CC BY
123
Таканаева О.А. ©
Соискатель, кафедра гидробиологии и общей экологии, Астраханский государственный технический университет
ОЧИСТКА ПОВЕРХНОСТЕЙ ВОДОЁМОВ ОТ НЕФТЯНОЙ ПЛЕНКИ С ПОМОЩЬЮ
ЛАЗЕРНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ
Аннотация
Статья посвящена уничтожению нефтяных загрязнений с поверхностей водоемов с помощью лазерного излучения с длиной волны 10,6 мкм. Только применение лазера позволяет провести полную очистку поверхности воды от тонких «радужных» пленок, что недостижимо другими известными способами.
Ключевые слова: вода, нефтяные загрязнения, лазерное излучение Keywords: water, oil pollution, laser radiation
К числу наиболее вредных химических загрязнений морской среды относятся нефть и нефтепродукты. Ежегодно в океан попадают более 6 млн тонн нефти. Причинами загрязнения морской среды являются аварии танкеров, шельфовая добыча нефти, судоходство и морская деятельность. Ежегодно при обычных морских перевозках, авариях и незаконных сбросах в океаны попадает примерно 600 000 тонн нефти [3].
В настоящее время нефть - самое распространенное вещество, загрязняющее природные воды. Объем транспортировки нефти и нефтепродуктов на танкерах оценивается в 1,5 млрд тонн в год.
Прежде чем переходить к рассмотрению существующих методов ликвидации нефтяного загрязнения необходимо остановиться на процессах переноса и преобразования, попавших в водную среду нефтепродуктов. Распространение нефти и продуктов ее переработки в воде происходит, прежде всего, в поверхностном слое, скорость растекания по поверхности зависит от сорта нефти или нефтепродукта, скорости ветра, погодных условий, направления водных течений, характера береговой линии, удаленности от берега и прочих местных факторов.
Попавшая в водную среду нефть довольно быстро растекается по поверхности образуя тонкую пленку. Так, в условиях штиля при разливе одной тонны сырой нефти в течение 10 минут она растекается пятном площадью 2000 - 7000 м2 при средней толщине слоя около 100 мкм и максимальной толщине до 10 мм. Впоследствии одна тонна нефти покрывает акваторию площадью от 2,6 до 12 км2, при этом толщина нефтяной пленки не превышает 1 мм [4].
В случае аварийного разлива нефти на водной поверхности начинают проистекать процессы трансформации нефтяного загрязнения. Это: испарение и растворение в воде легких фракций, образование эмульсий, оседание тяжелых фракций на дно и биодеградация. В условиях шторма нефтяная пленка дробится на отдельные фрагменты, замедляется процесс растекания, но при этом ускоряется процесс образования устойчивых эмульсий.
На сегодняшний день существует целый ряд методов и средств ликвидации аварийных разливов нефти на поверхности воды. Однако, как правило, эффективность и целесообразность их применения сильно зависит от интервала времени, прошедшего с момента первого контакта нефти с водой. Основное требование к методу удаления нефтяной пленки с поверхности водоема - это мобильность и быстрота применения.
Существующие методы ликвидации разливов нефти на поверхности водных сред можно подразделить на механические, химические и биологические. Механические методы: локализация нефтяного пятна с помощью боновых ограждений, сбор нефти вручную, специализированные механические устройства, скиммеры. Широкое распространение находит метод использования сорбентов - легких веществ, которые, плавая на поверхности воды, впитывают в себя нефть. В качестве сорбентов используют опилки, солому, пенопласт, пластик и т.п. Сорбенты требуют сбора и дальнейшей утилизации. Механические методы, как правило, являются довольно трудоемкими [3].
Помимо механических методов борьбы с нефтяным загрязнением водной среды широко применяются также химические методы - внесение в слой нефтяной пленки химических реагентов, которые за счет химических реакций разрушают углеводороды нефти. Эффективность применения
©© Таканаева О.А., 2012 г.
химических средств оказывается недостаточно высокой из-за трудности распыления химических агентов над поверхностью нефтяных разливов в оптимальных количествах и пропорциях, образования устойчивых к химическим реакциям водонефтяных эмульсий, токсичности некоторых продуктов реакций и т.п.
Наиболее предпочтительным с экологической точки зрения является микробиологический метод уничтожения разливов нефти на водных объектах, основанный на способности некоторых видов микроорганизмов использовать углеводороды, входящие в состав нефти, в качестве питательного субстрата. На деятельности такого рода микроорганизмов основывается природный процесс самоочищения водоемов от излишков углеводородов. Однако микроорганизмы предпочитают теплую воду - не ниже 20°С. Это сильно ограничивает применимость микробиологического метода, который до сих пор широкого применения не находит и рассматривается как перспективный [1].
В качестве альтернативного метода уничтожения нефтяной пленки предлагается использование лазерного излучения с длиной волны 10,6 мкм. Такое излучение относительно слабо поглощается нефтью и нефтепродуктами и сильно поглощается водой. Характерная глубина проникновения лазерного излучения с указанной длиной волны для нефти различных сортов составляет 100 - 300 мкм, а для воды - порядка 10 мкм.
Механизм метода лазерной очистки заключается в следующем. Лазерное излучение сильнее всего поглощается тонким слоем воды, который непосредственно примыкает к нефтяной пленке, поэтому вода в этом слое быстро нагревается и переходит в состояние метастабильности. Происходит парообразующий взрыв метастабильной перегретой воды и разрывается тепловой контакт нефти и воды, который препятствует горению нефтяной пленке в обычных условиях. Нефтяная пленка подбрасывается вверх и дробиться на фрагменты. Капли нефти подбрасываются на высоту 30-40 см, смешиваются с атмосферным воздухом и образуют горячую смесь. Происходит самовоспламенение смеси, и капли нефтяного загрязнения сгорают в воздухе [2].
При ликвидации аварий, связанных в разливах нефтепродуктов, таким способом можно эффективно и быстро удалять нефтесодержащие пленки практически любого состава и толщины. Только применение лазера позволяет провести полную отчистку поверхности воды от тонких «радужных» пленок, что недостижимо другими известными способами. При использовании лазерной технологии можно проводить очистку водной поверхности со значительных расстояний, например, с берега.
Рассмотрим одномерное нестационарное уравнение теплопроводности следующего вида:
(1)
Здесь: Т(х^) - искомая температура,
а - коэффициент теплопроводности,
С и р □ [^дельная теплоемкость и плотность соответственно, а - коэффициент Бугера,
I - плотность мощности поглощенного лазерного излучения.
Выражение в левой части рассматриваемого уравнения представляет собой стандартный атрибут уравнения теплопроводности, а правая часть уравнения учитывает излучение, поглощаемое средой (нефтью или водой) по закону Бугера-Ламберта:
(2)
(3)
Будем считать, что поперечные размеры лазерного луча значительно превосходят характерные глубины проникновения лазерного излучения в жидкость.
На рис. 1 приводится типичная диаграмма метастабильного нагрева системы "нефть-вода" лазерным излучением, полученная при численном решении уравнения теплопроводности (1). Толщина нефтяной пленки - 100 мкм. Лазерное излучение на рис.1 распространяется "слева направо".
Рис. 1 Распределение температуры при различной длительности лазерного воздействия для
нефтяной пленки толщиной 100 мкм.
Из рисунка 1 видно, что максимум распределения температур находится в слое воды, который непосредственно примыкает к нефтяной пленке. Причина этого - в различии оптических свойств нефти и воды на длине волны 10,6 мкм. Этот факт лежит в основе метода лазерной очистки поверхности воды от нефтяной пленки [2].
Весьма перспективным выглядит применение новой технологии и с финансовой точки зрения. Стоимость одного судна в сутки, при ликвидации аварийных разливов нефти механическим способом составляет около 3 тыс. долларов, а эксплуатация лазерного комплекса обойдется в несколько сотен долларов за сутки. Затраты на сбор 1 тонны нефти механическим способом оцениваются в 200 - 400 долларов, а работы с использование лазерной технологии - примерно вдесятеро дешевле. По законодательству ряда стран, финансовая ответственность за тонну разлитой нефти составляет 4 - 10 тыс. долларов. Путем не сложных вычислений можно подсчитать, что эксплуатация лазерного комплекса, способного утилизировать, скажем, 20 тонн нефти в сутки при себестоимости 20 долларов за тонну, будут в десятки раз дешевле, чем выплата штрафных санкций.
Литература
1. Воробьев Ю.Л., Акимов В.А., Соколов Ю.И. Предупреждение и ликвидация аварийных разливов нефти и нефтепродуктов. - М.: Ин-октаво, 2005.
2. Журавлев П.Д. Применение газодинамического лазера для очистки водных поверхности от нефтяного загрязнения. - Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук. - М.: 2005.
3. Сайт «International Petroleum Industry Environmental Conservation Association»: http://www.ipieca.org.
4. Сайт «International Tanker Owners Pollution Federation Limited»: http://www.itopf.com.
