Подготовка школьников к проектно-исследовательской деятельности на основе реализации stem-технологий

Применение искусственного водоворота для очистки
поверхности воды от нефтяной пленки.
Цель: разработать способ очистки водной поверхности от нефтяной
пленки, оставшейся после сбора нефтепродуктов.
Задачи. 
1. Изучить способы очистки водной поверхности от нефтепродуктов
2. Спроектировать и собрать действующую модель установки для
создания искусственного водоворота и сбора нефтяной пленки.
Одной из глобальных проблем современности является проблема охраны
природы, особенно охраны водных ресурсов Земли от антропогенного
загрязнения. Наибольший вред водоёмам наносят разливы нефти. В связи с
ростом в последние десятилетия добычи нефти во всём мире количество
аварийных её разливов сильно увеличилось. Аварии происходят как на
нефтедобывающих платформах на шельфе, так и при транспортировке
нефтепродуктов. Нефть, как правило, попадает в водоёмы, нанося ущерб
природе и экономике.
В нашей работе мы рассматриваем проблемы ликвидации последствий
разливов нефти в воде. Высказано предположение о возможности применения
некоторых свойств водоворота (вихря в воде) для очистки воды после
экологических катастроф. Описан лабораторный эксперимент по созданию
модели вихря в водой – водоворота. В основу эксперимента положены ранее
известные опыты по получению «смерча» в стакане с нижним положением
активатора. Для изучения свойств водоворота проведены опыты с
пластиковыми шариками и растительным маслом.
Способы ликвидации разливов нефти на водной поверхности
Были рассмотрены следующие способы очищения воды от
нефтепродуктов.
62

1) Механический метод
Сущность механического метода состоит в том, что нефть удаляется из
воды путем её отстаивания и фильтрации с последующим её улавливанием
специальными устройствами - нефтеловушками, бензомаслоуловителями,
отстойниками или вручную. Нефть не смешивается с водой и образует на
поверхности масляное пятно. Механическая очистка позволяет выделять из
бытовых вод до 60-75% нерастворимых примесей, а из промышленных до 95%.
Сложность сбора нефти с водной поверхности заключается в том, что нефть
разливается тонким слоем. При ее сборе неминуемо захватывается и вода.
Проблема со сбором нефти вручную состоит в том, что для того, чтобы
эффективно собрать нефть необходимо, чтобы ее было много, т.е. чтобы она
лежала на поверхности толстым слоем, а это случается крайне редко при
крупных техногенных катастрофах.
2) Химический метод
Химический метод очистки от нефти заключается в том, что в воду
добавляют различные химические реагенты, которые вступают в реакцию с
нефтью и осаждают её в виде нерастворимых осадков. Химической очисткой
достигается уменьшение нерастворимых примесей до 95% и растворимых до
25%. Данный способ заключается в основном, либо к созданию на поверхности
нефтяного пятна с помощью поверхностно-активных веществ и эмульгаторов
водонефтяных эмульсий, либо к поглощению нефти различного типа
адсорбентами, например, алюмосиликатными микросферами или оксидом
алюминия и последующее выжигание нефти из пор сорбента путём горения.
Адсорбционная способность алюмосиликатов составляет 800 мг/г (470 мг/см3).
Степень очистки воды от нефти этим способом достигает не менее 98%, но это
метод лимитируется площадью очага нефтяного заражения. Метод применим
для очистки локализованного количества воды от нефти.
3) Физико-химический метод
При физико-химическом методе очистки воды от нефти из воды
удаляются тонко дисперсные и растворенные примеси и разрушаются
63

органические и плохо окисляемые вещества нефти. Чаще всего из физико-
химических методов применяется коагуляция, окисление, адсорбция,
экстракция кавитация и т.д.
В качестве абсорбента нефти также можно применять тонко размолотый
порошок активированного угля. Он равномерно напыляется на нефтяное пятно,
и оно сразу перестает растекаться. Нефть, успевшая смешаться с водой и
ставшая негорючей, вскоре приклеивается к угольным частицам. После этого
пленку можно снять и переработать (сжечь смесь угля с нефтью хорошо горит).
Можно также использовать и пенополиуретан, который поглощает массу нефти
в 18 раз превышающую его собственную массу. Также можно налить на
поверхность нефтяного пятна расплавленный парафин. При отвердевании он
захватит нефть, а твёрдую массу можно затем собрать механическим способом.
Также эффективно использование эмульгаторов и поверхностно-активных
веществ ПАВ, которые способны переводить нефть в эмульсии, ускорять
процессы ее биохимического разрушения и даже ослаблять ее токсическое
влияние. Одним из новых методов борьбы с нефтью является модификация
физических свойств поверхностной нефтяной пленки, с целью придания ей
магнитных свойств путем введения в нее специально ферро магнитного
порошка ФЕР-3 на основе оксида железа, с последующим ее сбором при
помощи магнитной ловушки. Однако, при всех его экологических и
технических преимуществах, этот метод не получил широкого распространения
ввиду отсутствия магнитных порошков, оптимально решающих данную задачу.
Экспериментально в лабораторных условиях был апробирован способ
модификации физических свойств поверхностной нефтяной пленки (до 1
кг/м2). Порошок ФЕР-3 распылялся при помощи пневмораспылительного
устройства. В течение 5-15 мин распыленный ферро магнитный порошок
сорбирует нефтепродукты (2¸6 г НП на 1г ФЕР-3), образуя суспензию с ярко
выраженными магнитными свойствами (аналог слабых магнитных жидкостей).
Вследствие магнитного взаимодействия суспензия коагулирует в крупные
глобулы, освобождая от пленки нефти значительную часть поверхности (до
64

80%). Образовавшуюся суспензию можно легко собирать механическим путем
или с помощью магнитной ловушки. Текучесть суспензии позволяет для
регенерации магнитного порошка применять метод сепарации.
Как правило, после сбора на поверхности воды остаётся нефтяная плёнка.
Остаточную плёнку ликвидируют физико-химическим методом с помощью
диспергентов и сорбентов или биологическим методом с использованием
углеводородокисляющих микроорганизмов или биохимических препаратов.
Это дорогостоящие или трудоёмкие методы. Кроме того, диспергенты
токсичны и могут нанести вред окружающей среде. Следовательно, самыми
безвредными и простыми для применения могут быть механические способы
ликвидации остаточных нефтяных плёнок. В настоящее время для сбора
разлитой по поверхности воды нефти используют высокомощные насосы,
снабженные гибкими плавучими рукавами и сплющенными насадками для
забора поверхностной пленки. Но даже если нефть собрана в заграждении, она
образует очень тонкую пленку, которую трудно удалить без захвата большого
количества воды. Кроме того, вибрация рукавов и насадок при волнении и даже
при легкой зыби сильно осложняет сбор нефти.
Решение данной задачи пришло неожиданно. Киты питаются планктоном
- мелкими рачками, моллюсками, различными личинками, дрейфующими в
теплых слоях океана. Чтобы большой синий кит наелся досыта, нужно около 1
тонны планктона. Кит не просто заглатывает воду с этими рачками. Он
предварительно устраивает водоворот. Обнаружив скопление планктона, кит
ныряет под него, метров на 20 - 30. Затем он начинает плыть по кругу,
образуется водоворот, в котором облако планктона сжимается до относительно
небольших размеров. И уже это сжатое облако кит захватывает ртом и затем
процеживает ее сквозь китовый ус, как через сито. Вода уходит, пища остается.
Мы предлагаем использовать свойство вихря разделять различные по
плотности вещества. Для проверки своей гипотезы нам потребовалось создать
в лабораторных условиях модель вихря с водой – водоворот.
65

жүктеу/скачать 0.67 Mb.

Достарыңызбен бөлісу: