ПРИМЕНЕНИЕ ФЕРРОМАГНИТНОЙ ЖИДКОСТИ В КАЧЕСТВЕ СОРБЕНТА В СИСТЕМЕ НЕФТЬ-ВОДА

Введение

Нефть, как один из ключевых энергетических и химических ресурсов современности, играет важную роль в экономике и промышленности. Однако её добыча и транспортировка сопряжены с серьёзными экологическими проблемами, которые затрагивают как природные экосистемы, так и здоровье человека.

Экологические проблемы нефтедобычи включают в себя расчистку территории, установку трубопроводов, загрязнение лесов, разрушение экосистем, утечки нефти, загрязнение воды и воздуха.

Согласно статистике, на территории Российской Федерации ежегодно случается более 20 000 различных аварий, связанных с добычей или транспортировкой нефтяного сырья. При этом важно учесть, что в числе фиксированных случаев находятся лишь те, в которых выливается более 8 т нефти, в то время как аварий объемом до 7 т включительно считаются внештатным инцидентом, не требующим огласки.

В 2010 году произошёл взрыв нефтяной платформы Deepwater Horizon в Мексиканском заливе на месторождении Макондо. Последовавший после аварии разлив нефти стал крупнейшим в истории США и превратил аварию в одну из крупнейших техногенных катастроф по негативному влиянию на экологическую обстановку. Через повреждения труб скважины на глубине 1500 метров в Мексиканский залив за вылилось около 5 миллионов баррелей нефти, нефтяное пятно достигло площади 75 тысяч квадратных километров, что составляет около 5 % площади Мексиканского залива.

Не так давно, в декабре 2024 года, случилась трагедия – в Чёрном море произошёл разлив мазута. К середине января мазутом были загрязнены минимум 54 километра береговой линии Краснодарского края (от посёлка Веселовка Темрюкского района до станицы Благовещенской близ Анапы) и 15 километров Крыма. Тысячи птиц, рыб и других животных потеряли свое место обитания, а многие погибли. Волонтеры и специальные службы пытаются спасти природную среду Чёрного моря, но не так просто убрать нефть. Поэтому сейчас как никогда актуально говорить о способах разделения воды и нефти.

Помимо загрязнения окружающей среды, наличие воды в нефти приводит к удорожанию её транспортировки в связи с увеличением объема транспортируемой жидкости и увеличением её вязкости в эмульсионном состоянии. Присутствие в нефти даже 0,1% воды приводит к ее интенсивному вспениванию в ректификационных колоннах нефтеперерабатывающих заводов, что нарушает технологические режимы переработки.

Следовательно, возникает необходимость поиска новых эффективных решений для разделения водонефтяной эмульсии. В этом контексте использование ферромагнитной жидкости в качестве сорбента представляет собой перспективный подход.

С помощью ферромагнитной жидкости можно попробовать решить проблемы:

• экологической безопасности;
• экономической эффективности;
• планомерного научного развития.

Цель проекта: убедиться в работоспособности ферромагнитной жидкости в качестве сорбента при разделении водонефтяной эмульсии.

Гипотеза: ферромагнитная жидкость может эффективно использоваться для разделения водонефтяной эмульсии.

Для реализации цели проекта были поставлены следующие задачи:

• изучение исследований и научных статей по данной теме;
• приготовление ферромагнитной жидкости;
• изучение свойств ферромагнитных жидкостей;
• проведение эксперимента по разделению системы нефть-вода;
• анализ и оценка полученных результатов.

Глава 1. Нефтяные загрязнения и способы борьбы с ними

1.1. Экологические проблемы, связанные с разливом нефти.

В Российской Федерации развивается промышленный сектор, что приводит к увеличению объемов транспортировки нефти и нефтепродуктов. Это, в свою очередь, повышает риски нефтяных загрязнений водоемов, возникающих в результате аварийных разливов.

Нефть - минеральное жидкое горючее вещество, используемое как сырье для получения реактивного и дизельного топлива, бензина, керосина, мазута.

При растекании по водной поверхности, нефть загрязняет большие площади водоёмов. Общеизвестно, что единица объёма нефти способна загрязнить объём воды превосходящий её в тысячу раз из-за содержания в ней поверхностно-активных веществ (ПАВ). Они способствуют образованию стабильных водонефтяных эмульсий [2].

Тонкая нефтяная плёнка препятствует воздухообмену и оказывает негативное влияние на растительный и животный мир. Растворимость нефти в воде незначительна, поэтому накопление нефтепродуктов происходит в первую очередь на поверхности и на дне водоемов. При толщине нефтяной пленки более 0.1 мм замедляются процессы проникновения атмосферного кислорода в воду и удаления из воды углекислоты. Влияние нефтепродуктов на живые организмы проявляется в нарушениях физиологической активности, болезнях, вызванных внедрением углеводородов в организм, изменениях в биологических особенностях среды обитания и т. д. Часть содержащихся в нефти фракций являются токсичными.  Необходимо отметить, что чем выше концентрация данных фракций при поглощении или растворении их в воде, тем выше их токсичность. Нефть образует токсичные эмульсии, которые вызывают удушье у живых организмов.

Нефтепродукты, попадающие в водную среду, могут разрушаться микроорганизмами, хотя данный процесс идёт достаточно медленно. Также они могут накапливаться на дне водоёмов, что приводит к вторичному загрязнению окружающей среды.

Влияние загрязнений нефтью на окружающую среду очень велико и носит комплексный характер. В связи с развитием нефтяной отрасли, можно предположить, что площадь территорий, загрязнённых нефтью и нефтепродуктами, будет увеличиваться. Следовательно, экологическая ситуация, существующая на данный момент времени будет ухудшаться, что непосредственно скажется и на состоянии здоровья человека.

1.2. Способы ликвидации аварийно-разлитой нефти и нефтепродуктов.

На сегодняшний день существует 4 наиболее эффективных и повсеместно применяемых способа ликвидации аварийно-разлитой нефти и нефтепродуктов различного типа:

1. механический – оптимальное для экологической обстановки региона решение, заключающееся в использовании специализированного оборудования для очищения воды. Механическая очистка состоит из отстаивания и последующей фильтрации загрязненной воды с использованием специальных ловушек, насосов, рукавов или человеческим трудом. Основным недостатком метода является забор воды вмести с тонкой нефтяной пленкой. Хорошо собрать нефтепродукты возможно только при толстом слое, что случается только при больших техногенных катастрофах.
2. химический – предполагает использование химических реагентов, которые вступают в реакцию с нефтепродуктами. В ходе химических реакций образуется нерастворимый в воде осадок, легко удаляемый механической фильтрацией. Некоторые диспергенты и сорбенты, используемые в очистке, могут являться токсичными и оказывающими в разной степени негативное влияние на состояние окружающей среды. Химическая очистка основана на одном из двух методов: провоцирование образования масляного пятна, используя эмульгаторы эмульсий из воды и нефти или поверхностно-активных веществ (ПАВ); поглощение нефтепродуктов адсорбентами.
3. термический – простейший, но крайне опасный для экологической обстановки способ, предполагающий сжигание разлитых масс. Процесс горения провоцирует выброс до 10% вещества в атмосферу в виде сажи. Более того, после горения остается большое количество нетронутых тяжелых компонентов. Несмотря на большое количество негативных последствий, метод такого типа используется достаточно часто, преимущественно в сочетании с механическим.
4. биологический – наиболее распространенной в удалении нефтепродуктов из воды. Используются микроорганизмы, которые поедают нефть.  Каждый вид эффективен в борьбе с определенной фракцией нефти. Принцип использования: размещение суспензии с бактериями, жизнедеятельность которых способствует разрушению разлитого вещества.

1.3. Использование ферромагнитной жидкости.

Более подробно рассмотрим еще один способ очистки морских вод от разливов нефти – использование ферромагнитной жидкости.

Ферромагнитная жидкость - коллоидный раствор на основе ферромагнитных частиц, сложная дисперсная система, сильно поляризующаяся в присутствии магнитного поля.

Применение магнитной жидкости основано на том, что высоко водосодержащая промысловая продукция в электрическом поле легко разряжается, эффективное разделение нефти и воды происходит под воздействием внешнего магнитного поля за счёт работы принципа электромагнитной индукции.

Исследование технологии сверхпроводящей магнитной жидкости для разделения нефти и воды эффективно для решения ряда производственных проблем, вызванных высокой обводненностью нефтяных месторождений, и имеет большое значение для обеспечения стабильной добычи и охраны окружающей среды при разработке нефтяных месторождений. Применение технологии магнитной жидкости имеет актуальное значение. Например, может осуществляться очистка водных поверхностей от нефтяных разливов при экологических катастрофах. На пятно нефтепродукта разбрызгивается магнитная жидкость. Смешиваясь с ней, нефтепродукт приобретает магнитные свойства и собирается с поверхности воды магнитным устройством, втягиваясь в него под действием магнитных сил.

Магнитные жидкости представляют собой коллоидные дисперсии магнитных материалов с частицами размером от 5 нм до 10 мкм, стабилизированные в полярной и неполярной средах с помощью поверхностно-активных веществ или полимеров. По своим физическим свойствам магнитная жидкость обладает хорошей текучестью в сочетании   с магнитными свойствами.

Сегодня магнитная жидкость получила широкое применение в разных сферах. Исходя из её уникальных свойств, учёные из Австралийской научно-промышленной исследовательской организации (CSIRO) предполагают использовать её в нефтяной промышленности.

Один из способов разделения водонефтяной эмульсии включает смешение с магнитной жидкостью на водной основе, магнитную обработку смеси, разделение смеси.

Глава 2. Исследование воздействия ферромагнитной жидкости на нефтепродукты

Во время проведения эксперимента была приготовлена ферромагнитная жидкость на основе FeCl₃ (10 г) и FeSO₄ (6 г). В смесь были добавлены 300 мл H₂O, 4 мл CH₃COOH. После растворения добавлены 100 мл NH₄OH, по окончании роста частиц полученный осадок был промыт (рис. 1).

В отдельной ёмкости были смешаны 20 мл NH₄OH и 1,3 мл C₁₇H₃₃COOH, которые впоследствии были добавлены к раствору частиц. После перемешивания (10 мин) в раствор было добавлено 20 мл CH₃COOH. В результате чего выпал осадок, который был перемешан, промыт водой и изопропанолом несколько раз. При выполнении эксперимента использовался метод химического осаждения. По завершении всех вышеуказанных действий, смесь просушивается и помещается в жидкость-носитель (рис. 3). В качестве жидкости-носителя использовались керосин и бензин (рис. 4).

По результатам наблюдений было выявлено (при прочих равных условиях):

1. при отдалении магнита от ФМЖ высота холмов увеличивается, их количество уменьшается;
2. ФМЖ оказалась более чувствительна к неодимовому магниту, чем к ферритовому;
3. при достаточном магнитном поле ФМЖ способна удерживать магнит на весу.

В качестве нефтепродукта для разделения использовалась смесь керосина, бензина, машинного масла (1:1:1).

К воде была добавлена смесь нефтепродуктов, после образования плёнки и эмульсионной фазы была добавлена ФМЖ в жидкости-носителе - бензине, после распределения в ёмкость был внесён магнит. В результате отделилась лишь часть смеси нефтепродуктов, тогда как в воде также осталась часть смеси.

Заключение

Люди будут использовать нефть, так как для многих стран она —привычный источник дохода, энергии, топлива, производственный ресурс. Из-за многоэтапности процессов работы с нефтью риски аварий велики.

Целью было убедиться в работоспособности ферромагнитной жидкости в качестве сорбента при разделении водонефтяной эмульсии.

В ходе четырёх попыток проведения эксперимента удалось достаточно хорошо разделить эмульсию только один раз.

Несмотря на соблюдение инструкций во время приготовления ФМЖ и разделения «водонефтяной» эмульсии, результат получился отличным от ожидаемого.

Это может быть связано с неточностью многих инструкций в свободном доступе, неучтенных собственных ошибок, возможно не качественными реактивами.

С другой стороны, на этом примере можно увидеть, что не всегда удаётся получить положительный результат исследований.

В результате проведенного эксперимента можно сделать вывод о нецелесообразности использования ФМЖ в качестве сорбента в системе нефть-вода, так как в емкости остаются нефтепродукты, а также следы самой ФМЖ. Впрочем, если доработать методику, подобрать подходящие действия и продукты, может быть, удастся свести отходы процесса к минимуму, но это идея для последующего изучения.

Приложение

Рисунок 1. Приготовление ФМЖ

Рисунок 2. Взаимодействие магнита и раствора полученной ФМЖ

Рисунок 3. ФМЖ после высыхания

Рисунок 4. Образцы с жидкостями-носителями

Рисунок 5. Смесь нефтепродуктов

Рисунок 6. Система «нефть-вода» до применения ФМЖ

Рисунок 7. Система «нефть-вода» после применения ФМЖ