حذف نشت نفت احتمالی از دریاچه و حفظ محیط زیست

2.1 مکانیسم آلودگی نشت نفت در بدنه های آبی

هنگامی که روغن به داخل یک بدنه آب آزاد نشت می کند، یک لایه نازک روی سطح آب تشکیل می دهد. در مورد بادهای قوی و جریان های قوی، لایه نفت می تواند به سرعت منطقه نسبتا زیادی را پوشش دهد. به عنوان مثال، 1 تن نفت می تواند منطقه ای تا 12 کیلومتر ^مربع را با لایه ای به ضخامت 1 میلی متر پوشش دهد [ 11 ]. لایه ایجاد شده تحت تأثیر عوامل مختلفی مانند باد، امواج، جریان های آب، نور UV، وجود انواع مختلف میکروارگانیسم ها قرار می گیرد و فرآیند هوازدگی نفت رخ می دهد [ 11 ، 12 ، 13 ]. هوازدگی فرآیندی است که در آن روغن نشت‌شده به تدریج بسته به شرایط محیطی فعلی از نشت قالب‌بندی شده از بین می‌رود. فرآیند هوازدگی را می توان به عنوان ترکیبی از تغییرات فیزیکی و شیمیایی مختلف مانند تبخیر، پراکندگی، امولسیون، رسوب، حباب نفت به ستون آب، تجزیه زیستی [ 11 ، 12 ، 13 ] درک کرد. مطالعه در سال 1992 در منطقه حادثه اکسون والدز نشان می دهد که 20 درصد نفت تبخیر شده، 50 درصد تجزیه زیستی، 14 درصد پاکسازی شده، 13 درصد در رسوبات جزر و مدی، 2 درصد در خطوط ساحلی و کمتر از 1 درصد باقی مانده است. آب [ 1 ، 14 ].

سرعت فرآیند هوازدگی به میزان قابل توجهی به استحکام و انسجام لایه روغن روی سطح بستگی دارد. یان و همکاران [ 12 ] نیروهای مؤثر بر توانایی جذب مواد نفتی به ستون آب را مورد مطالعه قرار داد. از نظر آنها تفاوت بین کشش سطحی آب و روغن و ویسکوزیته روغن تعیین کننده است. امواج روی سطح آب روی لایه روغن اثر می‌گذارند و آن را می‌شکنند. یک موج قوی می تواند کار کند، اما امواج تکراری ضعیف تر نیز موثر هستند. یک “ساندویچ” آب و روغن رخ می دهد، لایه روغن نازک تر می شود تا زمانی که از هم بپاشد [ 12 ، 13 ].

آلودگی نفتی آب دریا نیز بر شکل گیری و خواص برف دریایی تأثیر می گذارد [ 15 ]. پس از حادثه Deepwater Horizon (2010)، تشکیل بالای برف دریایی در خلیج مکزیک مشاهده شد. پاسو و همکاران [ 15 ] سه راه ممکن برای تشکیل برف دریایی را فرض کنید: افزایش تولید تارهای مخاطی توسط باکتری های تجزیه کننده نفت همراه با ذرات نفت شناور روی سطح. انعقاد ذرات نفت حاصل از برهمکنش نفت با ذرات رسوب‌کننده. انعقاد فیتوپلانکتون با قطرات روغن به دانه های بزرگتر. آنها همچنین خاطرنشان کردند که نفت به طور قابل توجهی بر غرق شدن و شکسته شدن برف دریایی تأثیر می گذارد، در حالی که شرایط محیطی نیز تأثیر می گذارد. برف در محیط طبیعی خلیج مکزیک که بیشتر از ذرات نفت و مخاط با چگالی کم تشکیل شده بود، در حدود یک ماه پس از ظهور ناپدید شد، در حالی که در شرایط نگهداری آزمایشگاهی در تاریکی و در دمای حدود 4 درجه سانتیگراد، بر روی زمین باقی ماند. سطح تا 2 سال [ 15 ].

2.2 مواد نفتی در محیط آبی

تغییر در خواص فیزیکی و شیمیایی به طور قابل توجهی تحت تأثیر مواد روغنی آزاد است که یک لایه روغن روی سطح ایجاد می کند که باعث کاهش انتقال اکسیژن به آب می شود. فرآیند دیگری که در آن اکسیژن از آب پمپ می شود، اکسیداسیون میکروبی آلودگی نفتی است. نتیجه هر دو فرآیند تغییر در غلظت اکسیژن محلول است که باعث تغییر در روند واکنش های شیمیایی در فرآیند فتوسنتز می شود که برای زندگی موجودات آبزی بسیار نامطلوب است، جلبک ها و سایر پلانکتون ها به شدت تحت تأثیر قرار می گیرند. 16 ].

ترکیب شیمیایی روغن بسیار متغیر است، آلکان های مستقیم و منشعب، آلکن ها، ترکیبات معطر، ترکیبات اکسیژن و گوگردی و به مقدار کم نیز ترکیبات نیتروژنی و برخی فلزات وجود دارد. هیدروکربن های آروماتیک چند حلقه ای حضور قابل توجهی دارند که دارای اثرات سمی، سرطان زا و جهش زا هستند. هر چه آسانترها در لایه روغن روی سطح باقی بمانند یا در ستون آب پراکنده شوند، ته نشین شدن آنها در رسوبات دشوارتر است و نشان دهنده خطرات پنهان طولانی مدت است. دانستن محل و ماندگاری این مواد در طبیعت بسیار مهم است [ 16 ، 17 ]. هنگام تجزیه و تحلیل ترکیب، می توان بر روی برخی از مواد خاص تمرکز کرد یا کل گروه را طبق روش های هنجاری نظارت کرد، به عنوان مثال، PAHs یا مواد غیرقطبی قابل استخراج (NES) [ 16 ].

حد غلظت قابل قبول این ترکیبات را می توان با استفاده از سنجش زیستی بر روی ارگانیسم های حساس انتخاب شده مناسب تعیین کرد. مطالعات اکوتوکسیکولوژیک تأثیر اثرات مضر مواد شیمیایی بر موجودات زنده را نشان داده است [ 18 ] و یکی از ابزارهای اصلی مناسب برای ارزیابی اثرات ترکیبات شیمیایی خاص بر اجزای محیطی است. برای آزمایش‌های سمیت حاد و مزمن، موجودات آزمایشی مانند ماهی، دافنی، موش‌ها، پرندگان و دانه‌ها گزینه‌های مناسبی هستند [ 19 ]. بذر گیاهان مناسب به دلیل قیمت پایین و حساسیت خوب (جوانه زنی)، آزمایش های سم شناسی مهمی برای ارزیابی اثرات مواد سمی یا بازدارنده های آلی هستند [ 20 ]. Tamada [ 21 ] تجزیه پذیری زیستی را با آزمایش های تنفس سنجی کنترل کرد و سطوح مختلف سمیت روغن های روان کننده را با استفاده از آزمایش های سم شناسی مقایسه کرد. آزمایش ها با استفاده از کرم های خاکی (آیزنیا آندری، دانه آروگولا (اروکا ساتیواو دانه کاهو (لاکتوکا ساتیوا) در روغن های روان کننده معدنی، مصنوعی و استفاده شده برای دوره های مختلف تجزیه زیستی آنها در خاک. برای اندازه گیری غیرمستقیم تجزیه زیستی آلاینده ها از تست سمیت استفاده شد. ثابت شد که روغن روان کننده استفاده شده سمی ترین است. روغن های معدنی و مصنوعی به طور موثر در خاک متابولیزه شدند، اگرچه پس از 180 روز هنوز سمی بودند [ 21 ]. سکوتی و آگیوس [ 22 ] در کار خود نتایج مطالعه ای را ارائه کردند که در آن با موفقیت از ارگانیسم های آزمایشی مانند جلبک ها، صدف های مرواریدی و ماهی برای ارزیابی خواص اکوتوکسیولوژیکی روغن های مختلف، از جمله روغن های زیستی جدید – قبل از استفاده و استفاده شده – پس از 1000 ساعت استفاده در محیط آبی. Bordulina [ 23 ] نتایج آزمایش‌های آزمایشگاهی را گزارش می‌دهد، جایی که آنها تأثیر غلظت‌های مختلف روغن در محیط آبی را بر جلبک‌ها مورد مطالعه قرار دادند.کلرلا ولگاریسبیجر و آبلهدافنیا مگنااستراوس در نمونه های مدل آنها دریافتند که با افزایش غلظت روغن، بقای موجودات مورد آزمایش کاهش می یابد. مارتینز [ 24 ] پس از یک آزمایش 48 ساعته آسیب سمی حاد به دافنی پیدا کرد. نویسندگان، Bordulina [ 23 ] و Hybská و همکاران. [ 25 ]، تایید کرد که با افزایش غلظت روغن در آب، میزان بقای آبلون کاهش می‌یابد. آنها دریافتند که در غلظت 0.2 میلی گرم روغن در 1 لیتر آب، صرف نظر از منشأ آن (روغن معدنی و زیستی – روغن آفتابگردان)، تفاوتی در تعداد افراد بی حرکت وجود ندارد [ 24 ، 26 ].

3.1 رونق مهار نفت

عملکرد اصلی بوم مهار نشت نفت “بستن” نشت نفت و جلوگیری از پخش بیشتر و شناور کردن روغن به سطح بزرگتر است. این به محافظت از سواحل یا اکوسیستم های گرانبها در برابر آلودگی کمک می کند. بوم محفظه روغن نشان دهنده یک مانع فیزیکی است که از مهار و غلظت آلاینده های نفتی شناور برای جمع آوری آنها اطمینان می دهد. معمولاً اولین منبعی است که به کار گرفته می شود و آخرین منبعی است که هنگام حل یک حادثه حذف می شود [ 1 ، 14 ].

بوم های محفظه نفت در اشکال، اندازه ها و طول های مختلفی از کوچکتر و سبکتر طراحی شده برای استفاده دستی برای مقابله با نشتی های کوچکتر تا قوی و بزرگ طراحی شده برای استفاده در دریای آزاد با استفاده از کشتی ها و جرثقیل های کشتی طراحی شده اند ( شکل های 3 و 4 ). به طور کلی، همه آنها از بخش های اساسی زیر تشکیل شده اند [ 14 ].

• تخته آزاد شناور بالای سطح آب حاوی روغن است و از بریده شدن آن جلوگیری می کند

• دامن زیر سطحی زیر سطح

• طناب یا زنجیر برای تثبیت بوم

اثربخشی بوم های مهاری به طور قابل توجهی با حرکت آب بر روی جریان و شرایط اطراف (جریان ها، امواج، باد) تعیین می شود. بوم باید به اندازه کافی انعطاف پذیر باشد تا در برابر حرکت آب مقاومت کند و تا حد امکان روغن را حفظ کند [ 3 ، 14 ].

3.2 کفگیرهای روغنی

گام بعدی در فرآیند پاکسازی پس از مهار نشت نفت، بازیابی هر چه بیشتر مواد نفتی از محیط آبی است. اسکیمرهای روغن برای جمع آوری روغن از سطح آب در نظر گرفته شده است. کفگیرهای روغنی دستگاه هایی هستند که روی سطح شناور هستند و مواد روغنی را جمع آوری می کنند [ 14 ، 29 ]. آنها از دو قسمت تشکیل شده اند: دستگاهی که کفگیر روغن را روی سطح نگه می دارد و خود قسمت جمع کننده. بسته به شرایط، به ویژه ناهمواری آب اطراف، می توان از کفگیرهای خودکششی استفاده کرد، کفگیرهایی که از ساحل یا از کشتی کنترل می شوند. بر اساس ساخت، ما در مورد [ 29 ] صحبت می کنیم:

• کفگیرهای سرریز ( شکل 5 ) – آنها روغن را از سطح آب از طریق سرریز حذف می کنند. عیب آن این است که همزمان مقدار نسبتاً زیادی آب را جمع آوری می کنند و همچنین حتی زمانی که روغن دیگر وجود ندارد آب را جمع آوری می کنند.

• کفگیرهای درام یا دیسکی ( شکل 6 ) – آنها روغن را از سطح بر اساس اصل چسبندگی به دیسک های فلزی یا پلاستیکی یا تسمه های اولئوفیل یا طناب ها جمع آوری می کنند.

روغن جمع‌آوری‌شده معمولاً در یک مخزن نگهدارنده ذخیره می‌شود یا به یک دستگاه ذخیره‌سازی موقت اضافی نیاز است. در برخی موارد، برای حفظ توانایی خوب روغن جمع آوری شده، لازم است تا مخازن را گرم کرد. اثربخشی بازیافت روغن از طریق کفگیر با سرعتی که کفگیر می تواند روغن را جمع آوری کند و نسبت آب به روغن را به حداقل می رساند تعیین می شود [ 14 ]. عملکرد کفگیرها می تواند به طور قابل توجهی وقوع مواد خارجی شناور روی سطح را محدود کند، به عنوان مثال، شاخه ها، برگ ها، جلبک ها، علف ها، زباله ها.

3.3 جاذب

یکی دیگر از روش های بازیابی روغن و فرآورده های نفتی توسط جاذب ها نشان داده می شود. جاذب ها برای تمیز کردن لکه های نفتی کوچکتر، برای حذف نهایی مواد روغنی یا در مکان هایی که نمی توان از کفگیر استفاده کرد. جاذب ها جامد و در مواد نامحلول در آب هستند که به دلیل ترکیب فیزیکی و شیمیایی می توانند مواد گازی یا مایع را جذب کنند. آنها از طریق مکانیسم جذب یا جذب کار می کنند. جاذب ها با مواد روغنی روی سطح، در منافذ و مویرگ ها پوشیده می شوند، اتصال می تواند هم طبیعت فیزیکی و هم شیمیایی باشد. برای اینکه در دفع نشت نفت موثر باشد، مواد جذب باید تا حدی اولئوفیل و در عین حال آب گریز باشند. جاذب ها مایعات توزیع شده در سرتاسر ساختار مولکولی آن را می گیرند و حفظ می کنند، به طور معمول حجم آن افزایش می یابد [ 2 ، 14 ، 32 ].

مواد جاذب را می توان به سه گروه اصلی تقسیم کرد: مواد آلی طبیعی، معدنی طبیعی و مصنوعی.

جاذب های طبیعی آلی عمدتاً محصولات مبتنی بر کربن هستند، مانند کاه، خاک اره، الیاف نارگیل، پیت ماس ​​و غیره که می توانند به صورت دانه ای یا فیبری باشند. این مواد می توانند بیش از سه برابر وزن خود روغن جذب کنند. برخی از جاذب های آلی تمایل دارند تا به ذرات کوچکتر تجزیه شوند و جمع آوری آن می تواند پیچیده باشد. سایر مواد آلی می توانند به دلیل جذب آب به پایین فرو بروند [ 14 ، 32 ].

جاذب های معدنی طبیعی به عنوان مواد دانه ای مانند پرلیت، خاک رس، ماسه، خاکستر استفاده می شوند. آنها می توانند بیش از چهار برابر وزن خود روغن جذب کنند. مانند جاذب های آلی، این مواد نیز به دلیل تجزیه به ذرات کوچکتر می توانند مشکلات جمع آوری داشته باشند.

جاذب های مصنوعی از مواد ساخت بشر، به ویژه پلاستیک هایی مانند پلی اورتان، پلی پروپیلن، پلی اتیلن اصلاح شده برای جذب مایعات مانند اسفنج تشکیل شده اند. جاذب های مصنوعی دیگر شامل پلیمرهای پیوندی متقاطع و مواد لاستیکی هستند که مایعات را به ساختار جامد خود جذب می کنند و باعث متورم شدن مواد جاذب می شوند [ 14 ]. جاذب های مصنوعی می توانند 40 تا 50 برابر وزن خود روغن جذب کنند [ 14 ، 33 ].

3.3.3 جوراب جاذب (مار جاذب)

جوراب جذب، که مار جذبی نیز نامیده می شود ( شکل 7 )، ترکیبی از عملکرد مهار (روغن) بوم و عملکرد عملکرد جمع آوری آلودگی روغن (جاذب) است.

مارهای جذبی برای حل نشت‌های نفتی جزئی – رودخانه‌ها و نهرها، دریاچه‌ها، برکه‌ها و غیره و همچنین برای استفاده روی سطوح جامد در نظر گرفته شده‌اند ( شکل 8 ). اینها وسایلی هستند که برای عملیات دستی در نظر گرفته شده اند. وظیفه اصلی آنها مهار نشت نفت است تا آلودگی به منطقه بزرگتر یا به سواحل مشابه بوم های مهار نفت سرایت نکند.

ما می‌توانیم جوراب‌های جذب را در طرح‌های مختلف ببینیم – بلندتر با قطر کوچک یا برعکس، قطر بزرگ‌تر کوتاه‌تر. مارهای جذبی از دو نوع جاذب تشکیل شده اند. جاذب I پوشش نساجی جوراب جذب را تشکیل می دهد و جاذب II نشان دهنده پر شدن است. هر جاذب شل را می توان به عنوان پرکننده استفاده کرد.

در آزمایش خود، ظرفیت جذب جوراب جذب را طبق روش ASTM F 726 آزمایش کردیم. پوشش به طور جداگانه به عنوان جاذب I و پرکننده به عنوان جاذب II آزمایش شد. پس از آن، کل مار جذبی نیز مورد آزمایش قرار گرفت. همه مواد برای جذب روغن و مخلوط آب/روغن مورد آزمایش قرار گرفتند. نتایج در جدول 4 نشان داده شده است .

جاذب	ظرفیت جذب گرم نفت / گرم روغن خام جاذب	ظرفیت جذب گرم روغن / گرم جاذب مخلوط روغن + آب
نساجی (پوشش)	0.47 ± 7.15	0.17 ± 6.50
گرانول (پرکننده)	4.6 ± 0.42	0.30 ± 5.83
جوراب جذبی	0.13 ± 1.67	0.09 ± 1.06

جدول 4.

نتایج آزمون ظرفیت جذب جوراب جذبی.

از نتایج، در نگاه اول به نظر می رسد که ظرفیت جذب کل جوراب جاذب به طور متوسط ​​کم است. با این حال، درک نقش اصلی که جوراب جذب ایفا می کند – مهار نشت نفت – ضروری است. بازیابی نفت یک کار مرتبط است.

همچنین لازم به یادآوری است که نه پوشش و نه پرکننده در کل حجم خود با آلاینده تماس ندارند. همانطور که در شکل 9 مشاهده می شود ، حدود نیمی از جوراب جذب با روغن آغشته شده است. این را می توان به عنوان نتایج عالی در نظر گرفت که نشان می دهد استفاده از جوراب جذبی برای دفع ریز نشت روغن انتخاب بسیار مناسبی است.

ترکیبی از روش‌های مکانیکی (بوم‌های مهار روغن، کفگیر روغن یا جاذب‌ها) برای تمیز کردن لکه‌های روغن یکی از پرکاربردترین و همچنین مؤثرترین آنها است [ 2 ، 14 ]. عوارض عملکرد موثر بوم ها، کفگیرها و جاذب ها آب و هوای نامساعد (باد و باران شدید)، امواج و جریان های قوی است. اینها به طور قابل توجهی بر رفتار نشت نفت تأثیر می گذارد و همچنین عملیات دشواری را با تجهیزات ایجاد می کند. بوم های معمولی با حداکثر سرعت موج 7 گره کار می کنند. در سرعت های بالاتر، لازم است که انواع خاصی از بوم ها و همچنین تجهیزات ویژه به کار گرفته شوند [ 14 ]. در غیر این صورت ممکن است پاشیده شدن یا غرق شدن بوم رخ دهد. انتخاب نوع مناسب بوم مهار برای استفاده بسیار مهم است، زیرا بوم اولین دستگاه مستقر در سایت و آخرین دستگاه است که از راه دور خارج می شود. بسته به شرایط فعلی باد، امواج و جریان و اندازه نشت نفت، نوع جاذب مورد استفاده نیز انتخاب می شود. ذراتی که خیلی سبک هستند می توانند توسط بادهای شدید به دریای آزاد دمیده شوند و برعکس، ذرات خیلی سنگین می توانند همراه با ذرات نفتی محدود شده به پایین ته نشین شوند. شرایط نامطلوب مانند باد و امواج، علاوه بر پیچیده شدن عملیات با تجهیزات، هزینه های اقتصادی پاکسازی نشت نفت را به میزان قابل توجهی افزایش می دهد. با وجود این معایب، روش های مکانیکی پاکسازی نشت نفت از پرکاربردترین روش ها هستند. از مزایا می توان به امکان بازیافت نفت گرفته شده، عدم وارد کردن مواد شیمیایی اضافی به محیط زیست، امکان ترکیب با روش های بیوتکنولوژیکی [ 2 ، 3 ، 14 ، 27 ، 38 ] اشاره کرد.

جایگزین های روش های مکانیکی عبارتند از سوزاندن درجا، پراکندگی شیمیایی، روش های بیولوژیکی. سوزاندن درجا برای سوختن سریع روغن روی سطح آب در صورت نشت زیاد مناسب است. عیب آن تولید مقدار زیادی دود حاوی مواد سمی است. اینها می توانند در مناطق وسیعی در هوای بادی پراکنده شوند و بر شرایط نور و کیفیت هوا در آنها تأثیر بگذارند. در حین پراکندگی شیمیایی، مواد سورفکتانت بر روی لایه روغن پاشیده می‌شوند، آن را مختل می‌کنند و کشش سطحی آب را کاهش می‌دهند که منجر به امولسیون شدن و پراکندگی مواد روغنی در سراسر ستون آب می‌شود. یک عیب عمده هر دو روش ذکر شده، آلودگی ثانویه در مجاورت حادثه است که به آسیب اکوسیستم های طبیعی آبی و خشکی کمک می کند [ 14 ، 27 ، 38 ].

در مقابل پس زمینه این حقایق، روش های مکانیکی حذف نشت نفت بسیار موثر و همچنین از دیدگاه زیست محیطی سودمند در نظر گرفته می شود [ 2 ، 14 ، 38 ]. از آنجایی که پیشگیری از حوادث نشت نفت به طور کامل امکان پذیر نیست، تحقیق و توسعه این روش ها یکی از چالش های بسیاری از دانشمندان است. بهبود عمدتاً در توسعه جاذب‌های جدید یا اصلاح‌شده به منظور افزایش ظرفیت جذب، توانایی بازیابی روغن و سهولت کار رخ می‌دهد. کاهش هزینه و تناسب محیطی نیز از عوامل مهم هستند. مواد آلی و مصنوعی (گرافن چند لایه، کیتوزان، الیاف کناف، ZnO)، مواد زائد استفاده شده، عملیات سطحی جاذب، ایجاد جاذب های مرکب با افزودن نانوذرات، مواد افزودنی القا کننده خواص مغناطیسی جاذب مورد بررسی قرار گرفته است. و غیره [ 2 ، 3 ، 14 ، 27 ، 39 ، 40 ، 41 ، 42 ، 43 ].