Ученые разработали экологически безопасный реагент для удаления нефтяных разливов в условиях Арктики. За основу авторы взяли фосфолипиды — молекулы, из которых состоят оболочки всех живых клеток, — и спирт изобутанол. В эксперименте предложенный состав позволил всего за минуту уменьшить площадь нефтяного пятна на 89–93% как при комнатной (22°С), так и при пониженных (0°С и 7°С) температурах. Благодаря этому новый реагент может стать эффективным средством очистки арктических морей от нефтяных разливов.
Результаты исследования, поддержанного грантом Российского научного фонда (РНФ), опубликованы в журнале Marine Pollution Bulletin.
В арктических морях активно осваиваются месторождения нефти, при этом деятельность по добыче и транспортировке этого сырья связана с риском нефтяных разливов. Нефтяные пятна могут нанести значительный вред и так чувствительным к человеческой деятельности водным экосистемам. Это связано с тем, что нефть оказывает токсический эффект на рыб и других морских обитателей, а также ухудшает поступление кислорода в воду. Поэтому для Арктического региона особенно актуальны технологии очистки морей от нефтяных разливов.
Ученые из Российского государственного университета нефти и газа (национального исследовательского университета) имени И.М. Губкина (Москва), Федерального исследовательского центра Красноярский научный центр СО РАН (Красноярск), Института нефтехимического синтеза имени А.В. Топчиева РАН (Москва) и Института общей и неорганической химии имени Н.С. Курнакова РАН (Москва) разработали экологически чистые реагенты-собиратели нефти и нефтепродуктов, которые сокращают площадь разливов, стягивая тонкую нефтяную пленку на воде до толщины, при которой ее можно собрать специальными устройствами — скиммерами — или сжечь.
Готовый реагент состоит из фосфолипидов, выделенных из измельченных соевых бобов — дешевого и доступного сырья, — и изобутилогового спирта. Фосфолипиды — соединения, из которых состоят оболочки (мембраны) любых живых клеток. Полученный реагент легко разлагается в окружающей среде, а потому не приводит к ее загрязнению.
Авторы смоделировали нефтяной разлив, вылив образец нефти в контейнер с водой комнатной температуры (около 22°С) и охлажденной до 0°С и 7°С. После того, как нефтяные пятна растеклись по поверхности воды, исследователи нанесли на воду синтезированный реагент.
Эксперимент показал, что уже в течение одной минуты после нанесения реагент уменьшил площадь нефтяного пятна на 93% при комнатной температуре и на 89% при охлаждении. При этом толщина нефтяной пленки за счет ее сжатия в более плотный слой увеличилась в 1,6–2,6 раза (с 0,1 до 1,6–2,6 миллиметров). При такой толщине нефтяной пленки ее уже можно удалить с поверхности воды нефтесборной техникой или, не извлекая, сжечь на месте разлива. Поэтому реагенты, способные увеличить толщину пленки до 1 миллиметра и более, считаются эффективными. Когда ограничить распространение нефтяного пятна плавучими боновыми заграждениями невозможно, единственный способ увеличить толщину нефтяной пленки — применение реагентов-собирателей нефти.
Изменение толщины нефтяной пленки после добавления реагента при 0°С, 7°С и 22°С. Источник: Morozov et al. / Marine Pollution Bulletin, 2024.
Кроме того, авторы впервые изучили методами магнитно-резонансной томографии (МРТ) и ядерного магнитного резонанса (ЯМР), как реагент влияет на взаимодействие нефти с водой и образование льда в месте разлива. Эти подходы позволили определить, что присутствие реагента-собирателя нефти меняет внутреннюю структуру и текстуру поверхности льда под нефтяным пятном, а также его теплофизические свойства.
Так, в образцах воды с нефтью, но без реагента в процессе замерзания образовалось характерное «бутылочное горлышко». Это ситуация, когда по мере превращения воды в лед еще не замерзшая вода выдавливается образующимися кристаллами льда в направлении движения фронта замерзания. При использовании реагента структура льда оказалась иной из-за того, что вытесняемая вода не «выдавливалась», а замерзала внутри поликристаллической структуры льда. Понимать, как реагенты влияют на замерзание и оттаивание нефти и воды важно, поскольку эти процессы играют значительную роль в балансе солености, циркуляции воды в океане, экологии морских обитателей, отражении солнечного света, тепло- и массообмене в атмосфере.
По эффективности наш реагент превосходит большинство известных соединений для удаления разливов нефти, при этом имеет важное преимущество — он экологичен, поскольку относится к быстроразлагаемым реагентам. В дальнейшем мы планируем протестировать новый состав для удаления нефтяных пятен в природных условиях, чтобы учесть все имеющиеся в естественной среде факторы, например, ветер и течения.
- Делгир Санджиева, кандидат химических наук, старший научный сотрудник ИНХС РАН, доцент кафедры общей и прикладной химии РГУ нефти и газа (НИУ) имени И.М. Губкина
Фото на обложке: соавтор исследования — аспирантка Баира Убушаева. Источник: Делгир Санджиева, предоставлено РНФ
