Бесплатный автореферат и диссертация по географии на тему

Нефтяное загрязнение гидросферы

ВАК РФ 11.00.08, Океанология

Текст научной работыДиссертация по географии, доктора технических наук, Гурвич, Лев Моисеевич, Москва

Президиум ВАК России

¡4 К 07 i

н-шспио от ( (' ! 1 19 / /

рисудил ученую степень ДОКТО!^\.

/ачальмик управления ВАК Росс

Российская Академия Наук Институт океанологии им. П.П. Ширшова

На правах рукописи

ГУРВИЧ Лев Моисеевич

НЕФТЯНОЕ ЗАГРЯЗНЕНИЕ ГИДРОСФЕРЫ

Источники поступления, формы нахождения, методы и технические средства предотвращения

11.00.08 - океанология

Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук

Москва - 1997

- 2 -СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ......................................................... 4

Глава 1. ИСТОЧНИКИ НЕФТЯНОГО ЗАГРЯЗНЕНИЯ ГИДРОСФЕРЫ..............17

1.1. Термины и определения.....................................17

1.2. Методы анализа загрязняющих веществ нефтяного происхождения.............................................21

1.3. Природные источники поступления нефти в гидросферу........26

1.4. Источники загрязнения, связанные с нефтедобычей...........27

1.5. Источники загрязнения, связанные с транспортом............33

1.5.1.Источники загрязнения при транспортировке нефти........33

1.5.2. Источники нефтяного загрязнения при эксплуатации транспортных средств..................................39

1.6. Загрязнения, связанные с промышленными технологиями.......43

1.7. Мощность источников нефтяного загрязнения гидросферы......46

1.8. Состав и свойства загрязняющих веществ нефтяного происхождения (НЗВ).......................................54

1.9. Формы поступления НЗВ в гидросферу........................81

1.10. Нефтеводяные дисперсные системы.........................83

Глава 2. НЕФТЬ В ГИДРОСФЕРЕ.....................................97

2.1. Методы исследования нефтяного загрязнения гидросферы......98

2.2. Уровень содержания и формы существования НЗВ

в гидросфере.............................................103

2.3. Эволюция и трансформация НЗВ в Мировом океане............125

2.4. К вопросу о влиянии НЗВ на водоемы и водные организмы.... 138 Глава 3. СИСТЕМНЫЙ ТЕХНИКО-ЭКОЛОГИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ ОСНОВНЫХ

ПРОМЫШЛЕННЫХ И ТРАНСПОРТНЫХ ТЕХНОЛОГИЙ.........................142

3.1. Причины образования нефтеводяных дисперсных систем в техногенезе..............................................145

3.2. Энергетика образования нефтеводяных эмульсий.............152

3.2.1.Термодинамический анализ процесса образования эмульсий.160

3.2.2.Экспериментальное определение параметров процесса

образования нефтеводяных эмульсий......................168

3.2.3. Работа образования нефтеводяных эмульсий..............186

3.3. Причины устойчивости нефтеводяных эмульсий...............201

3.1. Исследование основных механизмов и параметров

производственных технологий..............................206

Глава 4. РАЗРАБОТКА СПОСОБОВ И СРЕДСТВ ПРЕДОТВРАЩЕНИЯ НЕФТЯНОГО

ЗАГРЯЗНЕНИЯ МИРОВОГО ОКЕАНА..................................221

4.1. Пути экологического совершенствования производственных технологий...............................................221

4.2. Разработка способов и средств технико-экологического совершенствования процессов очистки нефтеналивных емкостей, машин и механизмов.............................230

4.2.1. Разработка способов получения и рецептур технических моюще-деэмульгирующих средств............................230

4.2.2, Совршенствование техники и технологии процессов очистки поверхностей....................................259

4.3. Разработка многофункциональных реагентов для добычи и транспортировки нефти....................................263

4.4. Очистка нефтесодержащих сточных вод......................285

4.5. Совершенствование средств борьбы с последствиями аварийных разливов нефти.................................289

4.6. Технико-экономические результаты внедрения разработанных способов и средств.......................................292

ВЫВОДЫ.......................................................294

Литература...................................................300

Приложения......................................в отдельном томе

- 4 -ВВЕДЕНИЕ

Актуальность проблемы. Миллионы тонн нефти ежегодно попадают в гидросферу, порождая одну из важнейших проблем современности -проблему защиты Мирового океана от нефтяного загрязнения.

Нефть в надпороговых концентрациях, диспергированная в водной среде, нарушает экосистемы Мирового океана. Поверхностная пленка нефти препятствует мореплаванию, вызывает опасность пожаров, загрязняет береговые зоны, затрудняет влаго-, газо- и теплообмен между оканом и атмосферой, влияет на формирование климата планеты.

С экологическими проблемами нефтяного загрязнения тесно связаны задачи рационального использования добываемой нефти, до 5% которой безвозвратно теряется при добыче, транспортировке, хранении и переработке, а также при применении нефтепродуктов.

Не менее остро стоят проблемы технического совершенствования целого ряда горно-нефтяных, промышленных и транспортных технологий, как в связи с их прямыми и косвенными экологическими последствиями, так и вне этой связи.

Реальные результаты осуществляемых мероприятий по предотвращению нефтяного загрязнения, несмотря на огромные затраты, не могут радикально улучшить бедственную экологическую ситуацию в региональном и глобальном масштабах из-за того, что современный уровень научных знаний о причинах и механизмах влияния нефтяного загрязнения на природу не соответствует значимости и сложности этих явлений.

Поэтому исследование взаимодействия производства и природной среды на примере нефтяного загрязнения Мирового океана является весьма актуальной научной проблемой и имеет большое теоретическое и практическое значение.

В работе решены фундаментальные проблемы, связанные с установлением объективных причин нефтяного загрязнения природы, форм мигра-

ции и механизмов трансформации загрязняющих веществ нефтяного происхождения в Мировом океане. На основе результатов теоретических исследований решена важнейшая практическая проблема предотвращения техногенного нефтяного загрязнения гидросферы.

Исследования выполнены в соответствии с координационными планами АН СССР и РАН за период с 1976 по 1994 г., целевыми комплексными научно-техническими программами 0.74.01, 0.51.11, 0.Ц.044, Постановлением ГКНТ и Госплана СССР от 30.09.1992 г. N 456/214, Постановлениями АН СССР и Госкомсельхозтехники СССР N 103/19 от 30.06.82 г. и N 200/135 от 21.10.83 г., Распоряжениями АН СССР N 10103-128 от 25.01.77, N 10105-33 от 08.01.76, Координационным планом "Разработать научно обоснованные предложения о мероприятиях по предотвращению загрязнения отдельных районов Мирового океана", Координационными планами НИР Миннефтехимпрома и институтов АН СССР на 1976-1980 ггобщеакадемической программой биосферных и экологических исследований на 1989-1990 гг., договорами о творческом содружестве между ИО РАН и ВНИИ железнодорожного транспорта (ВНИИЖТ), Всесоюзным нефтегазовым НИИ им.А.П.Крылова (ВНИИ), институтами ремонта и эксплуатации машинно-тракторного парка (ГОСНИТИ), нефтехимического синтеза им. А.В.Топчиева РАН (ИНХС РАН), Уфимским нефтяным институтом (УНИ), Малоярославецким опытным заводом, НИИ прикладной химии и др.

Цель и задачи работы. Цель исследований состояла в разработке научных основ, практических способов и технических средств предотвращения нефтяного загрязнения гидросферы. Задачи работы включали разработку методологии исследования, установление причин и основных источников загрязнения, форм миграции и механизмов трансформации нефти в Мировом океане, технико-экономико-экологический анализ основных производств, относящихся к доминирующим источникам нефтяного загрязнения и их экологическое совершенствование.

- б -

Об'екты исследования:

1. Технологические процессы добычи, первичной переработки, транспортировки нефти, очистки нефтеналивных емкостей, машин и деталей;

2. Нефти, нефтепродукты, асфальтосмолопарафиновые отложения (АСПО) ряда месторождений, нефтеостатки из танкеров, барж, железнодорожных цистерн, резервуаров, авиационных, автомобильных, тракторных, судовых ДВС, машин и механизмов; 3. Нефтеводяные дисперсные системы; 4. Вода и донные осадки морей (Балтийского, Черного, Баренцева и Каспийского) и рек России и СНГ в периоды крупных аварий с разливами нефти и вне их.

Исследование нефтяного загрязнения в таких сложных системах, какими являются природные воды, сопряжено со многими трудностями методического и принципиального характера: чрезвычайной сложностью, непостоянством состава и свойств НЗВ; динамичным многообразием форм существования НЗВ в гидросфере; сложностью решения аналитических задач при определении микро- и ультрамикроконцентраций НЗВ в водах и, тем более, качественных характеристик загрязнений; необходимостью исключить влияние на результаты анализов биогенных углеводородов природных вод, сходных по составу и строению с нефтяными углеводородами; низкой надежностью современных методов идентификации загрязнений водной среды с их источниками,

В связи с этим нами предложена методология исследования нефтяного загрязнения гидросферы, основанная на комплексном междисциплинарном подходе к процессам образования нефтяных загрязнений в тех-ногенезе и последующего взаимодействия этих загрязнений с факторами природной среды, которая существенно облегчила решение поставленных задач. Она позволила применять стандартные методы гидрохимии, химии нефти, физической химии и других фундаментальных наук при работе с НЗВ и высококонцентрированными нефтеводяными дисперсными системами,

проследить пути и формы поступления загрязнений в гидросферу, их трансформацию в водной среде и выработать рекомендации по предотвращению загрязнения.

Различие объектов исследований обусловило применение в ходе работы методов их изучения, известных из гидрохимии и геохимии [9, 21, 47, 53, 129, 131, 132, 156, 168, 184, 186, 196, 254, 255, 263, 288, 296, 304, 307, 349], химии и технологии нефти и нефтепродуктов [36, 142, 148, 154, 197, 233, 235, 236, 258, 260, 264, 265, 295, 303, 309, 320, 360], термодинамики [52], физической и коллоидной химии [4, 6, 7, 57, 115, 119-121, 190, 230-232, 245, 248, 258, 259, 299, 301, 370], технологии нефтедобычи и промышленных производств [25, 26, 118, 181, 183, 286, 287], системного анализа [26, 42, 136, 175, 191, 377]. Кроме того, в работе применялись специально разработанные или видоизмененные нами методы анализа, учитывающие специфику задач и свойств изучаемых объектов [25, 67, 68, 83, 84, 95, 97, 100].

Научная новизна работы:

1. Создана методология исследования нефтяного загрязнения гидросферы, основанная на комплексном подходе к процессам образования нефтяных загрязнений в техногенезе и последующего взаимодействия этих загрязнений с факторами природной среды;

2. Показано, что свыше 85% загрязнений нефтяного проис-

хождения (НЗВ) попадает в гидросферу при безаварийных ситуациях и существенно отличается по составу и свойствам от добываемых нефтей и товарных нефтепродуктов;

3. Установлено, что главной формой поступления НЗВ в природные воды являются нефтеводяные эмульсии, при образовании которых происходит изменение химических и физических свойств НЗВ;

4. Приведены данные о количественном соотношении форм миграции НЗВ в морях и реках и их пространственно-временные характеристики;

5. Выявлена специфика состава и свойств каждой из форм существования НЗВ в гидросфере и их влияния на процессы, протекающие в водной среде и на геохимических барьерах;

6. Исследован механизм трансформации НЗВ в гидросфере, заключающийся в разрушении нефтяной эмульсии (первичная форма) с образованием вторичной поверхностной пленки, высвобождением полярных компонентов НЗВ с последующим концентрированием их на различных границах раздела и сорбцией на взвеси;

7. Установлены основные причины, технические, экономические и экологические последствия образования устойчивых неф-теводяных дисперсных систем в современных промышленных и транспортных технологиях, показана целесообразность и возможность уменьшения количества и улучшения качества нефтево-дяных дисперсий на стадиях их образования;

8. Получены термодинамические уравнения, позволившие рассчитать оптимальный уровень полной, механической и физи-

ко-химической энергии, необходимой для осуществления замкнутого водоиспользования в промышленных и транспортных: технологиях и установить тот факт, что в современных процессах большая часть вводимой энергии (свыше 99,99%) расходуется не на полезную работу, а на образование и стабилизацию нефтево-дяных эмульсий;

9. Разработана концепция технико-экологического совершенствования промышленных и транспортных технологий, отнесенных к основным источникам нефтяного загрязнения гидросферы, предложены и реализованы новые физико-химические методы и технические средства для ее реализации.

Достоверность выводов. Теоретические выводы подтверждены результатами натурных и экспериментальных исследований и в основном укладываются в общие научные представления об анализируемых процессах океанологии, гидрохимии, физико-химии дисперсных систем, химии нефти, термодинамики, экономики, технологии основных производств, а также новых научных направлений - морской молисмологии [10, 167, 214, 335, 346], охраны окружающей среды и рационального природопользования [159, 261, 363], антропогенной экологии океана [50, 131, 200, 332, 358], эконологии [181, 219, 306, 326].

Практическая ценность и реализация результатов работы.

Результаты работы широко используются как в гидрохимических исследованиях, так и при разработке и совершенствовании целого ряда горно-нефтяных, промышленных и транспортных технологий .

Они реализованы в частности, в рецептурах и технологии применения разработанных автором многофункциональных реагентов для добычи и транспорта нефти ВРК, НМК, ВРК-С, ВРК-СС, ВРК-92А, ВРК-93; технических моющих препаратов типа МЛ-51, МЛ-52, МЛ-80, ТЕМП-100, ТЕМП-100А; технических моюще-деэ-мульгирующих средств серии "Д" - ТЕМП-100Д, ТЕМП-200Д, МЛ-80Д, МЛ-88Д; растворяюще-эмульгирующих средств; технологий и оборудования для процессов очистки поверхностей от нефтепродуктов с замкнутым водоиспользованием; технологии добычи и трубопроводного транспорта вязких нефтей с внут-рискважинной деэмульсацией и т.д.

Все эти разработки испытаны, освоены производством и в широких масштабах применяются на предприятиях различных отраслей промышленности и транспорта, обеспечивая реальную техническую и экологическую эффективность.

Автор выносит на защиту:

- вывод о том, что основная масса нефтяных загрязнений (свыше 85%) попадает в гидросферу при "нормальных", безаварийных ситуациях и не является нефтью или товарными нефтепродуктами, а представляет собой продукты их видоизменений,

существенно отличащиеся от нефти по составу и свойствам;

- вывод о том, что доминирующей формой поступления НЗВ в гидросферу являются нефтеводяные эмульсии, при образовании которых происходит дальнейшее изменение химических, физических и других свойств загрязняющих веществ и механизмов их влияния на водоемы и водные организмы;

- результаты исследования различных форм существования НЗВ в гидросфере, их эволюции и трансформации и вывод о несоответствии принятого в гидрохимических и экологических исследованиях метода оценки нефтяного загрязнения по содержанию нефтяных углеводородов уровню и механизмам влияния загрязнений на водоемы и водные организмы;

- результаты системного анализа современных технологий добычи, первичной переработки, трубопроводного и водного транспорта нефти и других производственных процессов, отнесенных к основным источникам нефтяного загрязнения гидросферы, в ходе которого установлено, что образование устойчивых эмульсий не всегда является необходимым, а в целом ряде случаев снижает техническую эффективность производств и увеличивает их потенциальную экологическую опасность;

- термодинамические уравнения, позволяющие расчитать оптимальный уровень полной, механической и физико-химической энергии, необходимой для осуществления замкнутого водоис-пользования в промышленных и транспортных технологиях в зависимости от от основных свойств нефти, воды и субстратов;

- концепцию технико-экологического совершенствования про-

мышленных производств, способы и технические средства ее реализации на начальных стадиях образования нефтеводяных дисперсных систем;

- способы получения и технологии применения принципиально х новых технических моюще-деэмульгирующих средств серии "Д" ТЕМП-10ОД, ТЕМП-200Д, МЛ-80Д, МЛ-88Д, многофункциональных реагентов для добычи и трубопроводного транспорта нефти ВРК, НМК, ВРК-С, ВРК-СС, ВРК-92А, ВРК-93 и др., которые при высокой технологической эффективности и значительно меньшей энергонасыщенности процессов не образуют устойчивых нефтеводяных эмульсий и могут снижать загрязненность нефтью использованной воды на 3 порядка.

Апробация работы. Результаты исследований и их отдельные фрагменты докладывались и обсуждались на:

2 и 3 съездах советских океанологов (1982 и 1987 г.г.), 4,5,6,7 и 8 всесоюзных конференциях по поверхностноактив-ным веществам (1972, 1979, 1984, 1991 г.г.),

Всесоюзном симпозиуме "Поверхностно-активные вещества и их применение в химической и нефтяной промышленности" (1972 г. ),

12 Менделеевском съезде по общей и прикладной химии (1981 г.),

Международном симпозиуме по экологии Балтийского моря (1986 г.),

Ученых советах институтов ГОСНИТИ, ИО Р�