С оптимальным соотношением стоимости и качества
Версойл – вермикулитовый сорбент нефти – производится на основе вермикулита – природного минерала, образующегося в результате выветривания магнезиально-железистых слюд. Минерал относится к классу слоистых силикатов, его состав – Mgx(Mg,Fe)3-x[AlSi3O10]*(OH)2*4H2O.
Отсутствие ресурсных ограничений по сырью (разрабатываемое месторождение вермикулита на Кольском полуострове – одно из крупнейших в мире, его балансовые запасы составляют 21 млн.т), невысокая стоимость исходного сырья (3.5 тыс. руб за 1т), экологическая безопасность получаемого сорбента (санитарно-эпидемиологическое заключение №77.99.515.Д 001211.03.01 от 11.03.2001 г. – Государственной санитарно-эпидемиологической службы Российской Федерации) и его хорошие технико-эксплуатационные характеристики определяют широкую область использования сорбента (рис.1).
Рис.1.
Модификацией природного вермикулита обеспечивается создание углеродсодержащего слоя на поверхности минеральной матрицы, что позволяет отнести Версойл к классу угольно-минеральных сорбентов, обладающих отчетливо выраженными гидрофобными свойствами. Гидрофобный характер поверхности Версойла обуславливает его способность адсорбировать значительное количество нефтепродуктов.
Наличие в структуре минеральной матрицы относительно слабо связанных с кристаллической решеткой катионов Mg2+ обуславливает способность Версойла к катионному обмену. Диссоциация по основному типу группировок Al-OH и Mg-OH, образующихся в процессе разрушении алюмосиликатных пакетов при модификации, приводит к проявлению анионообменной активности сорбента.
Таким образом, сорбент Версойл, сохраняя основные характеристики неорганической матрицы – способность к ионному обмену, прочность, термическую и химическую устойчивость, приобретает свойства, присущие активированным углям – обладает значительной сорбционной емкостью по отношению к органическим соединениям, в частности, нефтеемкость Версойла составляет 6-12 г/г сорбента в зависимости от вязкости нефтепродукта.
Рис.2.
Модификация вермикулита приводит к значительному увеличению удельного объема пор (от 0,8 см3/г у природного вермикулита до 4,3 см3/г у Версойла) и суммарной удельной поверхности (от 78 м2/г у природного вермикулита до 378 м2/г у Версойла), что связано с возрастанием объема макропор.
Возрастание доли макропор приводит к повышению доступности микропористых участков и увеличению удельной поверхности Версойла [1].
Вид поверхности пор сорбента с углеродным слоем, полученный методом атомно-силовой микроскопии, представлен на рис.3.
Рис.3.
Вид поверхности пор термообработанного вермикулита (1) и сорбента Версойл (2) создания гидрофобного слоя. Изображения получены методом атомно-силовой микроскопии, размер сканов 6х6 микрон.
В отличие от покрытой углеродным слоем поверхности макропор, для поверхности микропор характерен гидрофильный характер смачивания поверхности (краевой угол смачивания водой ~0°), что свидетельствует о сохранении Версойлом ионообменных свойств, присущих минеральной матрице. Как показали исследования, величина полной обменной емкости Версойла составляет 1.9 мг-экв/г или 85% ионообменной активности исходного вермикулита [3].
Таким образом, наличие пор различного размера, различного характера смачиваемости поверхности пор определяют полифункциональность модифицированного сорбента, его способность к поглощению органических веществ и ионному обмену [2].
Одной из важных эксплуатационных характеристик сорбента является прочность.
Для оценки диапазона допустимых механических воздействий определялись прочностные параметры Версойла в сухом виде и в водной фазе. Также были изучены закономерности изменения сорбционного объема частиц в зависимости от приложенного давления. Высокие (>90%) значения механической прочности, низкая истираемость сорбента, неизменность сорбционного объема в диапазоне давлений 0-300 г/см2, свидетельствуют о сохранении пористой структуры Версойла в процессе его эксплуатации [3].
Таким образом, к преимуществам Версойла, обуславливающим широкую область его применения, следует отнести:
– хорошие технико-эксплуатационные характеристики – значительную нефтеемкость (6-12), низкое водопоглощение (6-10%), плавучесть (≈100%), высокую механическую прочность (>90%), способность локализации нефтяного пятна без боновых ограждений, простоту нанесения и сбора сорбента;
– возможность многократного использования сорбента в результате регенерации термообработкой;
– отсутствие ресурсных ограничений по исходному сырью и простоту технологии получения сорбента, возможность размещения предприятий по выпуску сорбента в непосредственной близости от потребителя;
– возможность нарабатывать сорбент с заданными свойствами различного фракционного состава;
– сорбционную активность Версойла как в отношении органических, так и неорганических соединений.
Кроме того, Версойл отвечает экологическим требованиям, не горит, химически инертен, биостоек, может храниться без существенного ухудшения свойств в течение длительного времени, имеет более низкую, по сравнению с синтетическими материалами, стоимость. В настоящее время сорбент Версойл производится по заказам.
Версойл эффективен для удаления разливов нефти с поверхности водоемов (очистка акваторий морских и речных портов), почвы, для ликвидации аварий подводных нефтепроводов, обеспечения техники безопасности пришельфовой добыче нефти, в очистных сооружениях для очистки технологических и сточных вод от многокомпонентных загрязнений, локализации тяжелых металлов, радионуклидов и нефтепродуктов в почвенных субстратах.
Опыт использования Версойла при ликвидации разливов нефтепродуктов на акваториях Белого и Баренцева морей подтвердил его эффективность; степень очистки составила 86-98%, потери сорбента после сбора нефтемусоросборщиками и регенерации – 3% [1].
Версойл особенно эффективен в качестве носителя нефтеокисляющей микрофлоры. Использование биоактивированного сорбента значительно ускоряет деструкцию нефти в водоемах. Внесение биосорбента уменьшает содержание нефтепродуктов во всех формах нахождения – в пленке, в воде, в донных отложениях, что соответствует современным взглядам на проблему по использованию недорогих простых методов очистки сред от нефти, активизирующих природные процессы самоочищения.
Сорбент Версойл в качестве носителя микрофлоры обеспечивает активную микробную колонизацию, быстрое образование биопленки и ее адаптацию к различным видам загрязнений и природным условиям, активизирует местную углеродокисляющую микрофлору.
Значительная удельная поверхность биопленки на сорбенте на несколько порядков снижает нагрузку по органическим веществам на единицу площади поверхности прикрепленных микроорганизмов. Это приводит к образованию специфической, качественно иной микрофлоры в составе биопленки, способной к более полному окислению загрязняющих веществ. Следствием этого является интенсификация процессов биохимического окисления углеводородов в воде и донных отложениях.
Корреляция между численностью микрофлоры и содержанием нефтепродуктов наблюдалась не только внутри годовой сезонной динамики, но и в течение пяти лет наблюдений после внесения биоактивированного сорбента как за счет прямого действия препарата Ps. Putida 36, так и в результате активизации местных штаммов нефтеокисляющих микроорганизмов [4].
Рис.4.
Многолетняя динамика содержания нефтепродуктов и численности микроорганизмов в донных отложениях буферного пруда после внесения нефтеокисляющего штамма на фоне постоянного поступления нефтепродуктов в буферный пруд очистных сооружений. Первый год – данные до внесения биосорбента
В первый год представлены данные по содержанию нефтепродуктов и численности нефтеокисляющей микрофлоры до внесения биоактивированного сорбента, во 2-5 годы – после внесения биоактивированного сорбента (рис.4).
Разработанный биотехнологический режим функционирования буферного пруда очистных сооружений Беломорского предприятия АО «Мурманскнефтепродукт» с использованием Версойла в качестве носителя нефтеокисляющей микрофлоры Ps.Putida 36 обеспечил степень очистки донных отложений 84-89%, нефтяной пленки 91-95%, воды 80-92% на фоне постоянного поступления нефтепродуктов со сточными водами. Существенно, что в результате полной адаптации внесенной в пруд нефтеокисляющей микрофлоры на сорбенте-носителе ее эффективность не снижается в зимний период (в придонном слое годовые температуры колебания составляютот +5° до +11°С). Внесение биоактивированного сорбента, полная адаптация культуры Pseudomonas putida -36, ее высокая нефтеокисляющая активность позволили справиться с аварийным поступлением в буферный пруд большого количества нефтепродуктов. Превышения предельно допустимого значения для нефтепродуктов на выходе из буферного пруда очистных сооружений в Белое море не наблюдалось [1].
Адаптация нефтеокисляющей микрофлоры, внесенной в водоем на Версойле, и ее активность в закрепленном состоянии в условиях Заполярья в течение всего года позволяет рекомендовать биоактивированный сорбент Версойл для удаления нефтяных разливов при добыче нефти на шельфе Северных морей.
Таким образом, с помощью сорбента на основе природного вермикулита можно не только практически полностью удалять нефть с поверхности воды или почвы, но и очищать от нефти донные отложения водоемов. Кроме того, его можно использовать для очистки промышленных и бытовых сточных вод.
Разработанная в Горном институте Кольского научного центра РАН технология получения сорбента на основе вермикулита Ковдорского месторождения и методы его использования для снижения нефтяных загрязнений природной среды отмечены 3 золотыми и 4 серебряными медалями на международных конкурсах и салонах.
Месяц С.П., Горный институт Кольского научного центра РАН
ЛИТЕРАТУРА
1. Месяц С.П., Кириллова Л.А., Едигарева Л.Н. Технология очистки водоемов от нефтяного загрязнения с использованием биоактивированного Версойла // Проблемы разработки месторождений полезных ископаемых и освоения подземного пространства Северо-Запада России. Материалы Международной научной конференции, посв. 275-летию образования РАН, 23-25 марта 1999г., Апатиты.Ч.3. – Апатиты: Изд.КНЦРАН, 2001. – С.155-162.
2. Мельников Н.Н., Месяц С.П., Остапенко С.П. и др. Исследование и разработка эффективных методов снижения техногенных загрязнений природной среды // Научные основы повышения технического уровня комплексного освоения минеральных ресурсов и подземного пространства северо-запада России.- Апатиты, КНЦРАН, 1997, с. 156-161
3. Месяц С.П., Остапенко С.П. Изучение и оптимизация физико-химических свойств модифицированных вермикулитовых сорбентов для многокомпонентной очистки технологических и сточных вод.// Проблемы освоения минерально-сырьевых ресурсов Кольского региона и использование подземного пространства для захоронения отходов.-Апатиты, КНЦРАН, 1999, с.100-106.
4. Месяц С.П. Методические указания по использованию биоактивированного сорбента с целью уменьшения нефтяных загрязнений водоемов. РАН, Кольский научный центр, Горный инст., Апатиты 1993г., 46с.
5. Месяц С.П., Скороходов В.Ф., Остапенко С.П. Высокоэффективная технология очистки природных и сточных вод. Тезисы докладов 5-го Международного конгресса "Вода: экология и технология" ЭКВАТЭК-2002, 4-7 июня 2002 г., г. Москва. Раздел 3. – С.397.