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

Объекты исследования – реагенты-собиратели нефти, водонефтяные системы, композитные графеновые аэрогели с политетраэтиленом, аэрогели на основе метилтриметоксисилана и тетраэтоксисилана, целлюлозные аэрогели на основе растительного сырья и вторичного картона. Цель по выполняемому проекту – разработка и систематическое изучение новых экологически благоприятных материалов для очистки воды от нефти(нефтепродуктов) в условиях Арктики. Проект направлен на решение фундаментальной проблемы – сохранение окружающей среды и ликвидация последствий техногенных катастроф. Арктика является климатоформирующим регионом планеты, поэтому сохранение окружающей среды в этом регионе имеет глобальное значение. В результате реализации второго этапа проекта с помощью протонной, гетероядерной, одно- и двумерной спектроскопии ЯМР были произведены исследования структуры и химического состава образцов разработанных реагентов-собирателей нефти РСН-1 и РСН-2. Показано, что разработанные РСН состоят из экологически благоприятных компонентов - фосфолипидов, жирных кислот, глицерина, изобутилового спирта. Впервые с помощью ЯМР релаксационных и диффузионных измерений охарактеризовано поведение РСН в воде. Показано, что в системе РСН/вода в концентрационном диапазоне 0-50 об.% воды для любой из основных присутствующих компонент не наблюдается образования межмолекулярных ассоциатов/мицелл или других структур с характерными временами жизни пико- и наносекунды и в масштабах нескольких нанометров. Показана возможность применения РСН-1 в холодной воде в стягивании и увеличении толщины пленок средней нефти и тяжелой нефти, дизельного топлива. Показано, что для прогнозирования эффективности РСН в стягивании нефтяной пленки может быть использован коэффициент растекания нефти по поверхности воды. Синтезированы новые аэрогели и выполнена поисковая работа по улучшению сорбционных свойств ранее синтезированных аэрогелей. Синтезированы новые целлюлозные гидрофобные сорбенты из вторичного сырья – картонной макулатуры, гидрофобизированные политетрафторэтилена (ПТФЭ), с сорбционной емкость по нефти –13,62 г/г. Синтезированы новые двухкомпонентные аэрогелей Al2O3–TiO2 эпоксидным методом, основанном на гелировании растворов TiCl4 и Al(NO3)3 в диметилформамиде. Образец аэрогеля состава (Al2O3)0,5(TiO2)0,5, с мольной долей титана 50% сорбировал 5,2 г/г тяжелой нефти. Усовершенствована методика синтеза разработанных на первом этапе кремнийоксидных аэрогелей на основе МТМС и ТЭОС путем подбора растворителя диметилсульфоксида, удалось повысить нефтеемкость с 9,3 до 13,5 г/г. Выполнены системные исследования нефтеемкости композитных графеновых ОГ/ПТФЭ, кремнийоксидных аэрогелей МТМС/ТЭОС с улучшенными сорбционными характеристиками, композитных аэрогелей на основе целлюлозы и политетрафторэтилена Ц/ПТФЭ 9:1 в статических и динамических условиях. Показана способность этих аэрогелей эффективно сорбировать тяжелую и бутиминозную нефть, а также при низких температурах воды, что делает их перспективными сорбентами для ликвидации разливов нефти и нефтепродуктов. Превосходные сорбционные свойства продемонстрировал ОГ/ПТФЭ 2:3 в форме бруска, нефтеемкость которого по тяжелой нефти оказалась – 58,5 г/г. Показано, что адсорбционная способность аэрогелей ОГ/ПТФЭ 2:3, МТМС/ТЭОСʺ, Ц/ПТФЭ 9:1 описывается математическим уравнением Ленгмюра. Показано, что наибольшая емкость монослоя оказалась у аэрогеля ОГ/ПТФЭ – 52,91 г/г. Показано, кинетика сорбции нефти наилучшим образом описывается на аэрогеле ОГ/ПТФЭ хемосорбционной моделью Еловича, на аэрогеле МТМС/ТЭОСʺ – моделью псевдо-второго порядка, на аэрогеле Ц/ПТФЭ – моделью псевдо-первого порядка. Предложен способ переработки и утилизации использованного сорбционного материала на примере аэрогеля ОГ/ПТФЭ 2:3 (брусок). Сорбированную аэрогелем нефть отгоняли, полученный после отгонки аэрогель измельчали, прессовали и получали гидрофобный образец с θ=119° в виде цилиндра массой 1,034 г и плотностью 0,967 г/см3, твердостью по Шору около 11. Прессованные остатки использованного сорбента можно предложить в качестве наполнителя в асфальт. Впервые с помощью МРТ были проведены исследования процессов углеводородного транспорта в кремнеземном аэрогеле МТМС/ТЭОСʺ 1:1 в условиях, моделирующих естественные. Было установлено, что применение аэрогеля в условиях низких температур окружающей среды может быть целесообразно вплоть до таких температур, при которых значения вязкости целевых продуктов достигают 600 мПа·с. Также установлено, что в условиях образования водонефтяных эмульсий аэрогель может эффективно применяться вплоть до значений содержания воды в эмульсии 70 об.%. Полученные результаты демонстрируют перспективы метода МРТ для оценки степени эффективности применении кремнеземного гидрофобного аэрогеля для сбора нефтей и нефтепродуктов при разливах и техногенных катастрофах. Все заявленные на 2023 год научные результаты достигнуты.