Создание и изучение новых материалов, эффективных для устранения разливов нефти и нефтепродуктов в Арктической зоне

КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Номер проекта 22-13-00410

НазваниеСоздание и изучение новых материалов, эффективных для устранения разливов нефти и нефтепродуктов в Арктической зоне

Руководитель Санджиева Делгир Андреевна, Кандидат химических наук

Организация финансирования, регион федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Российский государственный университет нефти и газа (национальный исследовательский университет) имени И.М. Губкина" , г Москва

Конкурс №68 - Конкурс 2022 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований отдельными научными группами»

Область знания, основной код классификатора 03 - Химия и науки о материалах; 03-601 - Химия новых неорганических функциональных и наноразмерных материалов

Ключевые слова разливы нефти, аэрогели, сорбенты, собиратели нефти, материалы для ликвидации разливов нефти, магнитно-резонансная томография, ЯМР спектроскопия, влияние арктического климата

Код ГРНТИ31.15.35, 31.25.19

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Проект направлен на решение фундаментальной проблемы – сохранение окружающей среды и ликвидацию последствий техногенных катастроф. Масштаб поставленной задачи определяется стратегическими целями по сохранению окружающей среды Арктики как климатоформирующего региона планеты. Актуальность современного освоения Арктики подтверждена в Указе Президента РФ от 26 октября 2020 г. № 645 "О Стратегии развития Арктической зоны Российской Федерации и обеспечения национальной безопасности на период до 2035 года". Во многом внимание к региону обусловлено наличием больших запасов углеводородов, включая нефть. Её добыча, транспортировка и хранение в Арктике имеют особые сложности в сравнении с благоприятными климатическими зонами, но наибольшие проблемы возникают при аварийных разливах нефти и нефтепродуктов. Можно вспомнить аварию 1989 года танкера "Эксон Вальдес" (Exxon Valdez) у побережья Аляски, приведшему к крупнейшему в истории разливов нефти на море в регионе с арктическим климатом. Другой пример – утечка 20 тыс. тонн нефтепродуктов из хранилища в Норильске 2020 году, создавшая угрозу для экосистемы Северного Ледовитого океана. Основные технологические проблемы возникают при ликвидации разливов на воде. Кроме того, они трудоёмки, экономически затратны в силу низких температур, наличия льда, снега и ветровых нагрузок. Низкотемпературные условия зачастую снижают эффективность материалов для ликвидации разливов нефти(нефтепродуктов), ранее хорошо себя зарекомендовавших в умеренном климате. Другой важный фактор природы Арктики – чрезвычайная чувствительность к антропогенному воздействию и многолетний период ремедиации после экологической катастрофы. Успешность освоения Арктики, как и устранение последствий антропогенных аварий, во многом определяется наличием материалов, способных эффективно и надёжно работать в экстремальных климатических условиях. Для устранения аварийных разливов нефти(нефтепродуктов) на воде в арктических условиях требуется широкий набор новых сорбирующих материалов и реагентов, наряду с отработкой технологий их применения. В проекте предполагается поиск и разработка подходов, которые будут способствовать предотвращению разрушения окружающей среды от антропогенной деятельности и минимизируют негативные последствия техногенных аварий. Основная задача проекта – проведение фундаментальных исследований по созданию и изучению новых материалов для ликвидации аварийных разливов нефти(нефтепродуктов), исследование их свойств, установление механизмов их взаимодействия с окружающей средой и проверка их применимости в арктических условиях. Решение поставленной задачи предусматривает реализацию следующих направлений исследований. Создание нового экологически благоприятного реагента-собирателя нефти и нефтепродуктов (РСН), способствующего сокращению размеров разлива нефти(нефтепродуктов) за счет стягивания и увеличения толщины нефтяной пленки на воде при пониженных температурах. Синтез ряда аэрогельных сорбентов высокой пористости (органосиликатных, неорганических и полимерных), изучение их строения, сорбционных свойств, и выявления возможности применения в арктических условиях для сорбции нефти (нефтепродуктов). Изучение микро- и макропроцессов в системах вода(лёд)/нефть(нефтепродукты) различными экспериментальными методами, включая ядерный магнитный резонанс и магнитно-резонансную томографию. Разработка научных основ новой безотходной технологии ликвидации разливов в Арктике, заключающейся в использовании РСН и высокоэффективных и регенерируемых аэрогельных сорбентов. Проблемой, тормозящей эффективность создания и применения требуемых противоаварийных материалов, отчасти является разрозненность действий материаловедов и химиков-синтетиков, нефтехимиков и специалистов по изучению физическими методами микро- и макропроцессов, происходящих в системе вода(лёд)/нефть(нефтепродукты). Необходима их кооперация, которая может быть достигнута при выполнении предлагаемого междисциплинарного проекта, успешное выполнение которого будет состоять не только в решении конкретных научно-технических задач, но и организует в стране неформальное сообщество, способное эффективно работать по ликвидации аварийных разливов нефти и нефтепродуктов в Арктической зоне РФ.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Публикации

1. Морозов Е.В., Санджиева Д.А., Дедов А.Г., Бузник В.М. Возможности и перспективы применения магнитно-резонансной томографии в исследовании нефтей Нефтехимия, Петролеомика. Том 3. №1. С. 57-73, DOI: 10 53392/27823857-2023-3-1-57 Petroleum Chemistry. Vol. 63. P. 52-66 (год публикации - 2023)
10.1134/S0965544123020196

2. Баскаков С.А., Баскакова Ю.В., Красникова С.С., Кабачков Е.Н., Капустянская М.А., Дремова Н.Н., Милович Ф.О., Шульга Ю.М., Сяову Ванг, Жи Ли Sorption and Other Properties of Polytetrafluoroethylene/Cellulose Composite Aerogels Polymer Engineering and Science, Выпуск 12, том 62, стр. 1-9 (год публикации - 2022)
10.1002/pen.26206

3. Санджиева Д.А., Гайзуллин А.Д., Баскаков С.А. ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ СОСТАВА АЭРОГЕЛЕЙ НА ОСНОВЕ ОКСИДА ГРАФЕНА И ПОЛИТЕТРАФТОРЭТИЛЕНА НА ИХ НЕФТЕЕМКОСТЬ Материалы XV научно-практической конференции «Актуальные задачи нефтегазохимического комплекса».– М.: РГУ нефти и газа (НИУ) имени И.М. Губкина, Материалы XV научно-практической конференции «Актуальные задачи нефтегазохимического комплекса». 2023 – С. 253 (год публикации - 2023)

4. Убушаева Б.В., Крысанова В.А., Санджиева Д.А., Дедов А.Г. НОВЫЕ РЕАГЕНТЫ-СОБИРАТЕЛИ НЕФТИ Материалы XV научно-практической конференции «Актуальные задачи нефтегазохимического комплекса»., Материалы XV научно-практической конференции «Актуальные задачи нефтегазохимического комплекса». С. 256-257. (год публикации - 2023)

5. Санджиева Д.А., Гайзуллин А.Д., Баскаков С.А. Аэрогели на основе оксида графена и политетрафторэтилена для ликвидации аварийных разливов нефти Губкинский университет в решении вопросов нефтегазовой отрасли России. Тезисы докладов VI Региональной научно-технической конференции, посвященной 100-летию М.М. Ивановой. Москва: РГУ нефти и газа (НИУ) имени И.М. Губкина, VI Региональная научно-техническая конференция, посвященная 100-летию М.М. Ивановой. С. 680-681. (год публикации - 2023)

6. Гайзуллин А.Д., Полевой Л.А., Иванова Е.А. НЕФТЕЕМКОСТЬ АЭРОГЕЛЕЙ НА ОСНОВЕ МЕТИЛТРИМЕТОКСИСИЛАНА И ТЕТРАЭТОКСИСИЛАНА Губкинский университет в решении вопросов нефтегазовой отрасли России. Тезисы докладов VI Региональной научно-технической конференции, посвященной 100-летию М.М. Ивановой. Москва: РГУ нефти и газа (НИУ) имени И.М. Губкина, VI Региональная научно-техническая конференция, посвященная 100-летию М.М. Ивановой. С. 526-527. (год публикации - 2023)

7. Санджиева Д.А., Гайзуллин А.Д., Баскаков С.А., Ермаков Е.В., Убушаева Б.В., Бузник В.М., Дедов А.Г. ЦЕЛЛЮЛОЗНЫЕ АЭРОГЕЛИ ДЛЯ ЛИКВИДАЦИИ АВАРИЙНЫХ РАЗЛИВОВ НЕФТИ И НЕФТЕПРОДУКТОВ II Лавёровские чтения. Арктика: актуальные проблемы и вызовы [Электронный ресурс] : сб. науч. материалов [Всерос. конфер. с междунар. участием], г. Архангельск, 13-17 ноября 2023 г., С. 459-461 (год публикации - 2023)

8. Полевой Л.А., Колесник И.В., Копица Г.П., Голикова М.В., Цвигун Н.В., Хамова Т.В., Сергеева А.В., Горшкова Ю.Е., Санджиева Д.А., Убушаева Б.В., Баранчиков А.Е., Иванов В.К. Epoxy Method for the Synthesis of Two-Component Al2O3–TiO2 Aerogels and Their UV-Protective Characteristics Russian Journal of Inorganic Chemistry, Vol. 68, No. 12, pp. 1848–1864 (год публикации - 2023)
10.1134/S0036023623602209

9. Полевой Л.А., Санджиева Д.А., Баранчиков А.Е., Гайзуллин А.Д., Убушаева Б.В., Иванов В.К., Бузник В.М., Дедов А.Г. НОВЫЕ ГИДРОФОБНЫЕ НЕФТЕСОРБЕНТЫ НА ОСНОВЕ КРЕМНИЙОКСИДНЫХ АЭРОГЕЛЕЙ Theoretical Foundations of Chemical Engineering, Том 58. № 1. С. 103-114 (год публикации - 2024)
10.31857/S0040357124010137

10. Санджиева Д.А., Гайзуллин А.Д., Убушаева Б.В., Крысанова В.А., Дедов А.Г. ИССЛЕДОВАНИЕ СВОЙСТВ НОВЫХ МАТЕРИАЛОВ ДЛЯ ЛИКВИДАЦИИ АВАРИЙНЫХ РАЗЛИВОВ НЕФТИ И НЕФТЕПРОДУКТОВ Проблемы и инновационные решения в химической технологии ПИРХТ-2022: материалы всероссийской конференции с международным участием, Проблемы и инновационные решения в химической технологии ПИРХТ-2022 : материалы всероссийской конференции с международным участием / Воронеж. гос. ун-т инж. техн. – Воронеж: ВГУИТ, 2022. – 532 с. (год публикации - 2022)

11. Морозов Е. В., Санджиева Д. А.,Убушаева Б. В., Кузнецова О. В., Иваненко Т. Ю., Дедов А. Г., Бузник В. М. Plant-based herding agent promising for oil spills response in cold regions and its effect on oil/water mixtures freezing and thawing as revealed by MRI Marine Pollution Bulletin, № 211.- С. 117375 (год публикации - 2024)
10.1016/j.marpolbul.2024.117375 R

12. Полевой Л. А., Санджиева Д. А., Баранчиков А. Е., Котцов С. Ю., Голикова М. В., Хамова Т. В., Убушаева Б. В., Бузник В. М., Дедов А. Г. SiO2 Aerogels Prepared using Different Solvents Petroleum Chemistry (год публикации - 2024)
10.1134/S096554412407017X

13. Крысанова В.А., Санджиева Д.А., Кузнецова О. В., Убушаева Б.В. Реагенты-собиратели нефти для ликвидации аварийных разливов нефти и нефтепродуктов на акваториях Химия и химическая технология в XXI веке : материалы XXIV Международной научно-практической конференции студентов и молодых ученых имени выдающихся химиков Л.П. Кулёва и Н.М. Кижнера, посвященной 85-летию со дня рождения профессора А.В. Кравцова. В 2 томах. Том 2 (г. Томск, 15–19 мая 2023 г.), Т. 2., С. 226–227. (год публикации - 2023)

14. Полевой Л.А.,Санджиева Д.А., Баранчиков А.Е. Микроструктура аэрогелей SiO2, полученных с использованием различных органических растворителей XXIII Всероссийская школа-конференция молодых ученых «Актуальные проблемы неорганической химии: химия и экология». XXIII Всероссийская конференция (15-17 ноября 2024 г., Красновидово) [Электронный ресурс]: Сборник трудов / Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова, С. 79-80 (год публикации - 2024)

15. Убушаева Б. В., Крысанова В. А., Гайзуллин А.Д. Реагент для ликвидации аварийных разливов нефти и нефтепродуктов Нефть и газ – 2023 : 77-я Международная молодежная научная конференция : тезисы докладов / авторы-составители: Комков А.Н., Закроец А.В., Бутырская К.Г.; отв. ред. В.Г. Мартынов. – М.: РГУ нефти и газа (НИУ) имени И.М. Губкина, 2023. , С. 417–418 (год публикации - 2023)

16. Санджиева Д. А., Баскаков С. А., Убушаева Б. В., Кузнецова О. В., Бузник В. М., Дедов А. Г. Superhydrophobic Graphene Aerogel as a New Oil Sorbent Petroleum Chemistry (год публикации - 2024)
10.1134/S0965544124070168

17. Санджиева Д.А., Убушаева Б. В., Кузнецова О. В., Дедов А. Г. Реагенты для очистки воды от тонких нефтяных пленок XXII Менделевский съезд по общей и прикладной химии, посвященная 190-летию Д.И. Менделееву и 300-летию основания Российской академии наук. Сборник тезисов докладов в 7 томах. – Федеральная территория «Сириус», Россия.-М.: ООО «Адмирал Принт», 2024., Том. 6. – С. 337 (год публикации - 2024)

18. Полевой Л. А., Санджиева Д. А., Баранчиков А. Е., Убушаева Б. В., Дедов А.Г. Кремнийоксидные аэрогели для сорбции тяжелой нефти Юбилейная научная конференция ИНХС РАН, посвящённая 90-летию Института и 300-летию Российской академии наук. Программа. Сборник тезисов, С. 180 (год публикации - 2024)

19. Ермаков Е. В., Баскаков С. А., Санджиева Д. А., Убушаева Б. В., Кузнецова О. В. Аэрогели на основе целлюлозы для очистки воды от нефти Химия и химическая технология в XXI веке : материалы XXV Юбилейной Международной научно-практической конференции студентов и молодых ученых имени выдающихся химиков Л.П. Кулёва и Н.М. Кижнера, посвященной 100-летию со дня рождения профессора В.П. Лопатинского. В 2 томах. Том 2 (г. Томск, 20–24 мая 2024 г.) / Томский политехнический университет. – Томск : Изд-во Томского политехнического университета, 2024, Т. 2., С. 35–36. (год публикации - 2024)

20. Санджиева Д. А., Убушаева Б. В., Дедов А. Г. Новый реагент для ликвидации разливов жидких углеводородов в арктических условиях X Международная научно-техническая конференция «Освоение ресурсов нефти и газа российского шельфа: Арктика и Дальний Восток» (ОМНР-2024). – Москва: Газпром ВНИИГАЗ., С. 43 (год публикации - 2024)

Публикации

Аннотация результатов, полученных в 2024 году
Проект направлен на решение фундаментальной проблемы – сохранение окружающей среды и ликвидацию последствий техногенных катастроф. В ходе реализации третьего этапа настоящего проекта были продолжены работы по созданию новых целлюлозных нефтесорбентов. Разработаны новые аэрогели из макулатуры (распушенного вторичного картона) – К-100, из отхода текстильного производства (очеса льна) – Л-100 и их комбинаций с восстановленным оксидом графена – Л/ВОГ, К/ВОГ и соевым воском в качестве гидрофобизатора – Л/В-80, Л/В-90. Показано, что аэрогели на основе очесов льна (Л-100) и распушенного картона (К-100), подвергнутые термообработке, имеют высокую показатели сорбционной емкости по тяжелой нефти (23,9 г/г и 22,1 г/г, соответственно). Добавки соевого воска с целью увеличения гидрофобности привели к снижению сорбции нефти, что скорее всего связано с набуханием воска в органических средах и блокированием части пор вследствие этого. Введение 10%мас. ОГ способствовало связыванию волокон очеса льна между собой и получению механически прочных гидрофобных аэрогелей К/ВОГ, Л/ВОГ с углом смачивания 134-139° и высокой нефтеемкостью – 21,5 и 30,4 г/г, соответственно. Благодаря использованию целлюлозосодержащих отходов удалось получить доступные и биоразлагаемые аэрогели-сорбенты нефти. С помощью разработанных на предыдущих этапах проекта методов МРТ и ЯМР-спектроскопии с импульсным градиентом магнитного поля были проведены исследования локальной динамики и процессов транспорта углеводородов (УВ) в аэрогелях-сорбентах Л-100, К-100, а также в гидрофобизированных воском Л/В-90 и Л/В-80,. Показано, что наибольшая скорость распространения фронта пропитывания модельной углеводородной системой в объеме пористого материала наблюдалась у сорбентов Л-100 и К-100, применение которых в условиях низких температур окружающей среды может быть целесообразно вплоть до значений вязкости среды 200 мПа·с. МРТ исследование процессов транспорта УВ водонефтяных эмульсий показало, что исследуемые аэрогели могут эффективно применяться вплоть до 70 %об. содержания воды в эмульсии. Однако наблюдается заметное снижение сорбции в ряду К-100>Л/В-80>Л/В-90>Л-100. ЯМР диффузионными исследованиями локальной динамики УВ в пористой матрице обнаружено, что аэрогели К-100, Л-100, Л/В-80, Л/В-90 обладают иерархической пористой структурой с двумя типами порового пространства. Первое из которых характеризуется большими открытыми макропорами с размерами более 40 мкм и соответствует объему между растительными волокнами и другими структурными элементами. Второе характеризуется более извилистыми макропорами меньшего размера (~10 мкм), соответствует объему пор внутри пучков и волокон и отвечает за быстрое распространение первичного фронта пропитывания УВ в сорбентах К-100 и Л-100. В аэрогелях из льна, гидрофобизированных воском Л/В-80, Л/В-90, эти поры частично закрыты воском, что снижает скорость сорбции УВ в них. Исследование локальной динамики УВ позволило выявить элементы макроструктуры аэрогелей, играющие первостепенную роль в быстром распространение первичного фронта сорбции. Были продолжены работы по разработке способа утилизации отработанного сорбента на примере ранее разработанного аэрогеля ОГ/ПТФЭ 2:3. Были получены образцы «холодного» асфальта с содержанием 0, 2,5 и 5,0 мас.% порошка отработанного аэрогеля ОГ/ПТФЭ 2:3, прошедшего стадию удаления нефти. Установлено, что введение 5,0 мас.% отработанного аэрогеля приводит к увеличению угла смачивания с 98 до 106° и повышению водостойкости. Показана перспективность утилизации отработанных аэрогелей, содержащих ПТФЭ, в качестве гидрофобизирующей добавки в асфальтобетонные смеси. Впервые выполнены системные лабораторные исследования функциональных свойств РСН-1. Показано, что эффективное стягивание нефтяной пленки для последующей механической очистки воды возможно при исходной толщине не менее 0,03 мм, а для сжигания – 0,3 мм. Показано, что минимально необходимая толщина для проведения механического сбора при температуре воды 25°С достигается за 7 с, а при 5°С – за 30 мин, при этом площадь нефтяной пленки сокращается на в среднем на 227,4 м2 в секунду при 25°С, на 51,3 м2 за 1 мин при 5°С. Показано, что стянутая РСН-1 нефтяная пленка (tводы=5°С) может сохранять эффективную толщину для механического сбора в течение 7 дней в спокойной воде. Показано, что с повышением уровня ледового покрытия толщина нефтяных пленок при уровне ледового покрытия 30% достигает 2,0 мм, при 50% – 2,4 мм, при 60% – 2,8 мм, при 70% – 3,6 мм. Однако сильная фрагментация с образованием отдельных нефтяных пятен на практике может препятствовать эффективной работе скиммеров и горению нефти. Впервые показана возможность совместного применения сорбционной очистки воды от нефти после стягивания нефтяной пленки РСН-1. Выполненные модельные испытания показали, что под действием РСН-1 площадь тонкой нефтяной пленки сократилась в 21 раз до толщины 1,9 мм, нанесенный на стянутую нефтяную пленку аэрогель на 98% очистил воду от нефти. Аналогичный эксперимент был проведен без стягивания нефтяной пленки, оказалось, что степень очистки воды от нефти составила 54%. Таким образом, показано, что увеличение толщины слоя нефти за счет применения РСН-1 способствует повышению степени очистки воды от нефти сорбционным методом почти в 2 раза. Выполнено биотестирование РСН-1 с целью исследования потенциальной токсичности РСН-1. Дафниевый тест по ПНД Ф Т 14.1:2:3:4.12-06, который обязателен при установлении ПДК отдельных веществ в воде рыбохозяйственных водоемов в России, показал, что РСН-1 не токсичен. По ГОСТ 32509-2013 РСН-1 отнесен к быстроразлагаемым ПАВ со степенью биоразложения 99%. Также исследована потенциальная токсичность растворимых в воде примесей в составе аэрогелей ОГ/ПТФЭ 2:3 и МТМС/ТЭОС" по ПНД Ф Т 14.1:2:3:4.12-06, установлено, что исследуемые аэрогели при длительном нахождении в воде не выделяют токсичные компоненты. Полученные данные свидетельствуют о безопасности РСН-1 и аэрогелей ОГ/ПТФЭ 2:3 и МТМС/ТЭОС" для окружающей среды.

Публикации

Возможность практического использования результатов
В результате выполнения проекта разработан новый экологически благоприятный реагент-собиратель нефти и нефтепродуктов РСН-1 для борьбы с тонкими нефтяными пленками, не поддающимися сбору механическими методами или очистке термическим методом. Также разработаны новые аэрогели-сорбенты, эффективно поглощающие нефть и нефтепродукты в воде, в том числе при температурах, характерных для Арктики. Разработаны научные основы методики применения РСН-1, проведены испытания РСН-1 и аэрогелей по стандартизированным методикам.Также разработаны новые аэрогели-сорбенты, эффективно поглощающие нефть и нефтепродукты в воде, в том числе при температурах, характерных для Арктики. Разработаны научные основы методики применения РСН-1, проведены испытания РСН-1 и аэрогелей по стандартизированным методикам. В соответствии со шкалой по ГОСТ Р 58048–2017, уровень готовности разработанных материалов можно отнести к УГТ5: Компонент и/или макет испытаны в окружении, близком к реальному. Природно-климатические, экологические и логистические условия Арктической зоны сложны для выбора и проведения мероприятий по ЛАРН. Основную проблему ЛАРН представляет начальная стадия разлива, когда вследствие быстрого распространения нефти образуется тонкая пленка (менее 1 мм), которую нельзя удалить каким-либо методом. Таким образом, достаточная толщина нефти – это ключевой момент, от которого зависит, будут ли предприняты меры для очистки акватории или нефть(нефтепродукт) останется несобранной. РСН-1 способен эффективно увеличивать толщину нефтяной пленки для последующей очистки воды нефтесборной техникой, сорбентами или термическим методом. В отличие от диспергентов реагенты-собиратели наносятся не на поверхность нефтяного пятна, а по его периметру, благодаря чему имеют небольшой расход. Важным потенциальным преимуществом применения реагента в условиях дрейфующего льда является возможность использованием вертолетов или беспилотной летательной техники. Применение РСН даст новый толчок для развития технологий ЛАРН, повысит эффективность мероприятий по очистке акваторий.