Чьи, чьи экологи, говорите?!
Ещё об изобретениях и прогрессе и экотехнологиях
Нефтяные разливы уберет микрогель
Частицы геля из безопасных полисахаридов помогут очищать воду в промышленности и ликвидировать последствия разливов нефти / Микрогель для борьбы с нефтяными разливами / Сделано русскими
После скандальной аварии на американской нефтяной платформе Deepwater Horizon в 2010 году, которая привела к тому, что в воду Мексиканского залива вылилось более 550 тыс. тонн сырой нефти, о проблеме ликвидации последствий нефтяных загрязнений стал говорить весь мир. ©Ещё сделано русскими
Рабочие убирают последствия разлива нефти в Азовском море / Фото: Сергей Гриц
Проблема действительно существует, и разлив на приснопамятной Deepwater Horizon далеко не самый масштабный пример таких катастроф. В 1991-м в ходе войны в Персидском заливе из-за обстрела иракскими военными нефтяных месторождений Кувейта в окружающую среду попало, по некоторым оценкам, до 200 млн тонн нефти и нефтепродуктов.Разливы объемом от сотен до тысяч тонн случаются по несколько раз каждый год - и России, увы, гордиться тут нечем. В 2007 году около 1 тыс. тонн нефти утекло в Керченский пролив, а уже в нынешнем предприятия «Роснефти» вынуждены устранять последствия довольно значительного разлива, случившегося из-за аварии трубопровода под Нефтеюганском. И хотя точных цифр о масштабах этого недавнего ЧП пока нет, судя по всему, предприятию понадобится потратить не один миллиард рублей на восстановление природной среды.
Задача эта непростая и недешевая: нефть и нефтепродукты практически не растворяются в воде, расходясь по поверхности тонкой пленкой, преграждая доступ кислорода в нижние слои и губительно влияя на флору и фауну. Для ликвидации загрязнений приходится прибегать к сложнейшим и зачастую длительным методам очистки, включая механический сбор основной массы нефти, улавливание загрязнения сорбцией, биоремедиацию. Однако все может стать намного проще, если для начала удастся предотвратить самопроизвольное растекание нефти по поверхности воды - возможно, в этом специалистам поможет новая разработка российских ученых. Инженер по внедрению новых технологий екатеринбургского НПО «БиоМикроГели» Артем Сотников рассказал «Русской планете» о том, как простая целлюлоза может помочь природе.
Артем Сотников (справа) получает приз на форуме «Открытые инновации»
- Наше предприятие изначально специализировалось в области органической химии, проведении НИОКР в этой сфере. И в ходе одной из таких работ мы выявили новые интересные свойства микрогелей из полисахаридов - отсюда и началась история этого проекта. Изначально мы получали микрогели на основе чистой целлюлозы, однако позднее, глубже погрузившись в тему, научились использовать и другие полисахариды - такие, как хитозаны и пектины, - и, опробовав разные комбинации, пришли к оптимальному варианту.
- Как выглядит и действует микрогель с точки зрения химии?
- Обычные полисахариды в воде неплохо растворяются, о чем знает, наверное, каждая домохозяйка, разводившая крахмал. Однако при этом они крайне слабо взаимодействуют с другими веществами, растворенными в воде. Это линейные полимеры, длинные цепочки одинаковых звеньев-мономеров.
Для получения микрогеля мы эти цепочки сшиваем вместе, соединяя боковыми химическими связями и получая полимерную сеть. А чтобы сохранить растворимость в воде, превращаем этот продукт в частицы микрогеля, имеющие размеры от 50 до 1000 нм. В таком состоянии в воде они образуют коллоидный раствор - не осаждаются на дно и не всплывают, оставаясь как бы взвешенными в воде.
Такой коллоид из полимерных сетей уже очень эффективно взаимодействует с растворенными молекулами, поглощая, сорбируя эти вещества и очищая воду. К тому же существует возможность контролируемого перевода микрогелей в нерастворенное состояние. Будучи растворимыми реагентами, микрогели эффективно взаимодействуют с загрязнителем, а превратившись в нерастворимые, легко извлекаются из воды. На практике это позволяет за один цикл очистить воду до следовых концентраций загрязнителей.
- Как эта очистка происходит?
- В зависимости от конкретной задачи мы можем использовать различные микрогели, которые в тех или иных условиях, «набрав» загрязнение, либо соберутся на поверхности, либо уйдут в осадок.
Представим ситуацию, например, с водой, загрязненной ионами тяжелых металлов. Микрогелевые частицы с полимерными сетями для них не такие уж и «микро»: вместе с водой ионы свободно проникают внутрь, а затем так же свободно выходят наружу. Чтобы этого не происходило, наши полисахаридные цепочки «оснащены» дополнительными химическими группами, которые задерживают металлические ионы внутри сети.
Это касается такого направления, как очистка промышленных и сточных вод. Она производится в специальных установках, для которых предусмотрены процедуры по регулярному извлечению осадка и его отправка на переработку. Но вот с нефтепродуктами, особенно в «диких» условиях окружающей среды, все происходит несколько иначе, и работает немного иной механизм.
Тут надо пояснить, что растворенные в воде частицы микрогеля остаются в неустойчивом состоянии, они как бы всеми силами стараются перейти в нерастворимое состояние. Легче всего этот процесс протекает на поверхности раздела фаз - такой, например, как поверхность взвешенных в воде капелек нефти. Частицы микрогеля устремляются к ним и облепляют со всех сторон, образуя более крупные и легко коагулирующие структуры.
Коагуляция капель нефти
После такого взаимодействия микрогель теряет растворимость, и заполненные загрязнителем частицы всплывают на поверхность. В такой форме их сравнительно легко собрать для переработки. Благодаря микрогелю можно получить возможность контролировать нефтяное пятно: оно перестает растекаться дальше и испаряться, становится невоспламеняемым. С ним уже можно работать - осадок, конечно, следует извлекать и перерабатывать.
- Подойдет ли такая технология для ликвидации загрязнений почвы? Или речь пока идет только о воде?
- Пока что мы ведем работу только в направлении ликвидации загрязнений воды, а проблему с почвой оставили на потом. Надо сказать, что и очистка воды составляет большую сложность. Даже пленку удалить не так легко: нефтепродукты стремятся «разойтись» по поверхности воды максимально тонким слоем, поэтому их необходимо локализовать. Затем использовать специальные суда, оснащенные насосами для сбора пленки. И наконец, надо как-то отделить ее от самой воды.
Иногда для этой цели применяют обычные сыпучие сорбенты, но этот подход не слишком эффективен. Такие твердые частицы сами по себе далеко по воде не «расходятся» и успевают провзаимодействовать лишь с тем объемом загрязнителя, что находится в непосредственной близости от них. Микрогель же поначалу остается в жидкой фазе и сам широко растекается по поверхности нефтяной пленки, почти на глазах стягивая ее.
- Насколько большие объемы микрогеля требуются для очистки?
- По нашим подсчетам, около полутонны на тонну разлившейся нефти. При этом я уверен, что если речь идет об удалении пленок с поверхности воды, то технологий эффективнее такого микрогеля пока не существует. Помимо прочего, работает он при широком диапазоне температур, сохраняя свои свойства в пределах примерно от -19 и до +60°С. Все это существующим на рынке методам практически недоступно.
- А если избыток микрогеля останется в окружающей среде? Не несут ли опасности его частицы сами по себе?
- Абсолютно никакой опасности: это полисахариды, хорошо знакомые живой природе полимерные соединения, которые достаточно быстро разлагаются в ходе естественных процессов.
- Тогда возникает вопрос: насколько быстро этот процесс развивается? Сколько времени остается на то, чтобы собрать микрогель, провзаимодействовавший с загрязнителем, пока он не разложился и снова не выпустил его «на свободу»?
- Да, если мы, допустим, обработали микрогелем разлив нефтепродуктов в естественных условиях и сразу его не собрали, то мало-помалу частицы полисахаридов начнут разрушаться. Однако это не такой быстрый процесс, поскольку в данном случае нефтепродукты, оставшиеся в микрогеле, служат для него как бы консервантами, усложняя рост и развитие микроорганизмов. В итоге стабильное состояние может сохраняться несколько дней - как показывает практика, этого вполне достаточно для того, чтобы собрать все локализованные загрязнения.
- Каков уровень готовности вашего продукта к производству?
- Сам продукт уже точно можно назвать готовым. Микрогели для очистки сточных и оборотных вод успешно прошли промышленные испытания и сейчас активно внедряются в производственные циклы. На середину августа [2015 года] у нас запланированы полевые испытания микрогелей для ликвидации разливов нефти - фактически осталось отработать лишь способы их применения в реальных условиях.
Испытания будут проходить на российском Севере, при участии наших нефтяников, которые, надеюсь, оценят разработку и заинтересуются ей. Параллельно мы ведем переговоры и с зарубежными нефтедобытчиками Каспийского региона - Азербайджаном, Казахстаном, Ираном.
_______
Проект по использованию микрогелей для ликвидации последствий разливов нефти участвует в федеральном конкурсе - акселераторе технологических стартапов GenerationS, организованном Российской венчурной компанией (РВК). Все участники конкурса получают возможность претендовать на грант от Фонда содействия развитию малых форм предприятий в научно-технической сфере на сумму 1 млн рублей. Кроме того, три проекта-победителя разделят главный приз - более 5 млн рублей.
Ярослав Рыбаков
«Русская планета», 30 июля 2015
Нефтяные разливы уберет микрогель
Частицы геля из безопасных полисахаридов помогут очищать воду в промышленности и ликвидировать последствия разливов нефти / Микрогель для борьбы с нефтяными разливами / Сделано русскими
После скандальной аварии на американской нефтяной платформе Deepwater Horizon в 2010 году, которая привела к тому, что в воду Мексиканского залива вылилось более 550 тыс. тонн сырой нефти, о проблеме ликвидации последствий нефтяных загрязнений стал говорить весь мир. ©Ещё сделано русскими
Рабочие убирают последствия разлива нефти в Азовском море / Фото: Сергей Гриц
Проблема действительно существует, и разлив на приснопамятной Deepwater Horizon далеко не самый масштабный пример таких катастроф. В 1991-м в ходе войны в Персидском заливе из-за обстрела иракскими военными нефтяных месторождений Кувейта в окружающую среду попало, по некоторым оценкам, до 200 млн тонн нефти и нефтепродуктов.Разливы объемом от сотен до тысяч тонн случаются по несколько раз каждый год - и России, увы, гордиться тут нечем. В 2007 году около 1 тыс. тонн нефти утекло в Керченский пролив, а уже в нынешнем предприятия «Роснефти» вынуждены устранять последствия довольно значительного разлива, случившегося из-за аварии трубопровода под Нефтеюганском. И хотя точных цифр о масштабах этого недавнего ЧП пока нет, судя по всему, предприятию понадобится потратить не один миллиард рублей на восстановление природной среды.
Задача эта непростая и недешевая: нефть и нефтепродукты практически не растворяются в воде, расходясь по поверхности тонкой пленкой, преграждая доступ кислорода в нижние слои и губительно влияя на флору и фауну. Для ликвидации загрязнений приходится прибегать к сложнейшим и зачастую длительным методам очистки, включая механический сбор основной массы нефти, улавливание загрязнения сорбцией, биоремедиацию. Однако все может стать намного проще, если для начала удастся предотвратить самопроизвольное растекание нефти по поверхности воды - возможно, в этом специалистам поможет новая разработка российских ученых. Инженер по внедрению новых технологий екатеринбургского НПО «БиоМикроГели» Артем Сотников рассказал «Русской планете» о том, как простая целлюлоза может помочь природе.
Артем Сотников (справа) получает приз на форуме «Открытые инновации»
- Наше предприятие изначально специализировалось в области органической химии, проведении НИОКР в этой сфере. И в ходе одной из таких работ мы выявили новые интересные свойства микрогелей из полисахаридов - отсюда и началась история этого проекта. Изначально мы получали микрогели на основе чистой целлюлозы, однако позднее, глубже погрузившись в тему, научились использовать и другие полисахариды - такие, как хитозаны и пектины, - и, опробовав разные комбинации, пришли к оптимальному варианту.
- Как выглядит и действует микрогель с точки зрения химии?
- Обычные полисахариды в воде неплохо растворяются, о чем знает, наверное, каждая домохозяйка, разводившая крахмал. Однако при этом они крайне слабо взаимодействуют с другими веществами, растворенными в воде. Это линейные полимеры, длинные цепочки одинаковых звеньев-мономеров.
Для получения микрогеля мы эти цепочки сшиваем вместе, соединяя боковыми химическими связями и получая полимерную сеть. А чтобы сохранить растворимость в воде, превращаем этот продукт в частицы микрогеля, имеющие размеры от 50 до 1000 нм. В таком состоянии в воде они образуют коллоидный раствор - не осаждаются на дно и не всплывают, оставаясь как бы взвешенными в воде.
Такой коллоид из полимерных сетей уже очень эффективно взаимодействует с растворенными молекулами, поглощая, сорбируя эти вещества и очищая воду. К тому же существует возможность контролируемого перевода микрогелей в нерастворенное состояние. Будучи растворимыми реагентами, микрогели эффективно взаимодействуют с загрязнителем, а превратившись в нерастворимые, легко извлекаются из воды. На практике это позволяет за один цикл очистить воду до следовых концентраций загрязнителей.
- Как эта очистка происходит?
- В зависимости от конкретной задачи мы можем использовать различные микрогели, которые в тех или иных условиях, «набрав» загрязнение, либо соберутся на поверхности, либо уйдут в осадок.
Представим ситуацию, например, с водой, загрязненной ионами тяжелых металлов. Микрогелевые частицы с полимерными сетями для них не такие уж и «микро»: вместе с водой ионы свободно проникают внутрь, а затем так же свободно выходят наружу. Чтобы этого не происходило, наши полисахаридные цепочки «оснащены» дополнительными химическими группами, которые задерживают металлические ионы внутри сети.
Это касается такого направления, как очистка промышленных и сточных вод. Она производится в специальных установках, для которых предусмотрены процедуры по регулярному извлечению осадка и его отправка на переработку. Но вот с нефтепродуктами, особенно в «диких» условиях окружающей среды, все происходит несколько иначе, и работает немного иной механизм.
Тут надо пояснить, что растворенные в воде частицы микрогеля остаются в неустойчивом состоянии, они как бы всеми силами стараются перейти в нерастворимое состояние. Легче всего этот процесс протекает на поверхности раздела фаз - такой, например, как поверхность взвешенных в воде капелек нефти. Частицы микрогеля устремляются к ним и облепляют со всех сторон, образуя более крупные и легко коагулирующие структуры.
Коагуляция капель нефти
После такого взаимодействия микрогель теряет растворимость, и заполненные загрязнителем частицы всплывают на поверхность. В такой форме их сравнительно легко собрать для переработки. Благодаря микрогелю можно получить возможность контролировать нефтяное пятно: оно перестает растекаться дальше и испаряться, становится невоспламеняемым. С ним уже можно работать - осадок, конечно, следует извлекать и перерабатывать.
- Подойдет ли такая технология для ликвидации загрязнений почвы? Или речь пока идет только о воде?
- Пока что мы ведем работу только в направлении ликвидации загрязнений воды, а проблему с почвой оставили на потом. Надо сказать, что и очистка воды составляет большую сложность. Даже пленку удалить не так легко: нефтепродукты стремятся «разойтись» по поверхности воды максимально тонким слоем, поэтому их необходимо локализовать. Затем использовать специальные суда, оснащенные насосами для сбора пленки. И наконец, надо как-то отделить ее от самой воды.
Иногда для этой цели применяют обычные сыпучие сорбенты, но этот подход не слишком эффективен. Такие твердые частицы сами по себе далеко по воде не «расходятся» и успевают провзаимодействовать лишь с тем объемом загрязнителя, что находится в непосредственной близости от них. Микрогель же поначалу остается в жидкой фазе и сам широко растекается по поверхности нефтяной пленки, почти на глазах стягивая ее.
- Насколько большие объемы микрогеля требуются для очистки?
- По нашим подсчетам, около полутонны на тонну разлившейся нефти. При этом я уверен, что если речь идет об удалении пленок с поверхности воды, то технологий эффективнее такого микрогеля пока не существует. Помимо прочего, работает он при широком диапазоне температур, сохраняя свои свойства в пределах примерно от -19 и до +60°С. Все это существующим на рынке методам практически недоступно.
- А если избыток микрогеля останется в окружающей среде? Не несут ли опасности его частицы сами по себе?
- Абсолютно никакой опасности: это полисахариды, хорошо знакомые живой природе полимерные соединения, которые достаточно быстро разлагаются в ходе естественных процессов.
- Тогда возникает вопрос: насколько быстро этот процесс развивается? Сколько времени остается на то, чтобы собрать микрогель, провзаимодействовавший с загрязнителем, пока он не разложился и снова не выпустил его «на свободу»?
- Да, если мы, допустим, обработали микрогелем разлив нефтепродуктов в естественных условиях и сразу его не собрали, то мало-помалу частицы полисахаридов начнут разрушаться. Однако это не такой быстрый процесс, поскольку в данном случае нефтепродукты, оставшиеся в микрогеле, служат для него как бы консервантами, усложняя рост и развитие микроорганизмов. В итоге стабильное состояние может сохраняться несколько дней - как показывает практика, этого вполне достаточно для того, чтобы собрать все локализованные загрязнения.
- Каков уровень готовности вашего продукта к производству?
- Сам продукт уже точно можно назвать готовым. Микрогели для очистки сточных и оборотных вод успешно прошли промышленные испытания и сейчас активно внедряются в производственные циклы. На середину августа [2015 года] у нас запланированы полевые испытания микрогелей для ликвидации разливов нефти - фактически осталось отработать лишь способы их применения в реальных условиях.
Испытания будут проходить на российском Севере, при участии наших нефтяников, которые, надеюсь, оценят разработку и заинтересуются ей. Параллельно мы ведем переговоры и с зарубежными нефтедобытчиками Каспийского региона - Азербайджаном, Казахстаном, Ираном.
_______
Проект по использованию микрогелей для ликвидации последствий разливов нефти участвует в федеральном конкурсе - акселераторе технологических стартапов GenerationS, организованном Российской венчурной компанией (РВК). Все участники конкурса получают возможность претендовать на грант от Фонда содействия развитию малых форм предприятий в научно-технической сфере на сумму 1 млн рублей. Кроме того, три проекта-победителя разделят главный приз - более 5 млн рублей.
Ярослав Рыбаков
«Русская планета», 30 июля 2015