Метод очистки почвы от нефтяного загрязнения с помощью природных сорбентов

DOI:

Калмыкия является одним из нефтедобывающих регионов в Нижнем Поволжье. В процессе добычи, транспортировки и переработки нефти происходит загрязнение окружающей среды, особенно сильное негативное воздействие испытывает почвенный покров.

Технологические процессы добычи и производства нефтепродуктов, их хранение и транспортировка неизбежно связаны с потерями. Такие как, несовершенство систем сбора и транспорта нефти; неисправность устьев оборудования скважин и перекачивающих насосов; низкая степень герметизации сырьевых и товарных резервуаров и многих других потерь [7].

Токсическое действие углеводородов нефти отрицательно воздействует на почвенный покров, а именно, изменяет морфологию, физические и химические свойства почв [13; 20]. Богатые парафинами, смолами, асфальтенами, компоненты нефти закупоривают поры и каналы почвы, в результате создаются анаэробныe условия, что приводит к нарушению влагообмена в почве и окислительновосстановительных процессов [9; 11]. Гидрофобный подпочвенный слой из смеси сырой нефти и почвы понижает влагоемкость, но увеличивает способность к накоплению влаги в верхних слоях [12].

Нефть проникает на глубину 5–10 см, хотя иногда мощность битуминизированного слоя достигает 40–50 см. Глубина и скорость проникновения нефти зависит от физико-географической зоны [4].

В результате нефтяных загрязнений меняется строение почв. Происходит слипание мелких частиц с образованием крупных, или насыщения микрочастиц нефтью, которые становятся водоустойчивыми. Меняется характер границ между горизонтами, заметно увеличивается вязкость и плотность почвенной массы [5]. В почвах происходит подщелачивание, pH водной взвеси в верхних горизонтах почв увеличивается на 1–2 единицы. Наличие нефти и нефтепродуктов понижает самоочищающую способность почвы. Пре- кращение роста растений наблюдается при концентрации в почве 3500 мг/кг почвы [17].

При чрезвычайно сильном загрязнении основную роль в негативном влиянии играют трудноразложимые тяжелые фракции [13]. Тяжелые фракции нефти образуют механический барьер между корневой системой и окружающей средой, затрудняющий питательный и водно-воздушный режим [18].

Многие составляющие нефти могут легко усваиваться через корневую систему растений и создавать повышенные уровни их содержания в биомассе [19]. Стимулирующий рост растений часто отмечается в условиях полупустынь и пустынь на богатых битумами почвах, находящихся над районами глубинных разломов нефтеносных территорий. Длина таких растений в 2–3 раза выше, чем на незагрязненных участках, нарушаются нормальные пропорции во внешнем облике растений, возникают наплывы, наросты, утолщения, придающие отдельным экземплярам уродливый облик, наблюдается сильная по-врежденность растений вредителями [15].

Среди методов, применяемых для восстановления нефтезагрязненных и нарушенных земель, сорбционная очистка является одним из наиболее действенных. В качестве сорбентов применяют в основном пористые материалы: золу, кокс, торф, силикагели, алюмогели, активные глины, пенополимеры и различные промышленные и сельскохозяйственные отходы производства и т. д. [8].

В настоящее время существует большое количество методов, с помощью которых снижают и ликвидируют загрязнения нефтью и нефтепродуктами [8; 14; 16].

Выбор и применение какого-либо метода очиcтки должен быть сделан только после того, как будут получены результаты о качестве обрабатываемой поверхности почв [1; 2].

Объекты и методы исследования

В работе были исследованы сорбционные свойства природных сорбентов: шерсти, гумусового мелиоранта на основе торфа, а также отходов деревообрабатывающей промышленности – опилок.

Известно, что шерсть , является одним из лучших природных сорбентов: 1 кг шерсти может поглотить до 8–10 кг нефти, при этом природная упругость шерсти позволяет отжать большую часть легких фракций нефти. Однако, после нескольких таких отжимов шерсть превращается в битуминизированный войлок и становится непригодной для использования.

Опилки – это недорогой экологически чистый, удобный в использовании и утилизации природный сорбент. Сорбент из опилок обладает хорошими водоотталкивающими свойствами; высокой поглотительной способностью по отношению к нефти и нефтепродуктам; работает в широком диапазоне температур, включая и отрицательные.

Торф – многокомпонентное природное образование, имеющее в своем составе различные минеральные и органические соединения. В него входят азот, фосфор, калий, кальций и микроэлементы. Нами был взят гумусовый мелиорант «Нисаба» экологически безвредный и экономически высокоэффективный продукт, как биологический стимулятор, необходимый для роста и развития сельскохозяйственных культур, особенно на низкоплодородных почвах [6].

В качестве сорбата использовалась нефть Улан-Хольского месторождения, расположенного на юго-востоке республики Калмыкия. В качестве экспериментального материала были выбраны светло-каштановые почвы, занимающие большие площади в Республике Калмыкия. Почвы характеризуются невысоким накоплением гумуса (до 2 %), незначительной глубиной промачивания почвы влагой и интенсивным вымыванием солевых продуктов почвообразования. Почвообразующими породами служат лёссовидные отложения от легкосуглинистого до тяжелосуглинистого гранулометрического состава [3].

Для определения водопоглощения используемых сорбентов, сорбционный материал массой 3 г сплошным слоем наносился на поверхность воды. После насыщения сорбента водой с помощью сита или колонки сорбент снимался. Водопоглощение определяется от- ношением массы поглощенной водой к массе сорбента, потраченного на сорбцию:

т

В _ погл

—

m сорб

m сорб

,

где В – водопоглощение, г/г; m _погл – масса сорбента с поглощенной водой, г; m _сорб – масса сорбционного материала, г [8].

Для определения нефтеемкости сорбентов сорбционный материал массой 3 г помещался на ровную поверхность и искусственно загрязнялся нефтью до полного насыщения. После этого сорбент взвешивался, и находилась масса нефти, удерживаемой сорбционным материалом.

Сорбционная емкость рассчитывается отношением массы нефти, которую поглотил сорбент к массе самого сорбента.

Сорбционную емкость рассчитывали по формуле:

А _ m (нефти)

m

(сорбента)

где А – нефтеемкость, г/г; m _(нефти) – масса нефти, сорбированная сорбентом, г; m _{(сорбента)} – масса сорбента, г [8].

Для того, чтобы выявить долю абсолютного количества (S, %) извлекаемой нефти необходимо определить количество нефтепродуктов в почве.

Определение содержания нефтепродуктов проводили флуориметрическим методом. Нефтепродукты экстрагировали из почв органическим растворителем (гексаном). Концентрированный экстракт подвергался очистке методом колоночной хроматографии с дальнейшим количественным измерением интенсивности флуоресценции очищенного экстракта на анализаторе «ФЛЮОРАТ-02» [10].

Результаты исследования и их обсуждение

В работе были изучены следующие сорбционные свойства природных сорбентов (шерсти, торфа и опилок): сорбционная емкость (нефтеемкость), насыпная плотность, водопоглощение, возможность повторного ис- пользования сорбентов. Результаты основных свойств сорбентов приведены в таблице 1.

Исследования показали, что наименьшая насыпная плотность наблюдается у шерсти – 2,10 г/см3, насыпная плотность торфа превышает значения для шерсти почти в 25 раз.

Поглощая воду, сорбционные материалы увеличиваются в своем весе, впоследствии этого уменьшается их нефтеемкость, а значит, уменьшается эффективность использования сорбционных материалов. Наибольшее значение водопоглощения показала шерсть 5,57 (г/г), наименьшее значение – торф 1,00 (г/г).

Одним из главных показателей эффективности сорбционного материала является его сорбционная способность (нефтеемкость), зависящая от степени удельной поверхности: чем больше удельная поверхность, тем выше сорбирующая способность. Наибольшей неф-теемкостью обладает нефть 11,3 (г/г), нефте-емкость торфа в 10 раз меньше.

Для оценки возможности повторного использования, изучаемых природных сорбентов для очистки почвы от нефти были определены значения вторичной нефтеемкости сорбентов после промывки и регенерации. Результаты приведены в таблице 2.

По полученным результатам можно сказать, что при повторном использовании сорбентов нефтеемкость шерсти снизилась на 11,6 %, опилок на 30,6 %, нефтеемкость торфа практически не изменилась. Такие значения нефтеемкости после промывания и регенерации сорбционных материалов указывают на то, что возможно повторное использование шерсти и торфа для сорбции нефти.

Для исследования сорбционных свойств исследуемых сорбентов в почвах, загрязненных нефтью были проведены модельные опыты (табл. 3).

Сорбенты помещали на поверхность почвы массой 500 г, загрязненной нефтью, выдерживали некоторое время, затем удаляли сорбент и определяли количество нефтепродуктов в почве флуориметрическим методом.

Таблица 1

Основные свойства сорбционных материалов

Сорбент	Насыпная плотность, г/см3	рН	Водопогло-щение, г/г	Нефтеемкость, г/г
Шерсть	2,10 ± 0,2	10,90	5,57 ± 0,2	11,30 ± 0,2
Опилки	7,00 ± 0,2	7,40	3,03 ± 0,2	5,73 ± 0,2
Торф	49,56 ± 0,2	6,17	1,00 ± 0,2	1,18 ± 0,2

Таблица 2

Повторное использование сорбционных материалов

Сорбент	Нефтеемкость, г/г	Нефтеемкость повторная, г/г
Шерсть	11,30 ± 0,2	9,90 ± 0,2
Опилки	5,70 ± 0,2	3,90 ± 0,2
Торф	1,18 ± 0,2	1,10 ± 0,2

Таблица 3

Степень извлечения нефти при очистке природными сорбентами

Сорбент	Степень извлечения нефти (S), % через:
	1 день	3 день	7 день	14 день	21 день
Опилки	10,03 ± 3,0	21,92 ± 3,0	27,98 ± 3,0	29,13 ± 3,0	29,10 ± 3,0
Шерсть	20,21 ± 3,0	48,10 ± 3,0	57,91 ± 3,0	59,67 ± 3,0	59,67 ± 3,0
Торф	5,80 ± 3,0	9,34 ± 3,0	15,45 ± 3,0	16,06 ± 3,0	16,06 ± 3,0
Шерсть + опилки	30,25 ± 3,0	39,01 ± 3,0	64,90 ± 3,0	65,40 ± 3,0	65,40 ± 3,0
Шерсть + торф	21,67 ± 3,0	37,23 ± 3,0	39,82 ± 3,0	53,80 ± 3,0	53,80 ± 3,0
Опилки + торф	15,20 ± 3,0	30,70 ± 3,0	44,10 ± 3,0	44,90 ± 3,0	44,90 ± 3,0
Шерсть + опилки + торф	35,60 ± 3,0	55,90 ± 3,0	68,10 ± 3,0	70,30 ± 3,0	70,30 ± 3,0

Количественной характеристикой процесса концентрирования является степень извлечения элемента. Степень извлечения дает достаточно полное представление о характере процесса и является критерием при определении оптимальных условий процесса.

Степень извлечения S – величина показывающая, какая доля абсолютного количества элемента улавливается сорбентом:

СО/ (Сисх.-[ С ])-100 5,% "-----С-------• исх.

Исследования показали, что природные сорбенты наиболее полно очищают почву от нефти за 14 дней. Степень извлечения для шерсти составляет 59,67 %, для опилок – 29,13 %, а для торфа наименьшая – 16,06 %.

Сорбционная очистка нефтезагрязненных почв с применением многокомпонентных сорбентов позволяет сочетать волокнистую структуру шерсти, большую площадь поверхности опилок и пористую структуру торфа, что приводит к существенному увеличению сорбционной емкости. Степень извлечения нефти для многокомпонентного сорбента возрастает до 70,30 %.