remediacja środowiska po ropie.pdf

POLITECHNIKA GDAŃSKA

WYDZIAŁ CHEMICZNY

KATEDRA TECHNOLOGII CHEMICZNEJ

TECHNOLOGIE REMEDIACJI ŚRODOWISKA

LIKWIDACJA ROZLEWÓW SUBSTANCJI ROPOPOCHODNYCH

METODĄ SORPCYJNĄ

INSTRUKCJA DO ĆWICZEŃ LABORATORYJNYCH

Olej" w instrukcji oznacza ropę naftową w każdej postaci łącznie z surową ropą naftową,

olejem paliwowym, szlamem, odpadami olejowymi oraz produktami rafinacji.

1. WPROWADZENIE

Skażenie środowiska substancjami ropopochodnymi jest jednym z najważniejszych

problemów ekologicznych. Przybiera ono różnorodne formy i obejmuje w pierwszym rzędzie

rejony największych skupisk przemysłowych, a także rejony objęte innymi rodzajami

działalności o dużym nasileniu (np. rolnictwo, transport). Przedostawanie się niedostatecznie

oczyszczonych ścieków rafineryjno-petrochemicznych do gleb i gruntów, otwartych

zbiorników wodnych oraz awarie tankowców mogą powodować poważne następstwa,

wynikające z silnie toksycznego i kancerogennego charakteru tych substancji.

Zgodnie z konwencją o ochronie środowiska morskiego obszaru Morza Bałtyckiego

sporządzoną w Helsinkach dnia 9 kwietnia 1992 r. Polska zobowiązała się m.in. do podjęcia

właściwych środków zapobiegających i eliminujących zanieczyszczenia w celu popierania

odnowy ekologicznej obszaru Morza Bałtyckiego i zachowania jego równowagi ekologicznej.

"Zanieczyszczenie" oznacza wprowadzenie przez człowieka, bezpośrednio lub pośrednio do

morza, łącznie z ujściami rzek, substancji lub energii, które mogą stwarzać zagrożenie dla

zdrowia człowieka, niszczyć żywe zasoby i morskie ekosystemy, stwarzać utrudnienie w

dozwolonym użytkowaniu morza łącznie z rybołówstwem, pogarszać jakość użytkowanej

wody morskiej oraz prowadzić do zmniejszenia walorów rekreacyjnych morza.

2. ZACHOWANIE SIĘ OLEJU NA POWIERZCHNI MORZA

Znajomość zjawisk zachodzących po rozlaniu oleju na powierzchni morza jest jednym

z podstawowych warunków przeprowadzenia skutecznej akcji ratunkowej.

• Ropa naftowa składa się z wielu rodzajów węglowodorów, od lotnych frakcji

niskocząsteczkowych do wielkocząsteczkowych związków asfaltowych. Lotne składniki

ropy naftowej są tracone bardzo szybko poprzez odparowanie . Największy procent

składników odparowuje w ciągu pierwszych godzin od chwili rozlania się oleju na morzu.

Odparowaniu lżejszych frakcji olejowych sprzyja duża powierzchnia plamy oraz siły

ścinające. Po odparowaniu lekkich składników rośnie lepkość pozostałej frakcji.

W rzadkich przypadkach dochodzi do tonięcia pewnej części rozlanego na morzu oleju po

odparowaniu jego lotnych części.

• Olej, który dostał się do wody, rozprzestrzenia się po jej powierzchni z szybkością zależną

od rodzaju i właściwości związków chemicznych stanowiących zanieczyszczenie oraz

warunków zewnętrznych (siła wiatru, stan morza, temperatura otoczenia, itp.). Lekkie

frakcje ropy naftowej rozprzestrzeniają się szybko, oleje ciężkie maja skłonność do

łączenia się w bryły. Prędkość rozprzestrzeniania się oleju jest największa w początkowej

fazie i spada znacznie, gdy grubość warstwy sięga kilku milimetrów. Na prędkość

rozprzestrzeniania się oleju ma również wpływ tworzenie się emulsji olejowo-wodnej

o lepkości większej niż lepkość samego oleju.

• Rozlany olej może w krótkim czasie ulec dyspersji w wodzie morskiej, tworząc trudno

rozbijalną emulsję, zawierającą 40-80 % wody. Zjawisku powstawanie tej emulsji zwanej

„musem czekoladowym”, towarzyszy znaczny wzrost lepkości. Emulgowanie oleju jest

wynikiem działania sił ścinających i zachodzi tym szybciej im bardziej wzburzone jest

morze.

• Węglowodory wchodzące w skład ropy naftowej mogą ulegać biodegradacji . Stopień

biologicznego rozkładu oleju zależy od złożoności jego budowy chemicznej oraz od

obecności odpowiednich pożywek (gł. N, P, O) i temperatury. W praktyce dla rozkładu

1 litra ropy naftowej potrzeba tlenu zawartego w 400 000 litrach wody morskiej.

Biodegradacja zachodzi na powierzchni rozdziału fazy wodnej i olejowej.

• Rozpuszczalność ropy naftowej w wodzie jest bardzo niska, stąd też ilość oleju tracona

w ten sposób jest niewielka. Część oleju może natomiast ulec rozpuszczeniu drogą

fotoutleniania. Czynnikami sprzyjającymi fotoutlenianiu są światło słoneczne i obecność

tlenu. Efekt końcowy jest wprost proporcjonalny do powierzchni filmu olejowego, sam

zaś proces jest bardzo powolny. Olej ulega także częściowemu rozpuszczeniu w wyniku

biodegradacji. Produkty pośrednie (foto-) i biodegradacji mogą być mianowicie bardziej

hydrofilowe niż ropa.

3. METODY ZWALCZANIA ROZLEWÓW OLEJOWYCH NA MORZU

Stosuje się następujące metody zwalczania rozlewów olejowych na morzu: spalanie, topienie,

sorbowanie, rozpraszanie i zbieranie oleju.

• Spalanie ropy na powierzchni morza . Jest to możliwe dopóki ropa jest świeża,

zawiera lotne składniki i jej warstwa na powierzchni jest dostatecznie gruba.

Spalanie nigdy nie zachodzi do końca, a jako produkty uboczne powstają

wielopierścieniowe węglowodory aromatyczne. Spalenie oleju może być skuteczne,

gdy ropa skupi się w postaci grubej warstwy przy brzegu (niska temperatura utrudnia

odparowanie) i nie utworzy się emulsja olejowo-wodna.

• Zatapianie produktów naftowych polega na pokrywaniu rozlanej na powierzchni

morza plamy olejowej rozdrobnionym materiałem, który wiążąc się fizycznie z olejem

zwiększa jego ciężar właściwy, powodując tym samym jego toniecie. W praktyce

wypróbowano bardzo wiele różnych substancji, np. gips, żwir, sproszkowany koks,

piasek. Metoda ta obarczona jest wieloma wadami m.in. pozostawianie zatopionego

oleju w środowisku morskim, trudności w rozpylaniu materiału zatapiającego w czasie

wietrznej pogody, możliwość wypływania ropy po pewnym czasie od zatopienia,

pokrycie dna morza nierozpuszczalnym osadem, możliwość przemieszczania się

osadu w inne rejony pod wpływem prądów przydennych itp. Jest to metoda nie

zalecana, a jej stosowanie ogranicza się tylko do uzasadnionych przypadków.

• Sorbowanie produktu naftowego pływającego po powierzchni wody polega na

zastosowaniu pływających materiałów pochłaniających, które sorbując olej ułatwiają

zebranie. Materiały sorpcyjne, zwane też aglomerującymi, maja na celu zapobieganie

rozprzestrzenianiu się oleju na wodzie oraz ułatwienie jego zbierania metodami

mechanicznymi. Stosowanie sorbentów jest przydatne głównie na wodach

ograniczonych i przybrzeżnych. Zbieranie nasyconych olejem sorbentów na pełnym

morzu jest trudne, a w warunkach wzburzonego morza niemożliwe.

• Dyspergowanie oleju może być stosowane tylko do usuwania resztkowego filmu

olejowego. W tym celu stosuje się mieszaniny emulgatorów (związków

powierzchniowo czynnych) sproszkowanych lub zmieszanych z rozpuszczalnikami

mieszającymi się z olejem. Drugim etapem jest mechaniczne wzburzenie powierzchni

wody pokrytej olejem. Pozwala to na usuniecie oleju z powierzchni wody,

zmniejszenie zagrożenia dla ptactwa, zwiększenie intensywność procesu

biodegradacji, zmniejszenie przyczepności oleju do powierzchni, z którymi styka się

woda morska (np. budowle portowe). Jednak produkowane emulgatory często są

toksyczne dla organizmów wodnych, w związku z tym opóźniają mikrobiologiczny

rozkład oleju, występują trudności w rozpylaniu emulgatorów w czasie wietrznej

pogody, wysoki koszt metody.

• Zbieranie oleju z powierzchni wody jest najkorzystniejszą z punktu widzenia

ochrony środowiska morskiego metodą zwalczania rozlewów olejowych, ponieważ

prowadzi do usunięcia oleju z ekosystemu morskiego. Zbieranie przebiega zwykle

w kilku etapach:

I etap: Ustawienie zapór i barier pływających (Rys.1), ma na celu:

- uniemożliwienie lub ograniczenie rozprzestrzeniania się plamy ropy na

powierzchni morza,

- ułatwienie mechanicznego zbierania ropy,

- ochronę przed zanieczyszczeniem terenów przybrzeżnych,

- zmniejszenie zagrożenia pożarowego obiektów portowych i statków

znajdujących się poza zaporą.

Stosuje się lekkie, wykonane z tworzywa sztucznego zapory pływające lub zapory zatapiane,

które dzięki obecności metalowych obciążników zanurzone mogą być do głębokości około 1

II etap: Mechaniczne zebranie oleju z powierzchni wody . Celem jest usuniecie jak

największej ilości oleju z jak najmniejsza ilością wody. Stosuje się łapaczki olejowe – statki

zbierające olej z powierzchni wody. Na ich pokładzie następuje separacja fazy wodnej od

olejowej (grawitacyjna lub odśrodkowa), woda zawracana jest do morza. Stosuje się też

urządzenia wyposażone w hydrofobowe zgarniacze, kolektory, które zbierają cienki film

z powierzchni wody.

Niestety pływające bariery i urządzenia do wychwytywania ropy z powierzchni morza mogą

być skuteczne tylko w basenach portowych lub na spokojnym morzu. Umiarkowane

falowanie powoduje, że ropa przedostaje się przez pływające bariery, a nawet mała jej plama

stanowi potencjalne zagrożenie dla ptaków, natomiast urządzenia podczas falowania zbierają

zarówno wodę jak i olej.

III etap: Doczyszczanie powierzchni wody umożliwia usuniecie resztek oleju przy użyciu

zapór sorpcyjnych wypełnionych sorbentami naturalnymi lub syntetycznymi (Rys.1).

Często podczas prowadzenia akcji ratunkowej stosuje się, kilka z wymienionych metod.

Wybór oraz uzyskany efekt zależą w znacznym stopniu od rozmiarów rozlewu, charakteru

wód, ich rozciągłości oraz od warunków meteorologicznych.

Rys. 1. Przykłady zapór stosowanych w likwidacji rozlewów olejowych – A: zapora

elastyczna płaszczowa, B: zapora sorpcyjna

4. SORBENTY W LIKWIDACJI ROZLEWÓW OLEJOWYCH

Spośród szeregu metod likwidacji na uwagę zasługuje zastosowanie sorbentów, ze

względu na ich dostępność, łatwe zastosowanie, nietoksyczność dla środowiska oraz cenę.

Sorbentami, w ratownictwie chemicznym, określa się ciała stałe, o rozwiniętej powierzchni

właściwej, wykorzystywane do zbierania rozlewów cieczy niebezpiecznych. Rozporządzenie

Ministra Spraw Wewnętrznych i Administracji z dn. 29 grudnia 1999 r. w sprawie

szczegółowych zasad organizacji Krajowego Systemu Ratowniczo – Gaśniczego przewiduje,

że działanie organizacji ratownictwa chemicznego i ekologicznego obejmuje m.in.

związywanie substancji niebezpiecznej sorbentami.

Stosowanie sorbentów jest przydatne nie tylko w likwidacji skażeń na powierzchni

wód, ale również w usuwaniu małych skażeń gruntowych gdy niemożliwe jest stosowanie

zbierania mechanicznego, lub w sytuacjach gdy należy usunąć pozostałości toksycznej cieczy

i dokładnie oczyścić teren skażony po uprzednim zastosowaniu zbierania mechanicznego,

a także w celu zapobiegania jej dalszemu rozprzestrzenianiu się poprzez budowanie

sorbentowych wałów osłonowych.

Działanie sorbentów jest dwojakiego rodzaju:

- wchłaniają one rozlany olej wiążąc go trwale w porach, tak że może on być podjęty

z wody,

- powodują aglomerację rozlanego oleju utrudniającą jego dalsze rozprzestrzenianie się,

a tym samym ograniczają zasięg rozlewu olejowego.

Sorpcja jest fizyczną metodą usuwania olejów, w której substancje dodane mają na celu

absorpcję i adsorpcję oleju. Pod pojęciem absorpcji rozumie się objętościowe zatrzymywanie

oleju wewnątrz porów oraz pustych miejsc substancji chłonnej. Fizyczne pokrywanie olejem

powierzchni materiału sorpcyjnego stanowi o adsorpcji . Większość materiałów sorpcyjnych

łączy w sobie te dwa mechanizmy.

Siła adhezji olejów lub wody do ciała stałego zależy od własności powierzchni czynnika

sorbującego oraz natury oleju. Powierzchnia materiału dobrze sorbującego olej musi być

hydrofobowa i oleofilowa.

Rys. 2. Stosowanie sorbentów w ratownictwie chemicznym

Wiele naturalnych sorbentów organicznych posiada pożądane właściwości powierzchni

w celu sorbowania oleju. Naturalne węglowodory, główny składnik tych materiałów

pozwalają olejom zwilżać sorbent i tym samym zmniejszać sorpcję wody. Efektywność

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

Inne foldery tego chomika: