Сорбенты при очистке нефтяного загрязнения на участке моделируемой аварии на 995 км перегона ст. Дельбичинда — ст. Дабан ВСЖД



Встатье рассмотрен выбор сорбентов как для очистки акватории реки Куненрма, так и для сбора нефтяных луж пожара пролива с грунта, на участке моделируемой аварии в районе 995 км перегона ст. Дельбичинда — ст. Дабан.

Ключевые слова:сорбенты, локализация разлива нефти, нефтяное загрязнение речной акватории, нефтяное загрязнение грунтов.

По условиям введенной в работе [1] аварии, в июле, в период наибольшей селевой активности, на перегоне ст. Дельбичинда — ст. Дабан (предбайкальский участок БАМа), Северобайкальской дистанции пути, грузовой состав в составе 70 цистерн, загруженных топочным мазутом и дизельным топливом в пропорции 1 / 1,5, двух тяговых и одного толкающего локомотивов, попадает в селевой поток при пересечении ручья Вредный. При этом в акваторию реки Кунерма, текущей вдоль железнодорожного полотна, и в сам ручей вредный, впадающий в реку Кунерма, попадают нефтепродукты в объеме 548,775 м³. Так же существует наземный разлив горящей нефти из 5 цистерн, ушедших под откос площадью 2 829 м². Нефтепродуктами являются топочный мазут и дизельное топливо в пропорции 1 / 1,5. Вследствие чего возникает необходимость проведения комплекса работ по очистке территории, в том числе с применением сорбентов нефтепоглотителей.

Для того, чтобы сделать вывод о наиболее подходящих материалах для сорбционной очистки нефтепродуктов, было проанализировано состояние российского рынка сорбентов, и составлена сводная таблица, включающая основные параметры сорбирующего материала.

Таблица 1

Сравнительная таблица сорбентов [2].

№п/п	Наименование сорбента	Расход из расчета на 1 тонну нефти вкг.	Расход из расчета на 1 тонну нефти вруб.	Скорость поглощения	Температурный режим работы	Экологичность, класс опасности.	Экологичность утилизации.	Экологичность сырья	Гарантийный срок хранения	Условия хранения	Показатели по уровню сложности извлечения сорбента	Степень простоты применения.
1	Абсолют-Нафта	200	35 300	30 мин	+5: +40	4	1	1	2 года	1	2	3
2	Аквален	50	41 500	50 мин	+5: +50	5	1	1	2 года	2	2	1
3	Активированный уголь	1300	52 000	50 мин	-5: +50	3	1	1	3 года	1	1	3
4	Адсорбент НПМ-Л	56	25 140	10 мин	-5: +40	4	1	2	1 год	2	3	1
5	Белнефтесорб-Экстра	420	18 600	30 мин	0: +35	4	1	1	2 года	1	1	3
6	Биосорб	170	17 500	30 мин	+3: +40	4	1	1	2 года	1	2	3
7	Биоадсорбент-С	500	75 000	30 мин	+4: +35	4	1	1	3 года	1	2	3
8	БТИ-1	300	69 300	30 мин	+5: +40	4	1	1	2 года	1	1	3
9	ВИВАН	250	33 000	30 мин	0: +35	4	1	1	3 года	1	1	3
10	Гигасорб	9	7 236	5 мин	+4: +50	3	1	1	3 года	2	2	2
11	Деворойл	10	62 500	50 мин	+5: +45	4	2	2	1 год	1	4	2
12	ИРВЕЛЕН-М	1	450	1–2 сек	-70: +160	5	3	2	3 года	3	3	1
13	ИРВЕЛЕН	200	36 000	1–2 сек	-70: +160	5	3	2	3 года	3	3	1
14	Лессорб-Экстра	96	9 400	30 мин	-5: +50	4	1	1	1 год	1	1	3
15	Лессорб-Экстра термообработанный	100	11 300	30 мин	-5: +50	4	1	1	1 год	1	1	3
16	Мегасорб	85	89 760	5 мин	+4: +50	4	1	1	3 года	2	2	2
17	Миксойл	340	21 998	30 мин	0: +100	4	3	1	1 год	1	2	3
18	МИУ-С	300	19 800	30 мин	-5: +50	3	1	1	2 года	2	1	3
19	Мульти-С	556	330 670	4 мин	-70: +160	5	1	2	3 года	3	3	1
20	Мульти-С1	556	330 980	4 мин	-70: +160	5	1	2	3 года	3	3	1
21	Мульти-С1М	534	280 620	4 мин	-70: +160	5	1	2	3 года	3	3	1
22	Нефтесорб	70	10 500	25 сек	-5: +45	4	1	1	1 год	1	2	3
23	НЕСо-1	1000	100 000	30 мин	+3: +40	4	1	1	2 года	1	2	3
24	НЕСп-1	129	15 900	30 мин	+3: +40	4	1	1	1 год	1	1	3
25	НЕС	180	25 300	30 мин	+5: +40	4	1	1	2 года	1	2	3
26	НЕ-СИ-1	500	75 000	30 мин	+3: +40	4	1	1	3 года	1	2	3
27	НЕ-СИ-2	250	37 500	30 мин	+3: +40	4	1	1	1 год	1	1	3
28	Новосорб	250	50 000	4 мин	+4: +40	4	1	1	1 год	1	2	3
29	Орловский цеолит	1428	7 140	30 мин	+5: +40	4	1	1	1 год	1	1	3
30	ОДМ-1Ф	150	118 000	5 мин	-15: +100	4	1	1	2 года	1	1	3
31	Peat Sorb	1000	250 000	30 мин	+4: +35	4	1	1	1 год	1	1	3
32	Paper Sorb	104	20 400	5 мин	+5: +40	4	1	1	1 год	1	1	3
33	Петросорб	144	16 560	5 мин	0: +100	4	1	1	1 год	1	1	3
34	Праймсорб	30	24 800	5 мин	0: +35	4	1	1	2 года	1	1	3
35	Релэнд	500	49 400	30 мин	+5: +35	4	2	2	1 год	1	4	2
36	Сорбенты природные	250	75 000	30 мин	+4: +35	4	1	1	2 года	1	1	3
37	Spill Sorb	1000	250 000	30 мин	+4: +35	4	1	1	3 года	1	1	3
38	СТРГ	26	10 864	5 мин	-25: +300	4	1	1	1 год	1	1	3
39	С-Верад	200	11 000	30 мин	-15: +50	4	1	1	1 год	1	1	3
40	Сорбойл	500	75 200	30 мин	-4: +35	4	1	1	2 года	2	2	3
41	Сорбонафт	320	31 200	5 мин	+4: +40	4	1	1	2 года	1	1	3
42	СНП-1	200	140 000	5 мин	0: +40	4	1	1	2 года	1	1	3
43	СДА-Ф	1000	87 500	30 мин	0: +100	3	1	1	3 года	2	1	3
44	SNAG-SORB	170	25 500	50 мин	+5: +35	4	1	1	2 года	1	1	3
45	Сибсорбент	250	16 500	30 мин	+5: +40	4	1	1	2 года	1	1	3
46	SORBIX	500	30 000	30 мин	+5: +40	4	1	1	2 года	1	1	3
48	Сорбент универсальный	415	54 780	50 мин	-5: +50	3	1	1	2 года	1	1	3
49	Суперсорбент	25	12 500	5 мин	-5: +40	4	1	1	10 лет	3	3	1
50	Техноклин	112	10 200	30 мин	0: +100	4	1	1	1 год	1	1	3
51	Турбополимер	25	10 000	5 мин	+5: +30	4	1	1	2 года	1	2	3
52	Турбосорб	280	55 440	5 мин	0: +40	4	1	1	2 года	1	1	3
53	ТРГ	26	8 250	5 мин	-25: +300	4	1	1	1 год	1	1	3
54	Унисорб	200	22 000	30 мин	-25: +460	4	1	1	2 года	1	1	3
55	УСВР	25	11 550	5 мин	-15: +100	4	1	1	1 год	1	1	3
56	Униполимер СТРГ	213	10 440	10 мин	-15: +50	4	1	1	3–6 мес.	3	3	1
57	Униполимер-М	230	7 590	10 мин	-15: +50	4	1	1	3–6 мес.	3	3	1
58	Униполимер-Био	210	18 900	20 мин	+5: +50	4	1	1	3–6 мес.	3	3	1
59	Уреникс-013	40	34 320	5 мин	-5: +40	4	1	1	10 лет	3	3	1
60	Фибройл	125	106 250	10 мин	-30: +100	5	1	2	3 года	2	3	1
61	Цитосол	459	48 300	30 мин	+40: +50	4	1	1	1 год	1	1	3
62	ЭКОДОК	334	83 500	30 мин	0: +100	4	1	1	1 год	1	1	3
63	ЭКОЛАН	300	120 000	30 мин	+5: +40	4	2	2	1 год	1	4	2
64	ЭКО БМ-700	150	39 600	20 мин	0: +40	3	1	1	2 года	1	1	3
65	Эконадин	1200	420 000	50 мин	+5: +35	4	2	2	1 год	1	4	2
66	Экосорб	55	28 133	4 мин	-70: +160	5	1	1	3 года	3	3	1
67	Экосорбент	250	28 050	30 мин	+5: +40	4	1	1	2 года	1	1	3

Наиболее эффективные сорбенты выделены желтым цветом, лидер и самый лучший с нашей точки зрения сорбент, по совокупности характеристик выделен зеленым цветом.

Не смотря на все это разнообразие, применение сорбентов при разливах нефти на земной поверхности можно свести к трем способам, влекущим за собой и требования к применяемому материалу.

Первое это внесение в нефтяные лужи сыпучего сорбента, неизвлекаемого, обычно очень дешевого. Чаще всего это торф, продукты растительного происхождения (например лузга или шелуха). Декларируемая сорбционная ёмкость нефтесорбентов первой группы колеблется от 5 до 12 г нефти на 1 г сорбента (5–12 г/г). Объемный вес (плотность) — около 100 кг/м³ [3]. Часто подобный сорбент вносится в грунт вместе с минеральными удобрениями и культурами нефтепоглощающих биопрепаратов на этапе глубокой рекультивации территории. Главным недостатком сорбента можно считать его неизвлекаемость. Предпринимаются попытки создать передвижные установки для сбора сыпучих сорбентов с грунта. Но пока нельзя говорить о выходе их из стадии исследовательского прототипа. Чаще всего, после связывания нефтепродуктов таким образом, грунт попросту срезается и вывозится либо на захоронение, либо на переработку с помощью внесения биопрепаратов, удобрений, аэрации и подогрева. Впоследствии такой грунт может быть возвращен на место выемки.

Второй способ — это применение сорбционных салфеток или щеток. Вручную, либо механическим способом, нефтяные лужи вычерпываются. Способ требует применения органополимерных нетканых материалов с высокой степенью регенерации, чаще всего отжимом на валках или в центрифугах. В условиях Сибири подобный отжим зачастую требует дополнительных затрат энергии на пропарку материала [4]. Декларируемая сорбционная ёмкость нефтесорбентов данной группы колеблется от 5 до 34 г нефти на 1 г сорбента (5–34 г/г). Объемный вес (плотность) — около 100–300 кг/м³.

И третьим способом является огораживание растекающихся луж нефтепродукта с помощью сорбирующих бонов наземного или универсального исполнения. Такие боны могут выполняться как из органополимерных материалов (сплошной экструдированный бон, либо лавсановая сетка, набитая хлопьями сорбента), так и из кремнийорганических частиц. Например, силикатов или цеолитов, упакованных в сетку или нефтепропускающее полотно. В данном случае, при наземном использовании, преимущество имеет применение цеолитов или силикатов. Во-первых, при экстренном огораживании, боны на основе органополимерных вспененных волокон не имеют преимуществ в виде возможности отжима, так как на него просто не остается времени. Как и цеолиты, они подвержены эффекту пробки, когда забитый нефтепродуктами внешний слой бона не дает впитывать нефтепродукты свежим внутренним слоям. Но самым главным преимуществом является возможность их утилизации, например после выжигания сорбент может быть добавлен в бетонный раствор или строительный блок [5], либо использован как удобрение [6]. Органополимерные сорбенты на основе вспененных волокон могут быть только сожжены, и при этом выделяются ядовитые вещества. Так же на стороне силикатов и цеолитов и более выгодная цена. Декларируемая сорбционная ёмкость минеральных нефтесорбентов колеблется от 40 до 80 г нефти на 1 г сорбента (40–80 г/г). Объемный вес (плотность) — около 100–500 кг/м³.

Для органополимерных и минеральных сорбентов существенным фактором так же является гидрофобность, практически недостижимая для растительных сорбентов. Существующие проекты перевозки сорбционных матов на нефтеналивном подвижном составе, нагружают подвижной состав почти тонной лишнего веса в виде гермоконтейнера для сорбирующего бона на основе органического сорбента. В таком случае кажущаяся выгода от дешевизны сорбционного материала нивелируется издержками на повышение веса грузового состава, перерасхода тяговой энергии и металла. Но если вместо органического сорбента использовать гидрофобный сорбент на основе органических полимеров или минеральных частиц, закрыв его тонкой жестяной упаковкой, по типу цинков с патронами или банок с ветчиной, то оперируя теми же закупочными средствами можно оснастить парк нефтеналивных железнодорожных цистерн. Чем увеличить время реагирования на аварии, особенно рядом с водными объектами.

В случае применения сорбентов для очистки акватории, в качестве сорбента используют остаточный бурый уголь и алюмосиликатные микросферы, получающиеся при сжигании органического топлива на тепловых станциях и концентрирующиеся в золошлаковых отходах, как например, пруды-отстойники Ново-Иркутской ТЭЦ, где объем алюмосиликатной микрогранулы в отдельные моменты покрывает до 60 % зеркала вод, а высушенная и сложенная в отвалы микрогранула по визуальной оценке может быть отгружена до пяти — семи вагонами насыпного груза.

На поверхность воды, содержащей нефтяную пленку толщиной 0,45–1,30 мм, равномерно наносят порошкообразный сорбент, в качестве которого используют высушенный в определенном режиме — остаточный бурый уголь после экстракции аммиаком из него гуматов аммония, или смесь — остаточный бурый уголь и алюмосиликатные микросферы в соотношении 1:0,84–1,12 [3].

Алюмосиликатные микросферы — мелкодисперсные сферические частицы, оболочка которых состоит из оксидов кремния, железа, заполненных инертным газом, главным образом азотом. Толщина оболочек 2–30 мкм, диаметр 50–130 мкм. Насыпная плотность — 390 кг/м3; истинная плотность (оболочек) — 2,27 кг/м3; коэффициент теплопроводности 0,100–0,105 Вт/м3; удельное сопротивление 1012–1013 Ом; диэлектрическая проницаемость 2,2–2,26 [3].

Методика счистки проста: на водную поверхность, покрытую нефтяной пленкой толщиной 0.45 мм, распыляют остаточный бурый уголь. Распыленный порошок за 5–10 секунд впитывает нефть, практически не впитывая влаги, и в виде окомкованной массы — агломератов, общая площадь поверхности которых составляет примерно 15–20 % от исходной поверхности, погружается в воду, оседает на дно.

Сорбированная таким способом нефть удерживается в виде агломерата на дне сосуда. Очищенную от нефтяной пленки воду декантируют. Остаточная концентрации нефтепродуктов составляет 12 мг/л. Установленная норма ПДК нефтепродуктов 0,1мг/л — IV класс опасности. Удельная сорбция сорбента данного типа (остаточный бурый уголь) составляет 1,10 кг нефти/1 кг сорбента.

При применении модифицированного сорбента — смеси остаточный бурый уголь и алюмосиликатные микросферы получают агломераты, не тонущие в воде, которые легко собираются с поверхности воды. Удельный расход сорбента при использовании смеси остаточный бурый уголь и алюмосиликатные микросферы в пределах 1:0,84–1,12 обеспечивает удельную сорбционную емкость 0,98–1,30 кг нефти/кг сорбента, что на 2,68–3,92 % выше, чем у известного.

Оптимальное соотношение остаточного бурого угля и алюмосиликатной микросферы в пределах 1:0,84–1,12 обеспечивает удельную сорбционную способность нефти равную 0,98–1,30 кг/кг остаточный бурый уголь. При этом происходит агломерация нефти, сокращение площади нефтяного пятна на 90,0–95,0 %. Агломерат собирают с поверхности акватории, что обеспечивает последующую утилизацию нефти.

Так как для нас особенно опасна возможность погружения агломерата на дно и образование там нефтяной линзы, на длительное время отравляющей акваторию водоема первой категории, необходимо рассматривать только модифицированную версию минеральных сорбентов, сохраняющую плавучесть до 32 часов [3].

Еще нужно обратить внимание на то, что река Кунерма — быстротечная река с каменистым дном, часто текущая в скальных отрогах. Так же ее берега, либо отлогие и покрытые песком, где нефтяное загрязнение может буквально просочиться внутрь песчаных отложений, либо крутые, и покрытые растительностью, которую необходимо защитить от нефтепродуктов. Применение сорбентов в береговой зоне становится в нашей модели аварии самым сложным этапом, связанным с сорбцией нефтепродукта.

Сорбенты могут исполнять несколько важных функций во время мероприятий прибрежной и береговой очистки. Однако применения большого количества сорбентов следует, по возможности, избегать для уменьшения вторичных проблем, связанных с утилизацией отходов. Таким образом, крупномасштабное использование сорбентов на береговых линиях должно ограничиваться теми ситуациями, при которых другие методы очистки могут быть неэффективны или невозможны. Например, нефтепродукты на твердых песчаных пляжах обычно могут собираться без чрезмерного применения сорбентов рабочими с помощью лопат или путем рытья траншей. С другой стороны, в обстоятельствах, когда нефтепродукты удерживаются у береговой линии, доступной только пешком, и где невозможно применить скиммеры и насосы, трудно собрать жидкие, не эмульгированные нефтепродукты без помощи сорбентов.

Тем не менее, и в этом случае остается много сложностей, связанных с доступностью, транспортировкой и хранением сорбентов как до их использования, так и после. Заякоренный вблизи берега сорбирующий бон может эффективно использоваться для улавливания стоков от береговых операций промывки, например, от промывки под высоким давлением скальных пород или от промывки приливной зоны для сбора всплывающих или перемещающихся повторно нефтепродуктов. Таким же образом, этот метод может использоваться для сбора нефтепродуктов, высвобождающихся из объема селевого потока, с которым по условиям вводимой аварии они перемешаны, и из каменистого русла реки Кунерма. К сожалению, у этого метода есть свои минусы, так как сорбирующие боны склонны к эффекту нефтяной пробки, а при слишком длительном нахождении на воде

Применение сорбентов в сочетании с методами промывки береговой линии на завершающей стадии операции очистки предпочтительнее, чем использование сорбента непосредственно для вытирания скальных пород, поскольку после вытирания образуется много загрязненного сорбента, требующего утилизации. Тем не менее, сорбенты могут быть полезны для удаления небольшого количества остаточной нефти, которую по-другому было бы трудно удалить. В частности, загрязненные лужи между скальными породами идут первыми на очистку сорбентами, органополимерными салфетками, которые способны удалять как вязкие, так и выветрелые нефтепродукты. Крупномасштабное использование рассыпных сорбентов в прибрежной зоне или на берегу обычно не практикуется, главным образом из-за трудности контроля за нанесенным материалом и его последующей уборки. Береговую линию разумнее всего выстилать матами из органополимерных нетканых материалов. Предотвращая таким образом впитывание нефтепродуктов в песчаные или илистые плесы реки.

Единственным существенным недостатком данных сорбентов является необходимость их сжигания с выбросом в атмосферу вредных и ядовитых веществ, либо захоронения. Несомненным плюсом же является возможность многократного, до пятнадцати циклов, отжима материала специальными передвижными валками или центрифугами.

Но возможность регулярного отжима подобных матов так же может быть поставлена под сомнение, ввиду извилистости русла Кунермы, и большой протяженности береговой линии, требующей защиты. Так же сорбирующие маты и боны недостаточно эффективны против высокоэмульгированных нефтепродуктов, не важно, двигающихся по течению цельным пластом или отдельными кусками.

Заключение

Сделан сравнительный анализ, и подобран подходящий сорбент для локализации нефтяного загрязнения на акватории реки Кунерма, а также на месте пожара пролива. Рассмотрены варианты внесения сорбентов в грунт с последующим перемешиванием с грунтом и рекультивацией, а также варианты промакивания и отжима. Так же рассмотрен вариант использования на суше минерального сорбента, с возможностью дальнейшего выжигания и добавления отработанного сорбента в строительные смеси и строительные материалы. Рассмотрено применение сорбентов на водной поверхности акватории реки, как для связывания маслянных пленок, так и для защиты береговой линии.

Литература:

1. Майоренко, Д. И. Расчет тушения и локализации пожара аварийного разлива нефтепродуктов на перегоне Дельбечинда-Дабан Восточно-Сибирской железной дороги [Электронный ресурс] / Д. И. Майоренко, В. Я. Гудыма, Е. А. Руш // Молодая наука Сибири. — 2018. — Т. 1. — Режим доступа: http://mnv.irgups.ru/sites/default/files/articles_pdf_files/mayorenko_gudyma_rush_statya_sentyabr2018_1.pdf. — (Дата обращения: 15.02.2019).
2. Рынок сорбентов и фильтров в России. Анализ цен и характеристик по состоянию на 2010 год / Marketing Research Agency: HCMG IEW& EPA INC. — USA, New York, 2010. — 20 с.
3. Караев, С. Экологические проблемы транспортировки нефти и нефтепродуктов и новые методы очистки водной поверхности от нефти и нефтепродуктов / С. Караев, К. Шыхалиев // Sonderdruck aus Hannoversches Jahrbuch. Serie: Ökologie. — 2014. — Band 4. — 46 с.
4. Фонарева, К. А. Сорбция нефтепродуктов полиэтилентерефталатным волокном и его регенерация центробежным способом: дис. … канд. техн. наук: 05.17.08 / Фонарева Ксения Александровна; ФГБОУ ВО Ижевский гос. техн. ун-т им. М. Т. Калашникова. — Ижевск: Изд-во ИжГТУ, 2017. — 158 с.
5. Investigations of utilization of waste zeolite sorbents in building materials / Obuzdina M. V., Rush E. A. // Proceedings of the fourth international symposium on innovation & sustainability of modern railway (ISMR’2014). — Irkutsk: Publishing by Irkutsk State Transport University. — P. 6–14.
6. Коновалова, Е. В. Влияние цеолитов и фитомелиоранта на агроэкологические показатели нефтезагрязненных почв в криоаридных условиях Забайкалья: дис. … канд. с.-х. наук: 06.01.03 / Коновалова Елена Викторовна; Бурят. гос. с.-х. акад. им. В. Р. Филиппова. — Улан-Удэ, 2009. — 149 с.