Загрязнения окружающей среды при разливах нефти и нефтепродуктов наносят огромный ущерб экосистемам. Каждый год в мире разливаются миллионы тонн углеводородов в результате повреждения нефтепроводов, аварий и ошибок при морской транспортировке, прочих техногенных аварий. Собрать разлитое — всегда сложная задача со многими неизвестными. В частности, разлив на воде, на льду или на грунте требуют разных подходов и технологий; кроме того, выбор технологий зависит от того, что именно попало в окружающую среду — сырая нефть, керосин, дизельное топливо, мазут или другой продукт.
Один из наиболее эффективных способов очистки природной среды от последствий разлива — это применение сорбентов. Сегодня в мире для борьбы с нефтяными разливами применяют порядка двухсот видов сорбентов: неорганических, органических, органоминеральных, синтетических и даже сверхсовременных биомиметических. Мы попробовали собрать в одном материале все варианты таких сорбентов, и рассказать об их плюсах и минусах.
Самый простой, хотя и не самый эффективный способ сбора нефти и нефтепродуктов с грунта — засыпать почву дешёвым неорганическим сорбентом. К таким относятся глины, цеолиты, диатомиты, песок и пр. Но нефтеёмкость у них низкая (70-150%), а лёгкие нефтяные фракции, такие, как бензины, керосины и дизельное топливо, они вообще не впитывают. На воде их применение невозможно, поскольку они тонут вместе с нефтепродуктами. К тому же, их потом сложно утилизировать. Однако, к сожалению, по большей части при разливах (особенно небольших) на грунте и на льду применяют до сих пор именно этот вариант.
Органические и органоминеральные сорбенты считаются более перспективными при ликвидации нефтепродуктовых загрязнений. Органическое сырьё, которое используют в качестве сорбента, хорошо впитывает загрязнения, лёгкое (не тонет в воде) и гидрофобное (отталкивает влагу, не пропитываясь ей), а после использования его можно просто сжечь. В эту категорию можно отнести такие варианты, как древесная щепа или опилки; модифицированные торфы; отходы сельскохозяйственных культур; шерсть и даже... макулатура!
С начала XX века для сбора нефти используют натуральную шерсть. У неё большая нефтеёмкость: всего один кг шерстного сорбента способен впитать до 8-10 кг нефти. Кроме того, природная упругость дает возможность отжимать из шерсти большую часть легких нефтепродуктов и использовать её несколько раз. Но натуральная шерсть сейчас очень дорогой продукт. А представьте, какое её количество потребуется, чтобы собрать несколько тысяч тонн нефти или мазута! Так что сейчас эта технология считается устаревшей.
А вот другое «околотекстильное» сырьё очень даже перспективно. Это костра (жёсткая часть стебля льна), которая остаётся после производства льняного волокна. Она достаточно эффективно впитывает любые нефтепродукты, а достаётся совершенно бесплатно — ведь это отходы производства. В год на территории нашей страны получают около двухсот тысяч тонн костры.
Хорошо и быстро впитывают нефтепродукты и сырую нефть опилки, но у них есть большой недостаток: влагу они впитывают еще лучше. Поэтому для использования опилок в качестве сорбента их нужно сначала тщательно просушить, а затем пропитать водоотталкивающим средством. Правда, храниться такой сорбент долго не сможет: гидрофобные свойства пропитки недолговечны, и вскоре опилки снова наберут влагу. Торф по нефтеёмкости даже лучше опилок, но с ним та же проблема: способен впитывать воду даже из атмосферного воздуха, что портит его свойства как сорбента. Из-за дешевизны сырья торф и опилки часто используют в качестве сорбентов при разливе, но эффективность их не особенно высока.
Однако будущее, конечно, за высокими технологиями. Уже несколько десятилетий в развитых странах ученые экспериментируют с синтетическими сорбентами. Для этого используют разные виды полимеров, которые формуют в нетканое полотно, губчатые толстые «маты», или же делают из них пористые гранулы. Современные синтетические сорбенты обладают массой преимуществ: они экологически чистые, очень нефтеёмкие, могут улавливать даже малые концентрации нефти и нефтепродуктов, а кроме того, их можно отмыть от загрязнений обычной водой и использовать многократно. Пожалуй, единственный недостаток этой категории сорбентов — высокая цена: это вам не почти бесплатные опилки рассыпать!
В 2019-2020 годах китайские ученые опубликовали научных изданиях описание своей новейшей разработки: биомиметической пены-сорбента для ликвидации нефтеразливов. Сделана эта пена из полипропилена, а её структура «подсмотрена» у природы (потому и называется биомиметической). Пена имеет неровную поверхность, а внутри у неё трубчатая структура с полостями, напоминающая пчелиные соты. Она чрезвычайно лёгкая и, благодаря специально разработанной технологии, обладает «настраиваемым» размером сот от предельно низкого (~ 0,4 мм) до очень высокого (~ 20,0 мм), что позволяет адаптировать её под разные типы загрязнений. Пена не просто впитывает водно-нефтяную смесь, а фильтрует её: чистая вода без затруднений проходит ячейки «сот», загрязнения же задерживаются внутри. Китайцы также утверждают, что новая пена не так дорога в изготовлении, как другие популярные синтетические сорбенты.
Нефтехимик из Саратовского национального исследовательского государственного университета имени Н. Г. Чернышевского Елена Свешникова предложила объединить свойства органических и синтетических сорбентов. Под её руководством были проведены исследования, которые позволили создать новейший целлюлозосодержащий нефтесорбент на основе оболочки гречихи и оболочки проса, модифицированных специальными структурирующими полимерами, с последующей термообработкой. У полученного сорбента, как и у разработки китайских учёных, можно регулировать пористость, что позволит адаптировать его под разные типы нефтепродуктов. Обработанная полимерами и нагретая до 350-450°С оболочка гречихи или проса впитывает нефть или нефтепродукты в 5-6 раз больше собственного веса и имеет отличный запас плавучести (до 20 дней), что очень важно, если на поверхность воды вылился большой объём нефтепродуктов и собрать их сразу невозможно (как это произошло, например, недавно в Норильске).
«Для очистки воды от нефтеразливов могут применяться различные природные углеродсодержащие сорбенты, среди которых и шелуха сельхозкультур. Не составляют исключение оболочки проса и гречихи. Их важные полезные свойства — низкая себестоимость и возобновляемость. Применение таких материалов очень экологично ввиду естественности происхождения, а также легкости утилизации после насыщения их нефтепродуктами в качестве, например, топливных брикетов. Однако наряду с преимуществами эти материалы имеют и ряд недостатков. Модифицировав природное сырьё полимерами, мы от этих недостатков избавляемся», — подчеркивает Свешникова.
А вот группа учёных Самарского государственного технического университета во главе с доктором технических наук, профессором, начальником отдела инженерной экологии и экологического мониторинга Самарского научного центра РАН Андреем Васильевым и кандидатом биологических наук Владой Заболотских, недавно обнародовала результаты экспериментов по созданию нефтесорбентов из вторичных полимеров. Оказалось, что выдающимися сорбционными свойствами обладают резиновая крошка мелкой фракции и композит, полученный из переработанных пластиковых бутылок и той же резиновой крошки. Из этих материалов предлагается производить порошковый сорбент и сорбционные маты для сбора нефти и нефтепродуктов с поверхности водных объектов. Представьте себе: вы просто сдали на переработку шины и бутылки от напитков, а ваше вторсырьё спасло от разлива нефти арктическую тундру или какую-то другую экосистему!
Порошковый сорбент самарские учёные изготовили из отходов пенополистирола с добавлением «вспученного» перлита (натуральный минерал). Он впитывает нефть или нефтепродукты в 5-6 раз больше собственного веса буквально за доли секунды и очищает воду на 99,6-99,8%. А сорбент состава «полимерное волокно + резиновая крошка мелкой фракции» поглощает около 95% нефти и отлично плавает на поверхности воды. И, что важно, с течением времени нефть продолжает удерживаться сорбентом, нет вторичного загрязнения воды.
Необычный способ очистки акваторий от разливов нефти и нефтепродуктов разработала группа ученых из Мурманского морского биологического института. В 2019 году они нашли способ просто «съесть» разлитые углеводородные загрязнения. Лакомиться нефтью предлагается особой группе бурых водорослей.
Исследователи давно экспериментируют с различными микроорганизмами-биодеструкторами, которые могут включать в свои метаболические процессы разные классы углеводородов — проще говоря, «съедать» их. Но результаты, полученные в Мурманске, выделяются высокой продуктивностью. 1 га водорослей может за 15 дней ликвидировать до 100 кг нефтепродуктов. В экспериментах использовались фукусовые водоросли, предварительно обогащенные смесью бактерий, ускоряющих биореакции. Они перерабатывают пятна нефти без остатка и, что важно, являются «коренными жителями» российских северных морей. Это значит, что при ликвидации разливов в арктической зоне водоросли можно спокойно оставить в воде — они не нанесут вреда морским экосистемам. Ученые планируют развивать технологию и в дальнейшем продвигать её для массового применения в местах нефтеразливов.
Микроорганизмы, «поедающие» нефть, использовали и исследователи из СибГУ им. М.Ф. Решетнева (г.Красноярск). В отличие от решения с водорослями, учёные изобрели решение, позволяющее собирать нефть и нефтепродукты с грунта. Это наиболее свежая разработка 2020 года, которую обнародовали сразу после экологической катастрофы в Норильске. Нефтеокисляющие микроорганизмы «посажены» на пористый материал, состоящий из органического вещества и полимера, с высокой нефтеёмкостью. Нефтепродукты связываются сорбентом, а затем микроорганизмы начинают активно размножаться, используя в качестве питательных веществ сами нефтепродукты и органическое вещество сорбента. Плюс такого решения в том, что биосорбент не требует сбора и утилизации, а разлагается, точнее, «съедается» вместе с нефтью. Биосорбент безвреден для окружающей среды, и даже помогает растениям лучше расти: исключительно полезное свойство!
Влада Заболотских, которая также участвовала в разработке биосорбентов на основе микроорганизмов, подчёркивает: «Микроорганизмы-биодеструкторы позволяют утилизировать нефтяные загрязнения на месте, превращая их в простые нетоксичные компоненты. Но обычное применение таких биопрепаратов методом распыливания малоэффективно. Помещённые на сорбентах, эти препараты гораздо эффективнее: микроорганизмы, разрушающие нефть, прекрасно размножаются в порах сорбента, используя нефтепродукты в качестве источника питания. Кроме того, важно, что в качестве сорбентов мы применяем варианты, которые вторично не загрязняют водоёмы».
По словам Заболотских: «Сейчас российские учёные разработали целый ряд эффективных сорбентов и биосорбционных комплексов, которые позволяют достичь ощутимого результата очистки водоёмов и грунтов и снижения токсичного воздействия загрязнений на экосистемы в короткие сроки. Быстрое снятие плёнки — это главное условие успешной экореабилитации загрязнённых водоёмов и грунтов. И мы можем это обеспечить.
Но очень важно, чтобы эти разработки находили реальное применение. Нужны заинтересованные лица, те, кто готов организовать промышленное производство таких инновационных сорбентов. Одно могу сказать точно, что производство не требует больших затрат, оборудование несложное и технологии достаточно просты. А области применения, например, биосорбционных комплексов чрезвычайно широки — от очистки воды, почв, воздуха до обезвреживания отходов 1-3 классов опасности».
Фото (c) Pixabay
