Braun Kohlenbergbay. Berlin, 1959

8 Аренс В.Ж., Гридин О.М., Яншин А.Л. Нефтяные загрязнения: как решить проблему // Экология и промышленность России. 1999. №9. С. 33-36.

9 Бородавкин П.П., Ким Б.И. Охрана окружающей среды при строительстве и эксплуатации магистральных трубопроводов. М.: Недра, 1981. 160с.

10 Королёв В.А., Некрасова М.А., Митоян Р.А. Электрохимическая очистка грунтов от загрязнений // Экология и промышленность России. 1998. №8. С. 11-14.

11 Лушников С.В., Завгороднев К.Н., Бобер В.В. и др. Очистка воды и почвы от нефти и нефтепродуктов с помощью культуры микробов – деструкторов // Экология и промышленность России. 1999. №2. С.17-20.

12 Мурыгина В.П., Аринбасаров М.У., Калюжный С.В. Очистка водной поверхности и грунтов от нефтяных загрязнений биопрепаратом «Роден» // Экология и промышленность России. 1999. №8. С. 16-19.

13 Стабникова Е.В., Рева О.Н., Иванов В.Н. Выбор активного микроорганизма – деструктора углеводородов для очистки нефтезагрязнённых почв // Прикладная биохимия и микробиология. 1995. Т. 31. №5. С.534-539.

14 ГОСТ 17.5.1.01-83

15 Реймерс Н.Ф. Природопользование / Реймерс Н.Ф. // Словарь – справочник. – М.: Мысль, 1990. – 637.

16 ГОСТ 17.5.3.04-83, п.5-10

17 ГОСТ 17.5.3.04-83

18 ГОСТ 17.5.3.04-83, п.1-10

19 ГОСТ 17.5.3.04-83, п.1-8

20 Колесниченко А.В. Процессы биодеградации в нефтезагрязнённых почвах / А.В. Колисниченко, А.И. Марченко, Т.П. Побежимова, В.В. Зыкова. – Москва: «Промэкобезопасность», 2004. – 194.

21 Гриценко А.И.Экология. Нефть и газ / А.И. Гриценко, Г.С. Акопов, В.М. Максимов. – М.: Наука, 1997.- 598 с.

22 Пиковский Ю.И. природные и техногенные потоки углеводородов в окружающей среде / Ю.И. Пиковский. – М.: Издательство МГУ, 1993. – 208 с.

23 Колесниченко А.В. Процессы биодеградации в нефтезагрязнённых почвах / А.В. Колесниченко, А.И. Марченко, Т.П. Побежимова, В.В. Зыкова. – Москва: «Промэкобезопасность», 2004. – 194 с.

24 Кузнецов Ф.М. Рекультивация нефтезагрязненных почв / Ф.М. Кузнецов, А.П. Козлов, В.В. Середин, Е.В. Пименова. – ПГСХА: Пермь, 2003. – 196 с.

25 Абрашин Ю.Ф. способ очистки загрязнённого нефтепродуктами грунта / Ю.Ф. Абрашин, С.М. Жулев, Н.С. Марков, Г.Н. Попов: А.С. 1749340 РФ, МКИ А-1, С 02, Е 01 Н 12 / 00. Опубл. 23.07.1992. Бюл. №27.

26 Иларионов С.А. Экологические аспекты восстановления нефтезагрязнённых почв / С.А. Иларионов. – Екатеринбург: УрОРАН, 2004. – с. 194.

27 Булатов А.И.Охрана окружающей среды в нефтегазовой промышленности / А.И. Булатов, П.П. Макаренко, В.Ю. Шеметов. – М.: Недра, 1997. – 483 с.

28 Быков Ю.И. Техника экологической защиты Крайнего севера при строительстве скважин / Ю.И. Быков. – Л.: Издательство ЛГУ, 1991. – 240 с.

29 Кагарманов Н.Ф. Использование пласт массовых баллонов для сбора нефти с поверхности водоёмов / Н.Ф. Кагарманов, А.У. Шарипов, К.Л. Минхайров // Нефтяное хозяйство. – 1978. - №9. – с. 21-23

30 Мурзакаев Ф.Г., Максимов Г.Г. Химизация нефтедобывающей промышленности и охрана окружающей среды. – Уфа: Башк. кн. изд-во, 1989. – 176 с., ил.

31 Б.Н. Угаров, В.А. Ющенко, Ж.Г. Блащук Синтетические моющие средства технического назначения Мосва 1975 НИИТЭХИМ, ВНИИХИМПРОЕКТ, с. 34.

32 ГОСТ Р 50097 – 92 Вещества поверхностно-активные. Определение межфазного натяжения. Метод объёма капли.

33 Габбасова И.М., Сулейманов Р.Р., Бойко Т.Ф. и др. Использование биогенных добавок совместно с препаратом «Деворойл» для рекультивации нефтезагрязнённых почв // Биотехнология. – 2002. – С.57-65

34 Сулейманов Р.Р., Ситдиков Р.Н.,Габбасова И.М. Рекультивация грунтов нефтешламовых амбаров. Научная статья. Институт биологии УНЦ РАН, г. Уфа, Россия 2005 с.3

35 Барсукова Н.Ф., Королев П.А., Краузе С.Н. Очистка сточных вод и почвы от нефтепродуктов в условиях нефтебазового хозяйства // Химия и технология масел. 1996, 4. С. 41-43

36 Приложение 2.

37 Приложение 1.

38 "Справочник химика. т.3: Химическое равновесие и кинетика, свойства растворов, электродные процессы" М.-Л. 1965, стр. 367-458


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

13822. Анализ чая Корона Российской Империи компании Май с точки зрения потребителя и производителя 190.58 KB
  Эссе по предмету Микроэкономика на тему: Анализ чая Корона Российской Империи компании Май с точки зрения потребителя и производителя. Содержание: Введение информация о компании. Анализ товара с точки зрения потребителя. состав товара его основные
13823. Экономический анализ. Женские тонкие сигареты «ESSE blue» легкие 98.56 KB
  ЭССЕ ПО МИКРОЭКОНОМИКЕ На тему Женские тонкие сигареты ESSE blue легкие Содержание Содержание2 1.Информация о производителе3 2.важные свойства4 3.кто является потребителем данного продукта5 4.субституты и комплементы6 MURATTI6 WINSTON6 Vogue SuperSlim Arome L’emotion6 Next...
13824. Анализ рынка плиточного шоколада в России на примере шоколада Nesquik от Nestle 62.5 KB
  Анализ рынка плиточного шоколада в России на примере шоколада Nesquik от Nestle эссе Москва 2011 Кондитерские изделия всегда были и остаются популярными товарами потребительской России. С конца 90х годов наблюдается стабильный рост на этом рынке см. таблицу 1. В настоящее ...
13825. Анализ разогревающего крем - геля ультра очищение Pure zone от L’oreal 536.5 KB
  Эссе по микроэкономике №1Анализ разогревающего крем геля ультра очищение Pure zone от L’oreal План 1.Введение актуальность выбора 2.Основная часть: Анализ выбора потребителя 2.1.Описание товара 2.2.Важные свойства товара для потребителей результат цена
13826. Экономический анализ товара ноутбук Sony Vaio VPCEA3Z1R/N 1.88 MB
  Экономический анализ товара ноутбук Sony Vaio VPCEA3Z1R/N В настоящее время компьютеризация прочно вошла в нашу жизнь. Она проникла во все сферы окружающие нас. Невозможно представить как провести хотя бы день без компьютера. Садимся печатать материал – компьютер садимся и...
13827. Анализ продукта: компьютер MacBook Air с диагональю экрана 11,6 дюйма компании Apple 132 KB
  Эссе по микроэкономике на тему: Анализ продукта: компьютер MacBook Air с диагональю экрана 116 дюйма компании Apple Оглавление Марка Apple. Описание товара. Важные свойства. Покупатели. Субституты и комплементы. Субституты: Комплементы: Заключение
13828. Анализ iPhone 4 70.5 KB
  ПРЕДМЕТ МикроэкономикаЭссе На тему:Анализ iPhone 4 Врятли ктолибо поспорит что компания Apple на сегодняшний день является одной из самых успешных и знаменитых компаний на планете если не самой успешной и знаменитой. Любой проект зарожденный в ее недрах благодаря иде
13829. Garnier skin naturals 53.02 KB
  Эссе по микроэкономике Garnier skin naturals Содержание. Введение Мой выбор Как же оно действует Свойства молочка Гарньер Кто пользуются Субституты и Комплименты Продажи Список используемой литературы Garnier skin naturals Введение В...
13830. Анализ спроса на бритвы Gillette на российском рынке 221 KB
  Эссе по микроэкономике на тему: Анализ спроса на бритвы Gillette на российском рынке. Содержание: Введение. Рассмотрение товара с точки зрения потребителя Почему люди выбирают данный товар Основные субституты данного товара Основные комплементы данног