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, аэрогели на основе метилтриметоксисилана, 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 ходе реализации третьего этапа настоящего проекта были созданы новые целлюлозные аэрогели-нефтесорбенты 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) имеют высокие 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. Методами МРТ установлены границы применение аэрогелей в зависимости от вязкости модельной углеводородной смеси и содержания воды в водонефтяных эмульсиях. ЯМР диффузионными исследованиями локальной динамики углеводородов (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. 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. Установлено, что введение 5,0 мас.% отработанного аэрогеля в «холодный» асфальт 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 нефти – 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. Впервые показана возможность совместного применения сорбционной очистки воды от нефти после стягивания нефтяной пленки РСН-1. Модельные испытания показали, 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. Все заявленные на 2024 год научные результаты достигнуты. В результате выполнения третьего этапа проекта определены функциональные свойства разработанных реагентов-собирателей нефти, синтезированы новые доступные и биоразлагаемые целлюлозные аэрогели-нефтесорбенты, предложен способ утилизации отработанных аэрогелей. Методами МРТ и ЯМР-спектроскопии исследованы сорбционные свойства новых целлюлозных аэрогелей-сорбентов в водно-нефтяных системах с целью прогнозирования их эффективности в зависимости от состояния нефти или нефтепродукта. Полученные в рамках проекта результаты имеют фундаментальную и практическую значимость, состоящую в создании новых высокоэффективных материалов для решения экологических задач, связанных с ликвидацией аварийных разливов нефти в Арктической зоне. Представленные результаты будут способствовать восстановлению и сохранению окружающей среды при освоении сырьевых ресурсов и транспортных систем Арктики. Тема исследования соответствует приоритетному направлению Стратегии НТР РФ - д) противодействие техногенным, биогенным, социокультурным угрозам, терроризму и идеологическому экстремизму, а также киберугрозам и иным источникам опасности для общества, экономики и государства.