ХИМИЧЕСКАЯ ФИЗИКА,, 2014, том 33, № 10, с. 66-72
ХИМИЧЕСКАЯ ФИЗИКА ЭКОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ
УДК 54-148; 62-404.8;504.5
МЕТОД ПОЛУЧЕНИЯ СТРУКТУРИРОВАННЫХ УГЛЕВОДОРОДНЫХ ГЕЛЕЙ ДЛЯ ПОВЫШЕНИЯ ЭФФЕКТИВНОСТИ ТЕХНОЛОГИЙ ЛИКВИДАЦИИ ПОСЛЕДСТВИЙ РАЗЛИВА НЕФТИ И НЕФТЕПРОДУКТОВ
© 2014 г. И. В. Кумпаненко*, А. В. Рощин, В. В. Усин, Н. А. Иванова, А. В. Блошенко, А. Е. Гончарова, Н. А. Сахарова
Институт химической физики им. Н.Н. Семенова Российской академии наук, Москва
*Е-таП: ivkumpan@chph.ras.ru Поступила в редакцию 07.08.2013
Обнаружено, что тетраалкоксибораты лития являются эффективными агентами гелеобразования в углеводородах. Вязкость жидких углеводородов может быть увеличена до требуемой степени путем их смешивания с гелеобразующей композицией, которая состоит из эквимолекулярных количеств трет-бутилата лития Ы—О—С(СН3)3 и триалкоксибората В(ОС8Н17)3. Нефть, желатинированная этой композицией, имеет резиноподобную консистенцию, которая сохраняет свою форму, и, следовательно, нефтяные разливы, обработанные посредством этого метода, могут быть более эффективно ликвидированы с помощью механических приспособлений или вручную.
Ключевые слова: методы ликвидации разливов нефти и нефтепродуктов, комплексы тетраалкокси-бората лития с углеводородными компонентами, трехмерные структуры в углеводородных жидкостях, образование гелей и загущение нефти и нефтепродуктов.
DOI: 10.7868/S0207401X14100069
ВВЕДЕНИЕ
Загрязнение окружающей среды нефтью и продуктами ее перегонки — одна из важнейших проблем экологической безопасности, на решение которой направлены усилия ученых и технологов. Для ликвидации разлива нефти и нефтепродуктов в мировой практике чаще всего применяются технологии, относящиеся к одной из следующих групп [1]:
1. Механический и/или ручной сбор загрязняющих веществ как на суше, так и на водной поверхности.
2. Применение диспергентов на морской поверхности (желательно вне территории закрытых портов).
3. Сжигание на месте (in situ), главным образом на суше, хотя в последнее время появились данные об использовании метода на морской поверхности, заполненной дрейфующим льдом [2].
4. Биоремедиация. Часто не относится к технологиям немедленного реагирования на разливы, так как эффект может наблюдаться через несколько месяцев или даже лет.
В ходе работ по ликвидации последствий разлива нефти и нефтепродуктов в зависимости от
технологии могут использоваться вещества и материалы различных видов [1]:
1. Химические диспергенты углеводородов.
2. Биоремедиаторы.
3. Детергенты для очистки береговой линии.
4. Боновые ограждения на водной поверхности.
5. Деэмульгаторы.
6. Сорбенты.
7. Отвердители.
8. Агенты-"собиратели" (herders) углеводородов.
9. Инициаторы воспламенения.
10. Эластификаторы-гелеобразователи.
Применяемые методы ликвидации разлива в грубом приближении можно подразделить на две категории. К первой из них (диспергирование, очистка с помощью детергентов) относятся методы, в которых нефть и нефтепродукты максимально "рассеиваются" в окружающей среде с целью облегчить их последующее разложение с помощью биоремедиаторов. Ко второй категории относятся методы, которые, напротив, предназначены для "сбора" первоначально рассеянных углеводородов в более крупные образования и дальнейшего их удаления.
МЕТОД ПОЛУЧЕНИЯ СТРУКТУРИРОВАННЫХ УГЛЕВОДОРОДНЫХ ГЕЛЕЙ
67
Выбираемые далее технологии зависят от условий и состояния среды, в которой произошел разлив: боновые ограждения предотвращают дальнейший разлив углеводородов по водной поверхности, деэмульгаторы способствуют сохранению углеводородной массы в воде в нераздробленном виде, а сорбенты позволяют адсорбировать их в своем объеме, после чего адсорбированные вещества вместе с сорбентом могут быть вывезены и утилизированы.
Основной целью применения отвердителей, как и сорбентов, является возможность перевести нефть и нефтепродукты из жидкого (текучего) в твердое состояние, что значительно облегчает процедуру их механического и/или ручного сбора. В настоящее время в литературе упоминаются отвердители двух типов: низкомолекулярные сшивающие агенты и полимеры, содержащие сшивающие группировки. Как низкомолекулярные, так и высокомолекулярные сшивающие агенты в результате химических реакций образуют химические или координационные связи с молекулами углеводородов. Реакции трехмерной сшивки, как правило, необратимы, в отличие от процесса сорбции, и в результате твердые продукты реакции не подлежат регенерации.
К сожалению, в научной литературе нами было обнаружено лишь несколько статей [3—6], посвященных технологии отверждения нефтяных углеводородов. При этом точные химические формулы сшивающих агентов, как правило, не называются, вероятно, ввиду того, что это является коммерческой тайной.
В статье [3] описаны полевые испытания отвердителя Nochar A 650, который в виде гранул помещался на испытательных участках вблизи загрязненной нефтью береговой линии. По истечении 4-х дней испытаний было обнаружено, что в результате реакции отвердителя с неочищенной нефтью марки "South Louisiana" образуется связная твердая масса без признаков каплеобразова-ния на ее поверхности. Отвержденная таким образом нефть имеет резиноподобную консистенцию, сохраняющую форму, и может быть удалена механическим или ручным способом. Степень очистки от нефти на трех испытательных участках составляла от 70 до 76%.
Описаны лабораторные испытания серии от-верждающих агентов нового типа [5]. Эти агенты получались в результате реакции ПАВ, спиртов или карбоновых кислот с алкилхлорсиланами в низкомолекулярных углеводородных растворителях. Согласно одной из рецептур, два силана — октадецилтрихлорсилан CH3(CH2)17SiCl3 и тримето-ксисилан (CH3O)3SiH добавляются к раствору одновременно с ПАВ, силиконовой смазкой и петролейным эфиром в качестве растворителя. В
конечной смеси представлены следующие мольные соотношения: одна часть ПАВ марки "Brij 76", одна часть трихлорсилана, пять частей октадеци-лтрихлорсилана, пять частей триметоксисилана и 0.05 г/моль силиконовой смазки в петролейном эфире. Обработка поверхности нефтяного разлива полученным раствором производится путем разбрызгивания.
Лабораторные испытания проводились с использованием легкой неочищенной нефти марки "Brent". Соотношение отвердитель/нефть составляет 1/7. Отвержденная нефть содержала до 85 мас. % воды. Обнаружено, что силикон покрывает образующуюся твердую поверхность и делает ее менее адгезивной по отношению к нефти. Процесс отверждения не зависит от температуры и солености воды. Показано, что отверждение описанным методом применимо к разливам нефти небольшой площади.
Метод ликвидации последствий разливов нефти, основанный на ее сжигании in situ, применяемый главным образом на суше, в последнее время все чаще используется на водной поверхности, заполненной дрейфующими льдами [2, 7]. Ключевым фактором для процесса сжигания является толщина нефтяного пятна. Недостаток дрейфующего льда приводит к тому, что пятно нефти быстро распространяется по поверхности и становится слишком тонким для того, чтобы воспламениться. Лабораторные и полупилотные испытания показали, что при толщинах нефтяных пятен 2—5 мм эффективное воспламенение становится возможным. С целью увеличения этих толщин используются специфические ПАВ, иногда называемые агентами-"собирателями" нефти. Эти агенты способны быстро распространяться по водной поверхности в виде мономолекулярного слоя в результате их высоких коэффициентов растекания (давления растекания). Наиболее эффективные ПАВ-"собиратели" углеводородов имеют давление растекания до 40 мН/м, в то время как для сырой нефти этот показатель составляет от 10 до 20 мН/м. Следовательно, небольшие количества этих ПАВ (около 5 л на линейный километр кромки пятна разлива или, другими словами, 50 мг на 1 м2 открытой водной поверхности) быстро очистят поверхность воды от тонкой пленки нефти.
"Собиратели" углеводородов разбрызгиваются на водной поверхности, окружающей нефтяное пятно. В результате поверхностное натяжение окружающей воды значительно падает (от 70 до 25—30 мН/м). Когда мономолекулярный слой ПАВ достигает края тонкого нефтяного пятна, он изменяет баланс межповерхностных сил, действуя на край пятна, и позволяет поверхностным силам сгруппировать последнее, увеличив толщину его слоя за счет снижения площади поверх-
Рис. 1. Метод "собирания" нефтяных пятен на водной поверхности, заполненной дрейфующими льдами, с помощью ПАВ: а — начало обработки водной поверхности, окружающей нефтяное пятно, с помощью ПАВ-"собирателей" углеводородов; б — растекание ПАВ по водной поверхности с образованием мономолекулярного слоя и возникновение сил поверхностного натяжения, "стягивающих" нефтяное пятно; в — уменьшение площади нефтяного пятна с одновременным увеличением его толщины; 1 — водная поверхность, 2 — нефтяное пятно, 3 — дрейфующие льдины, 4 — приспособление для разбрызгивания ПАВ-"собирателей" углеводородов на водной поверхности, 5 — точки обработки водной поверхности, 6 — ПАВ, распространившиеся по водной поверхности в виде мономолекулярного слоя.
ности пятна (см. рис. 1). Данный метод был активно использован в условиях дрейфующих льдов при разливе нефти в море Бофорта вблизи Аляски [7].
ГЕЛЕОБРАЗОВАНИЕ В СТРУКТУРИРОВАННЫХ УГЛЕВОДОРОДАХ
По своим конечным результатам, используемым в дальнейших технологиях очистки, образование углеводородных гелей близко к отверждению: и в том и в другом случае значительно упрощается процесс механического или ручного сбора загрязняющих веществ, переведенных из жидкого в твердое или гелеобразное состояние. Однако, в отличие от необратимого процесса отверждения (трехмерной сшивки), гелеобразование является процессом обратимым: гелеобразный продукт можно регенерировать и из него легко получить исходные углеводороды для использования по прямому назначению.
В настоящее время известно множество веществ и составов, образующих гели в углеводородах [8— 15]. В патенте [8] в качестве гелеобразователей описаны железистые соли алкилортофосфорных кислот. Образующиеся гели регенерируются путем добавлени
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.