Способ ликвидации углеводородного загрязнения водной среды (варианты) Российский патент 2021 года по МПК E02B15/04 

Изобретения относятся к области экологии и могут быть использованы для локализации, сдерживания от распространения углеводородных загрязнений, а также для удаления углеводородных загрязнений с водной поверхности при их разливе.

Известен способ очистки поверхности водоема от загрязнений нефтепродуктами, заключающийся в окружении загрязнения водной поверхности плавучим ограждением, уменьшении площади загрязнения путем стягивания плавучего ограждения и удаление загрязнения. Плавучее ограждение выполняют в виде несгораемой преграды, при уменьшении площади загрязнения его преобразуют в вытянутое пятно с шириной не более одного метра, длинную сторону которого располагают на водной поверхности перпендикулярно к преобладающему направлению ветра, а удаление загрязнения осуществляют путем выжигания упомянутого пятна (см. патент RU 2073081 С1, Е02В 15/04, 18.01.1993).

Недостатком упомянутого выше способа является необходимость применения дополнительного оборудования для локализации углеводородного пятна.

Известен способ очистки водной поверхности от нефтяных загрязнений, включающий контактирование воды с торфяным сорбентом до тех пор, пока нефтяные загрязнения не свяжутся сорбентом, и удаление его с водной поверхности, при этом в качестве сорбента применяют торф, который предварительно модифицируют путем высушивания при 100-120°С до образования необратимого коллоида (см. патент RU 2219134 G1, C02F 1/28 B01J 20/22, 20.12.2003).

Недостатком способа является необходимость сбора сорбента после использования и его дальнейшая утилизация.

Известен способ очистки водной поверхности от загрязнений нефтепродуктами, заключающийся в сжигании нефтепродуктов, при этом на загрязненную поверхность напыляют несмачиваемые водой горючие вещества в мелкодисперсном состоянии, имеющие положительную плавучесть, которые затем поджигают путем воздействия на них высокой температурой (см. патент RU 2246584, Е02В 15/04, опубл. 20.02.2005).

Недостатком упомянутого выше способа является необходимость использования воздушного транспорта для напыления и поджога, а также доставка большого количества горючих несмачиваемых веществ воздушным транспортом, что является крайне дорогостоящим мероприятием. Также распыление данных препаратов с воздуха имеет низкую эффективность при неблагоприятных метеоусловиях.

Наиболее близким аналогом заявленных изобретений является способ очистки водной поверхности от нефтепродуктов, включающий обработку нефтепродуктов лазерным излучением с перемещением пятна излучения по водной поверхности, причем при обработке нефтепродуктов лазерным излучением поджигают пароводяную смесь, оторвавшуюся от водной поверхности, путем подачи лазерного излучения с длиной волны, соответствующей области светового поглощения воды, и плотностью мощности излучения не менее 102 Вт/см², превышающей скорость теплоотвода водной поверхности. Лазер доставляют к обрабатываемой зоне на борту корабля или летательного аппарата. Посредством системы формирования облучают поверхность непрерывным или импульсно-периодическим излучением. В случае, когда слой нефти или нефтепродуктов полностью поглощает энергию излучения, если обработку производят непрерывным излучением, то величина плотности мощности излучения ≈102-103 Вт/см² оказывается достаточной для того, чтобы скорость теплоподвода превысила естественный теплоотвод. При этом скорость сканирования излучения (или время экспозиции излучения на данном участке поверхности) в каждом конкретном случае устанавливают расчетным путем такой, чтобы в течение времени воздействия происходило полное испарение нефтепродуктов. Пары нефтепродуктов, поднимаясь над поверхностью, смешиваются с кислородом воздуха, образуя горячую смесь, которая поджигается падающим излучением. Процесс горения локализуется над водной поверхностью (см. а.с. SU 1702872, Е02В 17/00, 20.03.1995).

Недостатком упомянутого выше способа является недостаточная эффективность устранения аварийных разливов углеводородных жидкостей на водной поверхности.

Задачей, на решение которой направлены заявленные изобретения, является создание способов, позволяющих оперативно и эффективно устранить аварийные разливы углеводородных жидкостей на водной поверхности.

Техническим результатом заявленных изобретений является повышение оперативности действий по ликвидации углеводородных разливов, повышение эффективности удаления углеводородов с поверхности водной среды, уменьшение негативного воздействия на окружающую среду, упрощение процесса ликвидации загрязнения, в том числе в условиях Арктики и наличия ледовой обстановки.

Технический результат по первому варианту заявленного изобретения, обеспечивается тем, что в способе ликвидации углеводородного загрязнения водной среды осуществляют сжигание пятна углеводородного загрязнения путем его поджога в нескольких точках с использованием импульсного лазерного излучения, после распространения горения по всей поверхности упомянутого пятна воздействие импульсным лазерным излучением прекращают и по окончании горения осуществляют локализацию оставшегося пятна углеводородного загрязнения посредством нанесения по его периметру поверхностно-активного препарата (ПАП), содержащего в мас. %: оксиэтилированное катионное поверхностно-активное вещество (ПАВ) - 10,5-13,5 и смесь органических растворителей 86,5-89,5, а затем осуществляют дожигание локализованного пятна углеводородного загрязнения путем перемещения луча непрерывного лазерного излучения по его поверхности.

Оксиэтилированное катионное ПАВ состоит из смеси оксиэтилированных четвертичных оснований азотсодержащих (NR)₄(CH₂CH₂O)_mOH, где длина радикала R=C₁₀-C₁₄, средняя степень оксиэтилирования m = 2-6 с оксиэтилированными спиртами R(CH₂CH₂O)_nOH, где длина радикала R=C₁₀-C₁₂, средняя степень оксиэтилирования n = 6-8, при этом содержание упомянутых компонентов ПАВ в ПАП имеет следующее соотношение, мас. %: оксиэтилированные четвертичные основания азотсодержащие - 9-11, оксиэтилированные спирты - 1,5-2,5.

Смесь органических растворителей состоит из бутилгликоля, диэтилового эфира и гептана, при этом содержание упомянутых растворителей в ПАП имеет следующее соотношение, мас. %: бутилгликоль - 9-11, диэтиловый эфир - 4,5-5,5 и гептан - 70-76.

Технический результат по второму варианту заявленного изобретения, обеспечивается тем, что в способе ликвидации углеводородного загрязнения водной среды, осуществляют сжигание пятна углеводородного загрязнения, путем его поджога в нескольких точках с использованием импульсного лазерного излучения, после распространения горения по всей поверхности упомянутого пятна воздействие импульсным лазерным излучением прекращают, по окончании горения осуществляют обработку оставшегося пятна углеводородного загрязнения посредством равномерного нанесения на всю его площадь гидрофобизированного торфа, а затем осуществляют дожигание обработанного пятна углеводородного загрязнения, путем перемещения луча непрерывного лазерного излучения по его поверхности.

Заявленные изобретения поясняются таблицами.

В таблице 1 показана схема экспериментов при проведении натурных испытаний способа ликвидации углеводородного загрязнения водной среды с использованием ПАП.

В таблице 2 показаны результаты экспериментов при проведении натурных испытаний способа ликвидации углеводородного загрязнения водной среды.

В таблице 3 показана эффективность очистки водной поверхности от углеводородного загрязнения при применении заявленного способа ликвидации углеводородного загрязнения водной среды с использованием ПАП.

Способы ликвидации углеводородного загрязнения водной среды осуществляют следующим образом.

Устанавливают факт разлива углеводородов. Затем устанавливают, какой тип углеводородов (нефть, дизельное топливо и газовый конденсат) загрязняет водную среду в данном конкретном случае.

Проводят изучение обстановки вокруг загрязненной поверхности водной среды, а именно: форма разлива, направление ветра, расположения каких-либо объектов, людей, оборудования и т.п.

С учетом конкретной обстановки вокруг загрязненной поверхности водной среды производят сжигание пятна углеводородного загрязнения. Поджог пятна углеводородного загрязнения осуществляют путем воздействия на него импульсным лазерным излучением, имеющим интенсивность (мощность лазерного излучения на единицу площади), необходимую для поджога установленного типа загрязняющих водную поверхность углеводородов (нефть, дизельное топливо и газовый конденсат). Для нефти необходимая для поджога интенсивность лазерного излучения на единицу площади (I_ЛИ) составляет не менее 0,77 кВт/см², для дизельного топлива составляет не менее - 1,02 кВт/см², для газового конденсата составляет не менее - 1,68 кВт/см² (см. таблицу 2).

Поджог осуществляют в нескольких точках пятна углеводородного загрязнения, а именно: в наиболее выгодных в конкретной обстановке местах разлива в зависимости от формы разлива, направления ветра, наличия и расположения каких-либо объектов, людей, животных, оборудования и т.п.

Воздействие лазерным излучением осуществляют посредством мобильной лазерной установки с мощностью лазера 2-3 кВт. Для обеспечения поджога пятна углеводородного загрязнения на дальности порядка 100 м рассчитывают оптику такого устройства, которое обеспечивает требуемую интенсивность излучения.

Лазер мобильной лазерной установки вручную наводят на пятно углеводородного загрязнения и производят несколько импульсов лазерного излучения продолжительностью по несколько секунд каждый, повышая каждый раз интенсивность лазерного излучения до значения необходимого для воспламенения определенного типа загрязняющих углеводородов (нефть, дизельное топливо и газовый конденсат). Поджог осуществляют с различных позиций, находясь в безопасной зоне, на дистанциях до 150 м.

Мобильная лазерная установка может базироваться как на земле, так и на различных транспортных средствах: автомобиль, катер, вертолет. Преимуществом применения мобильной лазерной установки является возможность осуществления операции в суровых природно-климатических условиях Арктики из различных позиций, находясь в безопасной зоне.

При толщине пятна углеводородного загрязнения не менее 2 мм результатом поджога является самостоятельное горение углеводородов.

После распространения горения по всей поверхности пятна углеводородного загрязнения и начала устойчивого горения углеводородов, воздействие лазерным излучением на поверхность водяной среды прекращают. Наблюдают за самостоятельным горением углеводородов, ждут окончания горения и определяют время самостоятельного горения.

После прекращения горения углеводородов осуществляют обработку несгоревших остатков пятна углеводородного загрязнения.

В первом варианте заявленного изобретения осуществляют обработку несгоревших остатков пятна углеводородного загрязнения путем их локализации на поверхности водной среды.

Во втором варианте заявленного изобретения осуществляют обработку несгоревших остатков пятна углеводородного загрязнения путем их сорбции на поверхности водной среды.

Локализацию несгоревших остатков углеводородного загрязнения на поверхности водной среды осуществляют посредством равномерного нанесения, по периметру оставшегося пятна углеводородного загрязнения, препарата - собирателя, а именно поверхностно-активного препарата (ПАП) собирателя, содержащего в мас. %: оксиэтилированное катионное поверхностно-активное вещество (ПАВ) - 10,5-13,5 и смесь органических растворителей 86,5-89,5.

Оксиэтилированное катионное поверхностно-активное вещество (ПАВ), представляет собой смесь оксиэтилированных четвертичных оснований азотсодержащих с оксиэтилированными спиртами, а смесь органических растворителей состоит из бутилгликоля, диэтилового эфира и гептана, при следующем соотношение упомянутых выше компонентов в ПАП, мас. %:

- смесь оксиэтилированных четвертичных оснований азотсодержащих (NR)₄ (CH₂CH₂O)_nOH, где длина радикала R=С₁₀-С₁₄, средняя степень оксиэтилирования n=2-6 - 9-11;

- смесь оксиэтилированных спиртов с разной длиной радикала R(CH₂CH₂O)_nOH, где длина радикала R=C₁₀-C₁₂, средняя степень оксиэтилирования n=6-8 - 1,5-2,5;

- бутилгликоль - 9-11,

- диэтиловый эфир - 4,5-5,5,

- гептан - 70-76.

Оксиэтилированное катионное ПАВ представляет собой вязкое масло желтого цвета, хорошо растворяется в углеводородах.

Бутилгликоль является высококипящей, низколетучей жидкостью. Он хорошо растворяется в спиртах, гликолях, воде, диэтиловом эфире, хлороформе, ацетоне и в других растворителях, частично смешивается с водой. Химическая формула C₆H₁₄O₂.

Диэтиловый эфир (синонимы: этиловый эфир, серный эфир, этоксиэтан, медицинский эфир) - бесцветная, подвижная, легкогорючая жидкость со своеобразным запахом, плотностью 0,714 г/см³. Химическая формула: (С₂Н₅)₂O.

Гептан органическое соединение класса алканов. Гептан и его изомеры - бесцветные жидкости, хорошо растворимые в большинстве органических растворителей. Обладают всеми химическими свойствами алканов. Химическая формула С₇Н₁₆.

В ходе проведения серии экспериментов с различными концентрациями реагентов, входящих в состав ПАП, было установлено, что заявленное соотношение концентрации реагентов в ПАП обеспечивает необходимые и достаточные показатели ПАП для локализации углеводородных загрязнений. Экспериментально установлено, что ПАП предложенного состава обладает неограниченной растворимостью в углеводородах и высокой поверхностной активностью.

Преимуществом упомянутого ПАП - собирателя является возможность осуществления операции ликвидации углеводородных загрязнений в сложных природно-климатических условиях Арктики, в том числе ледовых. Применение препарата на стадии подготовки к сбору или сжиганию углеводородных загрязнений (нефти, нефтепродуктов, газового конденсата) позволяет локализировать (стянуть) углеводородное загрязнение на водной поверхности и увеличить толщину пленки разлива углеводородов.

Равномерное нанесение по периметру пятна углеводородного загрязнения (нефти, нефтепродукта или газового конденсата) ПАП обеспечивает эффективное стягивание и удерживание от растекания пятна углеводородного загрязнения. Применение ПАП позволяет локализовать остатки углеводородного загрязнения, существенно уменьшив площадь пятна углеводородного загрязнения, увеличить толщину пятна и сдержав его от распространения.

Во втором варианте заявленного изобретения осуществляют сорбцию несгоревших остатков углеводородного загрязнения на поверхности водной среды посредством равномерного нанесения сорбента на всю поверхность оставшегося после сжигания пятна углеводородного загрязнения. Сорбент представляет собой гидрофобизированный (высушенный) торф верховой нейтральный. Гидрофобизированный торф - горючее вещество, способное аккумулировать углеводороды, обеспечивая горение относительно тонкого углеводородного слоя. При применении гидрофобизированного торфа достигается максимальная степень сжигания углеводородов.

Для нанесения ПАП или гидрофобизированного торфа могут быть использованы аварийно-спасательные суда.

Нанесение ПАП проводят при помощи оборудования, представляющего собой автоматизированную систему полива, включающую: дозирующие форсунки, подающие шланги, нагнетающий насос, емкости. Регулирование подачи ПАП возможно как при помощи изменения расхода подачи насоса, так и изменением скорости движения судна.

Применение ПАП производят до подхода пятна углеводородного загрязнения к берегу и на удалении от мест скопления птиц и обитания млекопитающих.

Осуществляют контроль эффективности применения ПАП визуальным методом в светлое время суток. В случае локального разлива - по площади сокращения углеводородного пятна, а в случае обширных разливов - по утолщению слоя углеводородного пятна.

Расход сорбента, необходимый для обработки пятна углеводородного загрязнения, зависит от следующих факторов: типа и объема разлива нефти или нефтепродукта, способа нанесения препарата, гидрометеорологической обстановки. Расход сорбента составляет 10-30 л/км периметра углеводородного пятна.

После локализации ПАП несгоревших остатков углеводородного загрязнения или их сорбции гидрофобизированным (высушенным) торфом осуществляют дожигание остатков углеводородного загрязнения путем перемещения луча непрерывного лазерного излучения по поверхности оставшегося локализованного пятна углеводородного загрязнения.

Преимуществом использования мобильной лазерной установки в процессе дожигания по сравнению с другими методами поджога является возможность постоянного (сканирующего) привнесения в дожигаемую среду лазерного излучения.

При перемещении лазерного луча по поверхности оставшегося локализованного пятна углеводородного загрязнения, лазерное излучение сильнее всего поглощается тонким слоем воды, который непосредственно примыкает к пятну углеводородного загрязнения, поэтому вода в этом слое быстро нагревается и переходит в состояние метастабильности. Происходит парообразующий взрыв метастабильно перегретой воды и разрывается тепловой контакт нефти и воды, который препятствует горению нефтяной пленки в обычных условиях. Нефтяная пленка подбрасывается вверх и дробится на фрагменты. Капли нефти подбрасываются вверх, смешиваются с атмосферным воздухом и образуют горючую смесь. Происходит самовоспламенение смеси, и капли нефтяного загрязнения сгорают в воздухе.

Были проведены полевые исследования заявленного способа ликвидации углеводородного загрязнения водной среды с применением ПАП (1 вариант заявленного изобретения).

В качестве экспериментальной емкости использовались специально изготовленные герметичные поддоны размерами 1000×1000 мм с высотой бортов 150 мм. Общий объем воды составлял 70 л. Объем вносимых углеводородных загрязнителей составлял нефть - 1520 г, дизельное топливо 1660 г, газовый конденсат - 1540 г., ПАП 20 мл (см. таблицу 1).

Разлив углеводородного загрязнителя на поверхность воды проводился за 15-20 минут до лазерного поджога. Толщина слоя углеводородов на воде составляла 2,2-2,5 мм.

Для выполнения работ по испытанию возможности применения дистанционных лазерных методов очистки водной среды от углеводородных загрязнений применялись блоки мобильного лазерного технологического комплекса МЛТК-20.

Поджог углеводородов проводился с двух-трех попыток продолжительностью по несколько секунд, повышая каждый раз интенсивность лазерного излучения до необходимого для воспламенения различных углеводородов. Данная интенсивность лазерного излучения (I_ЛИ), т.е. мощность лазерного излучения на единицу площади, фиксировалась и считалась пороговой для данных условий (таблица 2).

При небольшой скорости распространения огня от точки воспламенения поджог осуществлялся с использованием ручного наведения на поверхность пятна углеводородного загрязнения в нескольких точках (тепловая «энергетическая» поддержка для воспламенения большой площади, особенно при дожде и ветре). Далее наблюдалось самостоятельное горение углеводородов и определялось время самостоятельного горения.

После завершения самостоятельного горения проводилось стягивание пятна углеводородного загрязнения с использованием ПАП и его дожигание сканированием-перемещением луча лазерного излучения по оставшемуся после сжигания пятну углеводородов. Применение ПАП позволило локализовать остатки углеводородного загрязнения, существенно уменьшив площадь пятна, увеличить толщину пятна и сдержать его от распространения.

Последующее дожигание пятна углеводородного загрязнения сканированием (перемещением) лазерного луча по поверхности пятна углеводов на поверхности водной среды, позволяет увеличить эффективность комплексного метода очистки до 80,9-91,1% (таблица 3). При этом горение наблюдается только в зоне воздействия лазерного луча. При выключении источника лазерного излучения или перемещении пятна в другое место горение прекращалось.

При сжигании лазерной установкой пятна углеводородного загрязнения образовались вода, углекислый газ и сажа.

Полученные данные показывают, что двустадийное сжигание лазером позволяет удалить углеводородное загрязнение с поверхности водной среды до 71-78%. Внесение ПАП и последующее дожигание повышает степень очистки до 80,9-91,1% (таблица 3).

Также были проведены полевые исследования заявленного способа ликвидации углеводородного загрязнения водной среды с применением сорбента (гидрофобизированный торф) (2 вариант заявленного изобретения).

Исследования проводились по схеме, которая аналогична упомянутой выше схеме проведения исследований способа ликвидации углеводородного загрязнения водной среды с применением ПАП.

В ходе упомянутых выше исследований было установлено, что за счет применения сорбента (гидрофобизированный торф) и мобильной лазерной установки достигается максимальная степень удаления углеводородных загрязнений (эффективность от 80,9 до 91,1%). При этом горение наблюдается только в зоне воздействия лазерного излучения. При выключении лазерного излучения или перемещении пятна в другое место горение прекращается.

Преимуществом использования лазерной установки в процессе по сравнению с другими методами поджога и дожигания является возможность постоянного (сканирующего) привнесения в дожигаемую среду лазерного излучения, в том числе и с больших дистанций, обеспечивая тем самым большую степень сгорания углеводородов.

При необходимости производят доочистку водной поверхности с применением микробиологических методов очистки.

В результате использования заявленных способов будет достигаться экологический эффект, который обусловлен тем, что в случае разлива на водной поверхности углеводородов они могут быть оперативно удалены при минимальном воздействии на водную среду.

Также использование заявленных изобретений позволит упростить процедуру сбора и ликвидации углеводородных загрязнений, что влечет за собой сокращение сроков, а также сокращение используемых материально-технических ресурсов и соответственно финансовых затрат.

Преимуществами заявленных изобретений являются оперативность, возможность применения в труднодоступных местах, высокая степень очистки, возможность доочистки с применением микробиологических методов.

Изобретения относятся к области экологии и могут быть использованы для локализации, сдерживания от распространения углеводородных загрязнений, а также для удаления углеводородных загрязнений с водной поверхности. В способе ликвидации углеводородного загрязнения водной среды осуществляют сжигание пятна углеводородного загрязнения с использованием импульсного лазерного излучения. В первом варианте изобретения по окончании горения осуществляют локализацию оставшегося пятна углеводородного загрязнения посредством нанесения на него поверхностно-активного препарата, содержащего: оксиэтилированное катионное поверхностно-активное вещество (ПАВ) и смесь органических растворителей. Во втором варианте изобретения по окончании горения осуществляют обработку оставшегося пятна углеводородного загрязнения посредством нанесения на него гидрофобизированного торфа. Затем осуществляют дожигание локализованного пятна углеводородного загрязнения путем перемещения луча непрерывного лазерного излучения по его поверхности. Техническим результатом заявленных изобретений является повышение оперативности действий по ликвидации углеводородных разливов, повышение эффективности удаления углеводородов с поверхности водной среды, уменьшение негативного воздействия на окружающую среду, упрощение процесса ликвидации загрязнения. 2 н. и 2 з.п. ф-лы, 3 табл.

1. Способ ликвидации углеводородного загрязнения водной среды, в котором осуществляют сжигание пятна углеводородного загрязнения путем его поджога в нескольких точках с использованием импульсного лазерного излучения, после распространения горения по всей поверхности упомянутого пятна воздействие импульсным лазерным излучением прекращают и по окончании горения осуществляют локализацию оставшегося пятна углеводородного загрязнения посредством нанесения по его периметру поверхностно-активного препарата (ПАП), содержащего в мас.%: оксиэтилированное катионное поверхностно-активное вещество (ПАВ) - 10,5-13,5 и смесь органических растворителей - 86,5-89,5, а затем осуществляют дожигание локализованного пятна углеводородного загрязнения путем перемещения луча непрерывного лазерного излучения по его поверхности.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что оксиэтилированное катионное ПАВ состоит из смеси оксиэтилированных четвертичных оснований азотсодержащих (NR)₄(CH₂CH₂O)_nOH, где длина радикала R=C₁₀-C₁₄, средняя степень оксиэтилирования n=2-6 с оксиэтилированными спиртами R(CH₂CH₂O)_nOH, где длина радикала R=C₁₀-C₁₂, средняя степень оксиэтилирования n=6-8, при этом содержание упомянутых компонентов ПАВ в ПАП имеет следующее соотношение, мас.%: оксиэтилированные четвертичные основания азотсодержащие - 9-11, оксиэтилированные спирты - 1,5-2,5.

3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что смесь органических растворителей состоит из бутилгликоля, диэтилового эфира и гептана, при этом содержание упомянутых растворителей в ПАП имеет следующее соотношение, мас.%: бутилгликоль - 9-11, диэтиловый эфир - 4,5-5,5 и гептан - 70-76.

4. Способ ликвидации углеводородного загрязнения водной среды, в котором осуществляют сжигание пятна углеводородного загрязнения путем его поджога в нескольких точках с использованием импульсного лазерного излучения, после распространения горения по всей поверхности упомянутого пятна воздействие импульсным лазерным излучением прекращают, по окончании горения осуществляют обработку оставшегося пятна углеводородного загрязнения посредством равномерного нанесения на всю его площадь гидрофобизированного торфа, а затем осуществляют дожигание обработанного пятна углеводородного загрязнения путем перемещения луча непрерывного лазерного излучения по его поверхности.