Экологическая политика и природопользование
Гуминовые вещества — это системы органических молекул высокой молекулярной массы, разлагающихся на промежуточных стадиях процесса минерализации органического вещества отмирающих организмов. История изучения гуминовых веществ насчитывает более 200 лет. Впервые их описал в своих трудах немецкий ученый Ф. Ахард в 1786 году. Большой вклад в изучение гуминовых веществ внес шведский ученый-химик Я. Берцелиус. Также их изучали российские ученые: М. А. Кононова, Л. А. Христева, Т. А. Кухаренко и другие.
Гуминовые вещества — не индивидуальное соединение, а сложная смесь макромолекул переменного состава и нерегулярного строения, к гуминовым веществам неприменимы законы классической термодинамики и теории строения веществ. В мире огромное количество перспективных способов использования гуминовых веществ в различных областях, таких как медицина, растениеводство, животноводство, производство добавок в строительном сегменте, а также в утилизации отходов. В данной статье речь пойдет об использовании гуминовых веществ в производстве строительных материалов, в частности реагентов в производстве цемента, а также о производстве комплексных гуминово-минеральных удобрений (КГМУ) как об эффективном средстве утилизации нефтешламов.
Производство цемента мокрым способом сопровождается огромными расходами электроэнергии и газа, а при его производстве сухим способом основная статья расходов — стоимость потребленной электроэнергии. Так как на рынке строительных материалов, в частности цемента, высокая конкуренция, производители вынуждены искать способы снижения затрат. К примеру, основным способом снижения затрат на газ в производстве клинкера является изменение состава сырьевой смеси, то есть уменьшение влажности шлама. Сокращение затрат на испарение влаги из сырьевой смеси способствует увеличению производительности печей и снижению расхода топлива по меньшей мере на
Одним из эффективных пластифицирующих реагентов является УЩР (угольно-щелочной реагент), который качественно влияет на структурно-механические свойства сырьевых шламов. Доказано, что снижение влажности шлама на 1% при обжиге клинкера в печах мокрого способа производства позволяет сократить расход топлива до 5%. При введении УЩР в шлам в количестве
ООО «ТД „Фармакс“» предлагает собственную разработку и внедрение в производство УЩР для бурения нефтяных и газовых скважин, а также в качестве эффективного разжижителя шлама в производстве цемента.
Нефть и продукты ее переработки принадлежат к наиболее распространенному классу загрязняющих веществ почвенных и водных сред. Это связано с огромными объемами добычи и переработки нефти, сопряженных с большими экологическими рисками из-за опасности поступления нефти в объекты окружающей среды в результате аварий на буровых скважинах и средствах транспортировки нефти. При этом существующие методы ликвидации последствий загрязнения нефтью и нефтепродуктами, включающие применение комплекса механических, физико-химических и биологических способов очистки, не всегда отвечают требованиям экологической безопасности из-за угрозы вторичного загрязнения. Особенно актуальна эта проблема для России, основные нефтеносные районы которой расположены в зоне вечной мерзлоты и на арктическом шельфе. В данных регионах находятся наиболее уязвимые экосистемы с минимальным потенциалом самовосстановления из-за низких температур и наличия ледяного покрова, замедляющих процессы испарения и биодеградации нефти.
В связи с этим весьма важным представляется поиск экологически безопасных методов ликвидации последствий нефтяного загрязнения, основанных на стимулировании и воспроизведении природных процессов самоочищения. К таким процессам относятся: связывание растворенных нефтяных углеводородов с природным органическим веществом в нетоксичные аддукты; естественное диспергирование пленок нефти под воздействием органоминеральных ультрадисперсных частиц, сорбция и деградация разливов нефти в почвенном слое. При этом ведущим фактором, определяющим эффективность указанных процессов, являются гуминовые вещества — активная матрица органического вещества почв, торфов и природных вод. Высокая реакционная способность гуминовых веществ по отношению к нефтяным углеводородам обеспечивается наличием гидрофобного ароматического каркаса в их структуре. В связи с этим гуминовые вещества можно рассматривать как природные детоксиканты, способные снижать экологическую нагрузку нефтяного загрязнения на окружающую среду. Поэтому при диагностике состояния нефтезагрязненных сред необходимо учитывать интенсивность процессов самоочищения, обусловленных уровнем активности гуминовых веществ, присущих данным объектам. Кроме того, не менее важной задачей является разработка экологически безопасных технологий восстановления нефтезагрязненных сред, основанных на широком применении гуминовых реагентов [11].
Стоит отметить, что систематические исследования, направленные на разработку научных основ применения гуминовых веществ в природоохранных технологиях, в настоящий момент отсутствуют. Существующие способы использования гуминовых реагентов в процессах очистки носят преимущественно эмпирический характер, так как фундаментальные исследования структуры и свойств гуминовых веществ, как правило, проходят в отрыве от технологических аспектов их применения. Поэтому особую актуальность приобретает проведение систематических исследований, направленных на разработку научных основ практического использования гуминовых веществ для ликвидации последствий нефтяных разливов.
С первых секунд контакта с морской средой сырая нефть перестает существовать как исходный субстрат и подвергается сложным динамическим процессам переноса, рассеяния и трансформации. В море нефть находится в различных миграционных формах: поверхностных пленках (сликах); эмульсиях (типа «нефть в воде» и «вода в нефти»); нефтяных агрегатах и комочках; в растворенной форме; сорбированной взвесями и донными осадками; аккумулированной водными организмами [1]. Характеристики процессов, происходящих с нефтью и нефтепродуктами при разливе на водную поверхность, приведены в таблице [2].
Схема преобладания основных процессов, происходящих с нефтью на водной поверхности, приведена на рисунке [3].
Как видно из приведенной схемы, процессы растекания, испарения, диспергирования, образования эмульсий, а также растворения имеют наибольшее значение на начальной фазе разлива нефти. Поступившие в морскую среду нефтяные углеводороды, преимущественно в растворенном состоянии или в форме эмульсии, в дальнейшем подвергаются химико-биологической трансформации.
Бактериальное окисление углеводородов нефти преобладает над химическим окислением. Согласно имеющимся оценкам, биодеградация нефти по временным масштабам осуществляется в период от недели до года. При этом установлена разная степень чувствительности нефтяных углеводородов к микробиологическому воздействию. Таким образом, окисление, осаждение и биоразложение являются важными процессами, определяющими судьбу разлившейся нефти [10]. Суммарный эффект вышеприведенных процессов заключается в самоочищении водных акваторий от нефтяных углеводородов.
При поступлении на сушу нефть оказывается в качественно новых условиях существования: из анаэробной обстановки с медленными темпами геохимических процессов она переходит в хорошо аэрируемую среду, в которой помимо абиотических факторов большую роль играют биогеохимические факторы, и прежде всего деятельность почвенных микроорганизмов.
В почвах нефть и нефтепродукты могут находиться в следующих формах [4]:
Миграция нефти по профилю осуществляется двумя путями: фронтальным просачиванием и гравитационным стеканием по каналам миграции [5]. При больших выбросах нефти в грунте или на поверхности почвы в результате фильтрации возможно проникновение нефти на довольно большую глубину, что может приводить к образованию «нефтяных линз». При вертикальном продвижении нефти вдоль почвенного профиля в гумусовом горизонте концентрируются высокомолекулярные компоненты нефти. В нижние горизонты проникают в основном низкомолекулярные парафиновые, нафтеновые и ароматические углеводороды нефти. При этом способность углеводородов к сорбции породами понижается в ряду ароматические углеводороды — циклопарафины — парафины [6]. Скорость деградации нефти, активность самоочищения почв или устойчивое сохранение в них загрязняющих веществ в разных ландшафтах различно.
На характер перераспределения углеводородов в профиле почв влияют их гранулометрический состав, содержание собственного органического вещества, общая поглотительная способность почв, наличие геохимических барьеров, первоначальная нагрузка загрязняющих веществ, физико-химические свойства нефти и так далее.
На основе исследований, проведенных с помощью модельных экспериментов, выделяют три этапа трансформации углеводородов в почве [9]:
Исследования, проведенные на ряде месторождений, показали, что:
Существующие современные методики исследования нефтяных загрязнений в различных объектах природной среды базируются на определении либо валового, либо количественного содержания определенных групп компонентов. Соединения, содержащиеся в нефти в незначительных количествах, такие как ПАУ, могут выступать как в роли маркеров, свидетельствующих о присутствии загрязнения, так и в качестве источников информации об аккумуляции и динамике нефтяного загрязнения [4, 8]. Кроме того, ПАУ являются наиболее гидрофобными и опасными углеводородами нефти, что делает актуальным создание прогностических оценок их опасности и моделей биогеохимических циклов данных загрязняющих веществ в окружающей среде.
Также при производстве цемента немаловажную роль в формировании цены составляет расход на электроэнергию при помоле клинкера в цементном производстве. Для уменьшения расхода электроэнергии применяются добавки, которые помогают улучшить и ускорить помол при минимальных расходах электроэнергии.
В Ангренском угольном бассейне (Республика Узбекистан) есть пласты с высоким содержанием гуминовых веществ. В производстве интерсификатора помола, производимого ООО «Зарина-Зерно» Республики Узбекистан на основе гуминовых кислот, используются другие вспомогательные компоненты, в результате чего выпускается эффективный интенсификатор помола клинкера. В производстве цемента (при вводе этого продукта в объеме от двух до десяти килограммов) происходит экономия электроэнергии до
Гуминовые вещества используют в очистке в качестве промывочных реагентов, загрязненных органическими веществами, в частности ПАУ, грунтовых вод и почв, что обусловлено их высокой поверхностной активностью. Наиболее перспективными, экологически безопасными и эффективными природоохранными технологиями с использованием гуминовых веществ являются технологии восстановления нефтезагрязненных земель, основанные на химических и биологических методах.
Загрязнение окружающей среды нефтяными углеводородами неизбежно в условиях деятельности современного нефтедобывающего комплекса. В настоящее время накопленные проблемы загрязнений настолько актуальны, что в случае их игнорирования может произойти экологическая катастрофа. Есть много технологий утилизации нефтешламов, однако способ, предлагаемый в данной статье, является оригинальным и эффективным. Данный способ предполагает собой утилизацию нефтешламов при помощи смешивания и обработки в автоклавах с КГМУ, произведенными на основе гуминовых веществ Ангренского угольного бассейна Республики Узбекистан. Также в условиях, где нет возможности для автоклавной обработки, можно просто вносить эти удобрения в почву для улучшения гумуса, что приведет к восстановлению плодородности почвы в местах загрязнений нефтешламами.
Интенсификатор помола, полученный на основе гуминовых веществ является эффективным ПАВ, снижающим расход электроэнергии и затраты на производство цемента. Одним из основных методов использования гуминовых веществ в целях сохранения природы является их применение в качестве сорбента при очистке и утилизации нефтезагрязненных земель и загрязнений органическими веществами.
Гуминовые вещества используются во многих отраслях народного хозяйства:
1) в растениеводстве как эффективные стимуляторы роста, а также как участники структурообразований почвы и наполнения питательных элементов в доступной для растений форме;
2) в производстве строительных материалов как добавки в производстве пластифицирующих добавок (УЩР и интенсификатора помола);
3) в рекультивации загрязненных вод и почв, а также для очистки территорий, загрязненных органическими веществами, нефтепродуктами и тяжелыми металлами;
4) в медицине, фармацевтике и ветеринарии.
Это неполный перечень видов деятельности, где используются гуминовые вещества. Наука продолжает развиваться, и, возможно, перспективные методы их применения позволят сохранить и даже улучшить экосистему.
Фарход ЮЛДАШЕВ, аспирант кафедры технологии цемента и композиционных материалов Белгородского государственного технологического университета им. В. Г. Шухова, почетный профессор Союза криминалистов и криминологов
Спасибо за оставленую заявку!
Менеджер свяжется с Вами
в ближайшее время.
Список литературы:
1. Немировская И. А. Нефтяные углеводороды в океане // Природа. 2008. № 3. С.17–27.
2. Oil spill response field manual / ed. by J. Clark, A. George-Ares, P. Jensen [et al.]. U.S.: Exxon Mobil Research and Engineering Company (EMRE), 2005. 320 p.
3. Fate of marine oil spills / Technical Information Paper of ITOF. UK: ITOF, 2002. No. 2. P. 8.
4. Другов Ю. С. Мониторинг органических загрязнений природной среды. 500 методик: практическое руководство. М.: Бином, 2009. 893 с.
5. Солнцева Н. П. Добыча нефти и геохимия природных ландшафтов. М.: МГУ, 1998. 376 c.
6. Пиковский Ю. И. Природные и техногенные потоки углеводородов в окружающей среде.
М.: МГУ, 1993. 208 с.
7. Андреева Н. Н. Проблемы проектирования, разработки и эксплуатации мелких нефтяных месторождений. М.: ОАО «ВНИИОЭН», 2003. 195 с.
8. Дементьев Ф. А. Полиароматические углеводороды как критерий динамики нефтяных загрязнений и возникновения чрезвычайных ситуаций на объектах нефтегазового комплекса. Диссертация кандидата технических наук: 05.26.02. СПб.: Университет государственной противопожарной службы, 2011. 111 с.
9. Мерициди И. А. Техника и технологии локализации и ликвидации разливов нефти и нефтепродуктов: справочник / И. А. Мерициди, В. А. Ивановский, А. Н. Прохоров [и др.]; под ред. И. А. Мерициди.
СПб.: НПО «Профессионал», 2008. 824 с.
10. Рябов В. Д. Химия нефти и газа: учебное пособие.2-е изд., перераб. и доп. М.: Техника, 2004. 576 с.
11. Гречищева Н. Ю. Разработка научных основ применения гуминовых веществ для ликвидации последствий нефтезагрязнения почвенных и водных средств. Диссертация на соискание ученой степени доктора химических наук. М.: МГУ, 2016.