جذب و پراکنده کردن لکۀ نفتی توسط پرلیت اصلاح شده با امولسیفایر

نوع مقاله: مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 استادیار گروه مهندسی شیمی، دانشگاه آزاد اسلامی واحد ایلام *(مسئول مکاتبات).

2 دانشکده مهندسی شیمی و نفت - دانشگاه صنعتی شریف

چکیده

چکیده
در  تحقیق حاضر از پرلیت انبساط یافته با امولسیفایر (اولئیک اسید اتوکسیلات) برای جمع آوری و به شکل  امولسیون در آوردن لکه نفتی در مقیاس آزمایشگاهی استفاده شد. نتایح آزمایشگاهی  برای سه  حالت پرلیت بدون امولسیفایر، امولسیفایر بدون پرلیت و پرلیت اصلاح یافته با امولسیفایر، نشـان می دهد پرلیت با داشتن دانسیته پایین (kg/m3  200-40) و سطــح تمــاس بالا (cm2/gr3000) می تواند تا   lit oil/kg perlite 2/7 جذب کرده و به صورت کلوخه درآورد.امولسیفایر بدون حامل اگرچه مقــدار نفت را به صورت قطره های ریز (امولسیون) در می آورد اما خود به عنوان یک عامل تهدید کننده محیط زیست  به آن وارد می شود و برتری پرلیت اصلاح شده با امولسیفایر بر گونه های یاد شده می تواند  تا 35 برابر وزن خود لکهء نفتی را به صورت امولسیون در آورد و با استفاده از بوم ها و توسط پمپ کردن آن را از سطح آب جمع آوری کرد.

کلیدواژه‌ها


مقدمه


وارد شدن لکه های نفتی در دریا  نا شی از حوادث و تصادفات کشتی ها همواره یکی از تهدید کننده های محیط زیست دریا می باشد. مهم ترین عمل در چنین حالتی دور کردن و زدودن لکهء نفتی از سطح آب می باشد که باید باسرعت عمل و به مقدار ببشتر در حداقل زمان انجام گیرد. به طور معمول دو روش  برای جمع آوری لکهء نفتی مورد استفاده قرار می گیرد که عبارتند از :

1-   استفاده از بوم ها: بوم ها دیواره های شناور می باشد که بر لکهء نفتی محیط می شونــد تا ضخــامت لکهء نفتی را زیــاد کند و با استفاده از پمپ کردن مقــدار زیــادی از آن را از سطـح آب جمع آوری می کنند (1و2).

2-   استفاده از امولسیفایرها: با پخش کردن و اسپری کردن امولسیفایر بر روی لکهء نفتی که با کمک امواج دریا به هم زده می شود در اثر این عمل نفت به صورت قطره های معلق (امولسیون) بر سطح آب شناور باقی می ماند تا در اثر تماس قطره ها امکان تخریب پذیری نفت توسط میکروارگانیسم های موجود در دریا آسان شود. اگر چه خود امولسیفایر به عنوان یک آلاینده دیگر به مجیط زیست دریا وارد می شود(3،4و5).

سنگ پرلیت یک سنگ آتشفشانی  حاوی 2 تا 6% رطوبت است(6). پرلیت خام ماده ای با فضای تخلخل بالا (%55-45) می باشــد. اگر پرلیت را تـا دمــای 1200-700 درجــه سانتی گراد فراوری کنند حجم آن  8 تا 15 برابــر افــزایش می یابد(7). تصــاویر SEM گرفته شــده از پرلیت نشــان می دهد که نظم خاصی در فضای تخلخل ها وجود ندارد. پرلیت دارای دانسیته پایین (kg/m3200-40) می باشد به عبارتی پرلیت فراوری شده با دانسیته پایین(kg/m340) و درصد تخلخل بالا (90%>) می باشد که این عوامل نقش زیـادی را در فرایند جذب  ایفا می کنند. پرلیت فراوری شده را می توان در اندازه های مختلف تهیه کرد هـــر چــه انـدازه دانه های پرلیت کوچک باشد سطح تماس آن بیشتر  و ظرفیت جذب در آن بیشتر می شود (8).علاوه بر آن پرلیت از ترکیبات شیمیایی خنثی بوده و دوستدار محیط زیست می باشـد، لذا اضافه شدن آن به دریا خطری را متوجه آن نمی کند.

امولسیفایر ها خاصیت آب گریزی و روغن دوستی دارند، اگر پرلیت منبسط شده  را با  امولسیفایر اصلاح کنند خاصیت آ ب گریزی پیدا می کند که به صورت انتخاب پذیری نفت را در حضور آب جذب می کند. پرلیت اصلاح یافته با امولسیفایر می تواند روی لکهء نفتی پخش شود و در حد اقل زمان سطح آن را بپوشاند. در اثر این عمل ذرات پرلیت آغشته به امولسیفایر نفت را به صورت امولسیون پایدار در می آورد .از آن جا که امولسیفایر بر روی پرلیت جذب شده است لذا دیگر به عنوان عامل مخرب محیط زیست به حساب نمی آید اگرچه بخشی از فضـای تخلخل پرلیت توســط امولسیفایر اشغــال می شود. مزیت  این روش در این است که پرلیت اصلاح یافته می تواند تا /kg perlite lit Oil  35را به صورت امولسیون در آورد این عمل علاوه بر آن که می تواند سرعت تخریب پذیری لکهء نفتی توسط میکروارگانیسم های موجود در دریا را بیشتر کند(زیرا پرلیت می تواند به صورت یک حامل نگه دارنده و تثبیت کننده عمل کند، سر انجام می توان پرلیت را توسط وسایل مکانیکی از سطح آب جدا کرد که امولسیفایر جذب شده بر آن از محیط زیست دریا جدا می شود. هدف از این تحقیق بررسی عملکرد پرلیت انبساط یافته اصلاح شده با امولسیفایر (اولئیک اسید اتوکسیلات) در جذب نفت و به شکل  امولسیون در آوردن لکه نفتی در مقیاس آزمایشگاهی می باشد.  

 

مواد و روش ها

پرلیت مورد استفاده

پرلیت مورد  استفاده از شرکت آذرکانی مهاباد با خصوصیات مورد نیاز برای عمل جذب سفارش داده شد(9). برای اصلاح  کردن و آغشته کردن آن با امولسیفایر از اولئیک اسید اتوکسیلات استفاده شد.

آماده کردن پرلیت اصلاح یافته:

30 گرم از پرلیت انبساط یافته را به 300 میلی لیتر محلول 5/2% از امولسیفایر اضافه کرده و بر روی شیکر در دور پایین برای جلوگیری از خرد شده دانه هــای پرلیت در دمای oC 45 برای مدت 15دقیقه حرارت داده می شود. سپس پرلیت آغشته با امــولسیفایـر را در دمــای oC50 خشک می کنیم در اثر این عمل پرلیت به طور مناسب هیدروفوب می شود.

نفت مورد استفاده:

از 2 نمونه نفت آسیای میانه و نفت سبک ایران که خصوصیات مشابهی با نوع نفت صادراتی دارند از پالایشگاه تهران سفارش داده و تهیه گردید.

روش آزمایش:

در سه حالت زیر آزمایش انجام گرفت:

1- استفاده ار پرلیت انبساط یافته بدون امولسیفایر:

در نمونه هایی از مخلوط آب دریا و نفت خام  با نسبت های متفاوت در مقیاس آزما یشگاهی  پرلیت انبساط یافته در تماس قرار گرفت.برای تعیین ظرفیت جذب پرلیت  از روش وزن سنجی استفاده شد.ابتدا پرلیت خشک قبل از انجام فرایند وزن می شود، پس از فرایند جذب و اشباع شدن به مدت 3-2 دقیقه جاذب مرطوب را بر روی فیلتر مخصوص قرار داده تا مایع که احتمالاً به دام افتاده ولی جذب نشده صاف گردد. سپس آن را دوباره وزن کرده و از رابطه زیر مقدار نفت جذب شده را به دست می آوریم.

S=So-SW-Sl

وزن نفت جذب شده= S

وزن پرلیت همراه مایع جذب شده=So

وزن آب جذب شده همراه نفت=Sw

وزن پرلیت خشک قبل از انجام آزمایش= Sl

2- امولسیفایر بدون پرلیت

مطابق روش قبل  نمونه هایی از مخلوط آب و نفت تهیه کرده از آن جا که نفت به علت دانسیته کمتر از آب بر روی آن شناور می ماند، در اثر پخش کردن امولسیفایر بر روی آن بستگی به مقدار امولسیفایر و ضخامت نفت مورد استفاده نسبتی از نفت را به صورت امولسیون در می آورد. اگر چه در این روش یک عامل آلوده کننده محیط زیست به محیط دریا اضافه می شود، اما این مقدار به نسبت کم بوده و باعث پراکنده کردن قطره های نفت در وسعت بیشتر می شود و غلظت آن را کم می کند .

3- پرلیت اصلاح شده با امولسیفایر

این حالت مزیتی که بر دو حالت قبل دارد این است که عامل تهدید کننده محیط زیست بر روی پرلیت جذب شده است لذا بعد از عمل جذب و اموله کردن نفت می توان از سطح آب جمع آوری کرد؛علاوه برآن به علت هیدروفوب کردن سطح پرلیت ظرفیت آن در جذب  آب کمتر می شود. در این حالت مانند روش های قبل پرلیت اصلاح شده با امولسیفایر را به مخلوط آب و نفت با نسبت های مختلف اضافه کرده و در روی شیکر با دور rpm60 استفاده شد و حالت اموله شدن آن با توجه به مقدار پرلیت مورد استفاده مشاهده و میزان جذب مطابق روش ذکر شده محاسبه گردید.

 

نتایج

جدول 1 خصوصیات پرلیت مورد استفاده در این تحقیق را نشان می دهد همان گونه که داده ها نشان می دهند دو ترکیب اصـــلی تشکیل دهنــده پرلیت SiO2 و Al2O3 می باشند که ترکیب شیمیایی SiO2  با توجه به پیوند های کووالانسی در فرایند جذب نقش حایز اهمیتی را ایفا می کند. جدول 2 خصوصیات نفت مورد استفاده را نشان می دهد، همان گونه که ذکر شد در این پروژه از دو نوع نفت که قرابت نزدیکی به نفت صادراتی داشتند استفاده شد و خصوصیات فیزیکی هر دو  به هم نزدیک بودند. شکل های 1 و 2 تصاویر SEM پرلیت را نشان می دهند. شکل 1 تصویر یک دانه منبسط نشده پرلیت را نشان می دهد که دارای سطح تماس کم و فاقد خلل و فرج می باشد اما در تصویر 2 ساختار پرلیت به صــورت لایه لایه می باشد. هرچه فراوری پرلیت کنترل شده و منبسط شده باشد، تعداد این لایه ها بیشتر و فضای تخلخل بین دانه ها بیشتر می شود و به تبع آن ظرفیت جذب پرلیت بالا می رود. شکل 3 تصویر میکروسکوپی پرلیت انبساط یافته را بعد از فرایند جذب نشان می دهند  مقایسه شکل 3  با تصویر 3 نشان می دهد که فضای تخلخل پرلیت توسط مایع (نفت یا آب) اشغال شده است، لایه ها ضمن جذب به هم چسبیده و یک حالت کلوخه ایجاد می کنند. تصـاویر نشان داده شــده در شکل های 4 و 5 مشاهدات جذب نفت را توسط پرلیت انبساط یافته از نگاه ماکروسکوپیک نمایش می دهد. همان گونه که در تصویر 5 مشاهده می شود پرلیت بعد از فرایند جذب به صورت کلوخه و لجن در می آید. نمودار (1) ظرفیت جذب پرلیت انبساط یافته بدون امولسیفایر در جذب آب و نفت را نشــان می دهد. در این شکل ظرفیت جذب به صورت تابعی از زمان نشان داده شده است همان گونه که شکل نشان می دهد در لحظه اولیه میزان جذب نفت در مقایسه با جذب آب توسط پرلیت زیاد می باشد،اما با گذشت زمان  بخشی از فضای تخلخل در پرلیت توسط آب اشغال می شود و از ظرفیت جذب نفت کاسته می شود.به گونه ای که در 1دقیقه ابتدایی فرایند جذب، نسبت نفت به آب جذب شده توسط پرلیت انبساط یافته به ترتیب 89% به 11% می باشد و این نسبت در 18 ساعت بعد از فرایند جذب به35% نفت در بــرابر 65% آب می انجامد. معمولاً با افزایش زمان این نسبت تقریباً ثابت می ماند.به نظر می رسد سایت های خاصی در ساختار پرلیت در جذب یا به دام انداختن مولکول هایی غیر از آب فعال می باشند، با توجه به وجود گونه های Si_O و  Si_OHدر ساختار پرلیت که دارای پیوند کووالانس هستند می توانند با مولکول های آب که ماهیت قطبی دارند پیوند هیدروژنی برقرار کرده و مقدار بیشتری از آب راجذب کند،از طرفی داده های آزمایشی نشان می دهد ظرفیت پرلیت  که توانایی جذب 35% نفت را دارد به چگونگی تقدم و تاخر تماس پرلیت با مخلوط آب و نفت بستگی ندارد به عبارتی بخشی از فضای تخلخل پرلیت انتخاب پذیری برای مولکول های غیر قطبی  دارد .مولکول های نفت ممکن است به صورت جذب فیزیکی در داخل حفره ها با توجه به اندازه دانه ها به دام بیفتند و یا این که توسط نیروهای ضعیف واندروالس با گروه هایی مانند  Si که خاصیت آّب گریزی  دارد جذب فیزیکی انجام گیرد. نمودار (1) بیان می کند اگر از پرلیت برای جذب لکهء نفتی استفاده می شود باید در لحظات اولیه جذب، عمل جمع آوری پرلیت همراه نفت باید انجام گیرد.


 

 

جدول 1- آنالیز شیمیایی پرلیت مورد استفاده توسط دستگاه XRF

ترکیب

در صد وزنی

            SiO2          

4/71

Al2O3             

5/13

K2O                

22/4

Na2O           

39/3

Fe2O3,FeO,Fe3O4

12/1

CaO            

57/0

MgO           

25/0

TiO2         

17/0

    MnO         

05/0

 BaO         

068/0

Cl             

05/0

La2O3        

013/0

Rb2O        

016/0

ZrO2             

027/0

P2O5        

027/0

جدول 2- خصوصیات فیز یکی نفت خام

نمونه نفتی  درجه API   دانسیته(gr/cm3)درoC25    ویسکوزیته (C.S)در oC25

  سبک ایران       29           875/.              100

 آسیا ی میا نه    22           89/.                              

 

 

 

 

 

 

شکل1- دانه ی پرلیت  منبسط نشده (بزرگنمایی (6.23 kx

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

شکل 2- ساختار میکروسکوپی پرلیت انبساط یافته قبل از فرایند جذب( بزرگنمایی ( 1.72 kx

 

 

 

شکل 3- ساختار میکروسکوپی پرلیت انبساط یافته بعد از فرایند جذب( بزرگنمایی ( 1.72 kx

 

شکل4- نفت خام

 

 

شکل 5- جمع آوری پرلیت همراه نفت جذب شده از سطح آب

 

 

 

 

 

 

 

 


 

 


عملکرد امولسیفایر (اولئیک اسید اتوکسیلات) در اموله کردن لکهء نفتی نشان می دهد میزان مصرف امولسیفایر به ضخامت لایه نفتی و چگونگی اسپری کردن آن بر روی لکهء نفتی بستگی دارد. امولسیفایر می تــوانـد لکهء  نفتی را به قطره های ریز به صورت اموله در آورد.  این عمل را می توان به ماهیت مولکولی امولسیفایر که دارای دو سر هیدروفوب و هیدروفیل می باشد تا پلی بین قطره های روغن ایجاد کند، نسبت داد. هرچه نیروهای بین مولکولی بین امولسیفایر و مولکول های نفت قوی تر باشد مانع از رسیدن قطره های روغن به همدیگر و تشکیل لکهء روغنی می شود.اگر چه در این روش خــود امولسیفایر که یک عامل آلوده کننــده برای محیط زیست به حساب می آید، به محیط زیست دریــا وارد می شود، اما از آن جا که این مقدار کم است، معمولاً در تانکرهای نفتکش امولسیفایر به صورت نازل هایی که در عرشه کشتی نصب شده اند، برای اموله کردن لکه های نفتی که در حین بارگیری یا نشت احتمالی روی می دهد، اسپری می کنند و در محیط دریا رها می کنند. 

نمودار (2) عملکرد پرلیت اصلاح شده با امولسیفایر جذب و

اموله کردن لکهء نفتی را نمایش می دهد، همان گونه که این نمودار نشان می دهد ظرفیت جذب پرلیت در این حالت برای امولسیون کردن لکهء نفتی نسبت به حالت پرلیت بدون اصلاح بیشتر است. این نسبت برای اموله کردن جذب لکهء نفتی بـه نسبت 35 به 1(lit oil/kg perlite 35) می رسد. به نظر می رسد در حالت اصلاح یافته، پرلیت توسط امولسیفایر هیدروفوب می شود و آن بخش از فضای پرلیت که توسط آب اشغال می شود در این حالت توسط مولکول های امولسیفایر- نفت اشغال شود.از جمله مزایای این روش بر دو روش دیگر به افزایش ظرفیت اموله کردن نفت و تثبیت امولسیفایر بر روی ذرات پرلیت می توان اشاره کرد که عوارضی کمتر از روش دوم دارد و از جمله معایبی که نسبت به حالت اول دارد پرلیت پس از جذب قطره های نفت به صورت ذرات جدا از هم بر روی آب معلق می ماند، لذا نسبت به حالت اول به آسانی از سطح آب جمع آوری نمی شود.

 

 

 

نتیجه گیری

نتایح آزمایشگاهی  نشان می دهد پرلیت با داشتن دانسیته پایین (kg/m3  200-40) و سطح تماس بالا (cm2/gr3000)می تواند تا        lit oil/kg perlite 2/7 جذب کرده و به صورت کلوخه درآورد. عملکرد پرلیت اصلاح شده با امولسیفایر در جذب و اموله کردن لکهء نفتی  نشان می دهد ظرفیت جذب پرلیت در این حالت برای امولسیون کردن لکهء نفتی نسبت به حالت پرلیت بدون اصلاح بیشتر است (lit oil/kg perlite 35).از جمله مزایای این روش بر دو روش دیگر می توان به افزایش ظرفیت اموله کردن نفت و تثبیت امولسیفایر بر روی ذرات پرلیت اشاره کرد که عوارضی کم تر از روش دوم (امولسیفایر بدون پرلیت) داردو از جمله معایبی که نسبت به حالت اول(پرلیت بدون امولسیفایر) دارد، پرلیت پس از جذب قطره های نفت به صورت ذرات جدا از هم بـر روی آب معلق می ماند، لذا نسبت به حالت اول به آسانی از سطح آب جمع آوری نمی شوند.

منابع

  1. Song-Ping zhu, Dimitry strnin, “modeling the confinement of spilled oil with floating booms”, 2001, Applied mathematical Modeling, 713-729.
  1. Ghalambor. Ali, "Composting technology for practical and safe remediation of oil spill residuals" technical report series. 1999; 98-00
  1. M. Roulia, K. Chassapis, Ch. Fotinopoulos, Th.  Savvidis, D. Katakis, Dispersion and Sorption of Oil Spills by Emulsifier- Modified Expanded Perlite, Spill Science and technology bulletin, 8 (2003)  425-431.
  2. Ghalambor. Ali, “ the effectiveness of solidifies for Combating oil spills”, 1996, osradp technical report series 96-006
  3. M. Fingas, B. G. Fieldhouse, I. Bier, D. Conrod, E. Tennyson., Development of a test for water-in-oil emulsion breakers. Proceedings of the Sixteenth Arctic and Marine Oil spill Program Technical Seminar, June 7-9, Environment Canada, (1993) pp. 909-954. Ottawa, Canada,
  4. Newman, S., Stopler. E. M., Epstein. S., Measurement of water in rhyolitic glasses: calibration of an infrared spectroscopic technique. American Mineralogist, 71 (1986) 1527-1541
  5. M. J. Allen, the Perlite Institute Annual Meeting and Conference, Industrial Minerals, September (1990) 69-73.                                                                    
  6. A.  Alihosseini, D. Bastani, A. A. Safekordi, Emulsion and Sorption Oil Spills by Expanded Perlite, J. Env. Sci. 23 (2005) 55-68
  7. D. Bastani,A.A. Safekordi, A. Alihosseini, V.Taghikhani, Study of oil sorption by expanded perlite at 298.15 K, Purifay Technology Sience, 52 (2006) 295-300