Разработка способа получения полисахаридного сорбента с улучшенными экологическими характеристиками для ликвидации разливов нефти и нефтепродуктов

На правах рукописи

Левчук Александра Александровна

РАЗРАБОТКА СПОСОБА ПОЛУЧЕНИЯ ПОЛИСАХАРИДНОГО СОРБЕНТА С УЛУЧШЕННЫМИ ЭКОЛОГИЧЕСКИМИ ХАРАКТЕРИСТИКАМИ ДЛЯ ЛИКВИДАЦИИ РАЗЛИВОВ НЕФТИ

И НЕФТЕПРОДУКТОВ

03.02.08	– Экология (в нефтегазовой отрасли) (технические науки)
05.18.01	– Технология обработки, хранения и переработки злаковых, бобовых культур, крупяных продуктов, плодоовощной продукции и виноградарства (технические науки)

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Краснодар – 2012

Работа выполнена в ФГБОУ ВПО «Кубанский государственный

технологический университет» (КубГТУ)

Научные руководители:	доктор технических наук, профессор Лобанов Владимир Григорьевич;
	кандидат технических наук Александрова Анна Владимировна
Официальные оппоненты:	Кунина Полина Семеновна, доктор технических наук, профессор, ФГБОУ ВПО «Кубанский государственный технологический университет», заведующая кафедрой оборудования нефтяных и газовых промыслов;
	Щербакова Елена Владимировна, доктор технических наук, доцент, ФГБОУ ВПО «Кубанский государственный аграрный университет», профессор кафедры технологии хранения и переработки растениеводческой продукции
Ведущая организация:	ФГБОУ ВПО «Северо-Кавказский государственный технический университет», г. Ставрополь

Защита состоится «30» мая 2012 года в 1000 часов на заседании диссертационного совета ДМ 212.100.08 в Кубанском государственном технологическом университете по адресу: 350020, г. Краснодар, ул. Красная, 135, ауд. 94.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Кубанского государственного технологического университета.

Автореферат разослан: «27» апреля 2012 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета,

кандидат химических наук, доцент Г.Г. Попова

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. С увеличением объемов добычи, переработки и транспортировки нефти и нефтепродуктов неуклонно растет загрязнение природных экосистем углеводородами. По данным Комитета по природным ресурсам и экологии Государственной Думы РФ ежегодно в России происходит более 60 крупных аварий и около 20 тыс. случаев, сопровождающихся значительными разливами нефти. По территории Краснодарского края протяженность магистральных нефте- и нефтепродуктопроводов составляет 3,0 тыс. км, объем нефтепродуктов в резервуарных парках – 1,77 млн. м3, объем транспортировки и перевалки нефти – 93,0 млн. тонн в год. Проблема негативного влияния разливов нефти и нефтепродуктов на окружающую среду представляет угрозу для здоровья населения и устойчивости экосистем, а ее решение является актуальной как для России, так и для Краснодарского края, особенно в условиях реализации федерального проекта «Сочи 2014».

Другой актуальной проблемой сельскохозяйственных регионов, в частности Краснодарского края, является образование малоиспользуемого вторичного сырья при переработке зерновых культур. Ежегодно в агропромышленном комплексе (АПК) России образуется более 13 млн. ц. стержней кукурузных початков, при этом в Краснодарском крае – около 30 % от их общего объема. Переработка стержней кукурузных початков в настоящее время практически не ведется в связи с остановкой гидролизного производства. Сведения о химическом составе и физико-химических свойствах стержней початков современных сортов и гибридов кукурузы недостаточны для их эффективного вовлечения в ресурсооборот.

В настоящее время перспективным направлением является использование вторичного растительного сырья для получения на его основе сорбентов с заданными свойствами. Известны сорбенты полисахаридной природы на основе гречневой шелухи (Л.А. Земнухова, 2008), плодовой оболочки семян подсолнечника (В.Г. Щербаков, 2004; С.Н. Овчаров, 2010), шелухи риса (И.Г. Гафаров, 2005), стержней кукурузных початков (John Vander Hooven, 1971) и др.

Получение нефтесорбентов на основе местного полисахаридного сырья АПК, в частности стержней кукурузных початков, может способствовать повышению эффективности использования вторичного сырья в хозяйственной деятельности и ликвидации разливов нефти и нефтепродуктов.

Диссертационная работа выполнена в соответствии с НИР кафедры безопасности жизнедеятельности Кубанского государственного технологического университета № 01201152062, в рамках реализации ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 годы по направлению «Переработка и утилизация техногенных образований и отходов» (ГК №П207 от 22.07.2009 г.) и по гранту Российского фонда фундаментальных исследований и Администрации Краснодарского края (08-04-99112-р_офи).

Цель работы. Разработка способа получения полисахаридного сорбента для снижения антропогенного воздействия на живую природу при аварийных разливах нефти и нефтепродуктов.

Для достижения цели исследования были поставлены следующие задачи:

1. Исследовать химический состав, структурные особенности и физико-химические свойства стержней кукурузных початков современных гибридов в качестве сырья для получения сорбента природоохранного назначения в нефтегазовой отрасли.
2. Провести сравнительную оценку известных способов направленной модификации сорбционных свойств полисахаридного сырья на примере стержней кукурузных початков. Обосновать применение обработки стержней кукурузных початков двуокисью углерода для получения нефтесорбента.
3. Определить параметры процесса обработки стержней кукурузкых початков двуокисью углерода с целью улучшения сорбционных характеристик. Исследовать химический состав, физико-химические, а также сорбционные свойства разработанного сорбента по отношению к нефти и нефтепродуктам.
4. Провести оценку эффективности применения разработанного сорбента в условиях разливов нефти на почве. Разработать рекомендации по применению разработанного сорбента для снижения антропогенной нагрузки на живую природу при разливах нефти и нефтепродуктов на почву и твердые поверхности.
5. Провести анализ эколого-экономической эффективности применения разработанного сорбента.

Научная новизна

1. Установлен химический состав, анатомические особенности стержней початков современных гибридов кукурузы селекции ВНИИСХ им. П.П. Лукьяненко (Россия) и фирмы Pioneer (США), возделываемых в Краснодарском крае.
2. Разработан способ получения сорбента с улучшенными сорбционными характеристиками по отношению к нефти и нефтепродуктам при модификации структуры стержня кукурузного початка двуокисью углерода.
3. Установлены закономерности сорбции нефти и нефтепродуктов разработанным сорбентом.

Практическая значимость и реализация результатов работы

1. Разработана, согласована и утверждена техническая документация ТУ 2165-326-02067862-2011 «Нефтесорбент из стержней кукурузных початков», получена опытно-промышленная партия сорбента на производственном оборудовании ООО «Фирма «Явента» (г. Краснодар).
2. Предложены рекомендации по применению разработанного сорбента для снижения антропогенной нагрузки на почву при ее загрязнении нефтью и нефтепродуктами.
3. Проведена эколого-экономическая оценка эффективности применения результатов исследования. Разработан программный модуль для оценки ущерба при загрязнении почв химическими веществами.
4. Результаты работы внедрены в учебный процесс ФГБОУ ВПО «КубГТУ» и используются при проведении практических занятий по дисциплине «Нормативы по защите среды обитания» для бакалавров по направлению 280700.62 «Техносферная безопасность».

Обоснованность и достоверность результатов, научных положений и выводов, содержащихся в диссертационной работе, подтверждается согласованностью полученных результатов с известными теоретическими и экспериментальными данными. Достоверность экспериментальных данных обеспечивается использованием современных средств измерений и стандартных методик проведения исследований, а также методов статистической обработки данных.

Личный вклад автора заключается в выполнении основного объема теоретических и экспериментальных исследований, изложенных в диссертационной работе, включая постановку цели и задач исследования, выборе методик экспериментов, непосредственном участии в их проведении, анализе и обобщении экспериментальных результатов, формулировании обоснованных выводов, при составлении материалов публикаций и докладов.

Основные положения, выносимые на защиту

1. Результаты исследований химического состава, физико-химических и сорбционных свойств стержней кукурузных початков и сорбентов на его основе.
2. Способ модификации стержней кукурузных початков двуокисью углерода для получения сорбента природоохранного назначения в нефтегазовой отрасли.
3. Результаты исследований закономерностей процессов сорбции нефти и нефтепродуктов разработанным сорбентом.
4. Результаты исследований изменения биологических показателей нефтезагрязненной почвы при применении разработанного сорбента.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы доложены и обсуждены на научно-практической конференции по вопросам охраны окружающей среды Краснодарского края, посвященной 20-летию образования природоохранной службы Краснодарского края (Краснодар, 2008); пятом Московском Международном конгрессе «Биотехнология: состояние и перспективы развития» (Москва, 2009); научно-практической конференции грантодержателей Российского фонда фундаментальных исследований и Администрации Краснодарского края «Вклад фундаментальных научных исследований в развитие современной инновационной экономики Краснодарского края» (Краснодар, 2009); II Всероссийской научной конференции «Проблемы рекультивации отходов быта, промышленного и сельскохозяйственного производства» (Краснодар, 2010); VIII Международной конференции «Биоантиоксидант» (Москва, 2010); III Международной научно-практической конференции молодых ученых «Молодежь и наука XXI века» (Ульяновск, 2010); II Международной научно-практической конференции преподавателей, молодых ученых, аспирантов и студентов, посвященной 50-летию образования РУДН «Инновационные процессы в АПК» (Москва, 2010); VI Всероссийской конференции «Химия и технология растительных веществ» (Санкт-Петербург, 2010); VIII Международной конференции «Сотрудничество для решения проблемы отходов» (Украина, Харьков, 2011); II Международной научно-практической конференции «Интеллектуальный потенциал молодых ученых России и зарубежья» (Москва, 2011); V Международной научно-практической конференции «Современное состояние и перспективы развития пищевой промышленности и общественного питания» (Челябинск, 2011).

Публикации результатов работы. По материалам диссертационной работы опубликовано 18 научных работ, в том числе 5 статей, 3 из которых в рецензируемых журналах, входящих в перечень ВАК РФ, 12 тезисов докладов на международных, всероссийских и региональных конференциях, 1 свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ. Подана заявка на изобретение № 2012109328 от 12.03.2012 г. «Способ получения сорбента».

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, трех глав, заключения, списка использованной литературы и приложений. Основная часть работы изложена на 187 страницах, содержит 63 рисунка, 51 таблицу и 6 приложений. Список литературы включает 164 наименования, в том числе 60 – зарубежных источников.

Автор выражает благодарность доктору технических наук, профессору С.Ю. Ксандопуло.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность научных исследований, сформулированы цель и основные задачи работы, показана практическая значимость и научная новизна.

Первая глава посвящена анализу научно-технической литературы, патентной информации и статистических данных по теме исследования и включает в себя результаты мониторинга загрязнения окружающей среды нефтью и нефтепродуктами, анализ современных методов получения сорбентов полисахаридной природы для ликвидации разливов нефти и нефтепродуктов. Проведен анализ известных направлений использования вторичного сырья переработки кукурузы. С применением экономико-статистических методов проведен анализ объемов переработки кукурузы, в период с 2005 по 2010 гг. В целом за рассматриваемый период с 2005 года базисные показатели темпов прироста валового сбора кукурузы имеют положительные значения, что позволяет характеризовать динамику как общее увеличение производства в России и Краснодарском крае. Установлено, что объемы образования стержней кукурузных початков достаточны для промышленного производства сорбентов.

Во второй главе приведена характеристика объектов, методов исследования, лабораторных установок, использованных для исследований. Объектами исследований были выбраны стержни кукурузных початков (СКП), современных наиболее популярных на Кубани гибридов кукурузы Анютка, Краснодарский 382 МВ, PR39D81 и производственная смесь сельскохозяйственного производственного кооператива (колхоза) "Большевик" Староминского района Краснодарского Края в 2008-2011 гг. В исследованиях использовали нефть двух образцов, полученных на Некрасовском газопромысловом месторождении ГУ-2 (республика Адыгея, Красногвардейский район, хутор Саратовский), моторное масло М-10ДМ, дизельное топливо ГОСТ Р 52368-2005. При проведении экспериментальных исследований состава и свойств объектов исследования использовались стандартные методики. Для проведения опытов использовались образцы почвы - чернозема выщелоченного. В качестве тест-культуры использовали редьку (Brassica rapa), рекомендованную ГОСТ Р ИСО 22030-2009. Экспериментальные исследования биологической активности почвы выполнены в соответствии с известными методами (Звягинцев Д.Г., 1991; Штатнов В.И., 1952). Микроскопические исследования проводили методом электронной растровой микроскопии.

Статистическую обработку экспериментальных данных проводили методом дисперсионного анализа с использованием программы Microsoft Excel и Mathcat 15.0. Для выявления тенденций изменения экономических показателей использовали статистическую обработку динамических рядов.

Третья глава посвящена обработке и анализу полученных экспериментальных данных. Сорбционные свойства полисахаридных сорбентов напрямую зависят от нативных структурных особенностей, химического состава исходного сырья, а также вида последующей модификации. При изучении свойств стержня кукурузного початка (СКП) были выделены три его части, отличающиеся морфологическими свойствами: древесное кольцо (СКП1), соты с чешуйками (СКП2) и сердцевина (СКП3) (рисунок 1).

Изучен химический состав отдельных частей СКП гибридов Анютка, Краснодарский 382 МВ, PR39D81 и производственной смеси. Основные результаты исследований химического состава СКП производственной смеси представлены в таблице 1.

Содержание основных химических компонентов в отдельных частях СКП снижается в следующих последовательностях: для целлюлозы СКП3СКП2СКП1; для гемицеллюлоз СКП1СКП3СКП2; для лигнина СКП1СКП2СКП3; для общей золы СКП2СКП1СКП3.

Таблица 1 - Химический состав отдельных частей СКП (% на а.с.в.)

Образец	Общая зола	Целлюлоза	Гемицеллюлозы	Лигнин	Экстрактивные вещества
СКП1	1,68	34,35	39,41	16,73	7,83
СКП2	2,12	36,05	34,18	16,25	11,4
СКП3	1,56	43,27	39,22	14,69	1,26
Целый СКП	1,71	34,71	35,68	18,04	9,86