XXVI Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся

Старт в науке

Ликвидация последствий загрязнения мазутом акватории Черного моря

• Авторы
• Руководители
• Файлы работы
• Наградные документы

Герасимов А.И. 1

---

1Лицей №280 им.М.Ю. Лермонтова , 4 "Б" класс, Санкт-Петербург

Шигаева Т.Д. 1

---

1Лицей 280, СПб ФИЦ РАН

Работа в формате PDF

2.3 MB

Автор работы награжден дипломом победителя I степени

Диплом школьникаСвидетельство руководителя

Введение

Экологические проблемы являются одними из самых актуальных во всем мире. Развитие промышленного производства, включающего разработку новых технологий и современных материалов, связанных, в том числе, с переработкой нефтепродуктов (далее НП), привело к катастрофическому загрязнению окружающей среды. Техногенные катастрофы причиняют огромный вред всей экосистеме. Яркий тому пример – недавняя экологическая трагедия, произошедшаяв результатеаварии нефтяных танкеров и выброса тысяч тонн мазута в Черное море, которая нанесла непоправимый ущерб флоре и фауне.

Нас, например, не может оставить равнодушными ситуация с розовыми пеликанами, которые могут пострадать от этой катастрофы наряду со многими другими представителями животного и растительного мира. Розовые пеликаны занесены в Красную книгу, так как до недавнего времени они находились на награни вымирания. Только недавно их популяция незначительно выросла, и они начали селиться на Черноморском побережье близ Анапы. После разлива мазута в Керченском проливе им снова угрожает опасность.

Мы заинтересованы в том, чтобы последствия этого трагического события были ликвидированы как можно скорее, чтобы в кратчайшие сроки в акватории Черного моря был восстановлен природный баланс и чтобы подобные катастрофы больше никогда не повторялись.

Актуальность нашего исследования обусловлена тем, что несмотря на существование различных организаций и сообществ по охране окружающей среды, действия по ликвидации последствий экологических катастроф, связанных с разливом мазута, остаются малоэффективными и не приводят к желаемым результатам.

Объектом нашего исследования являются техногенные катастрофы, связанные с попаданием мазута в природную водную среду.

Цель исследования – выявить оптимальный способ борьбы с последствиями разлива мазута в морской акватории.

Для достижения поставленной цели нами были определены следующие задачи:

– изучить физические и химические свойства мазута и его поведение при взаимодействии с морской водой;

– изучить поведение мазута в различных температурных условиях;

– изучить последствия негативного воздействия мазута на окружающую среду;

– сравнить используемые способы ликвидации последствий загрязнения мазутом морской среды;

– смоделировать ситуацию взаимодействия мазута с морской водой в условиях, приближенных к природным;

– смоделировать ситуацию взаимодействия песка, загрязненного мазутом, с морской водой;

– проанализировать полученный результаты.

В ходе исследования мы использовали методы экспериментального моделирования, экстракции, измерения и наблюдения для изучения химических и физических свойств мазута и морской воды и особенностей их поведения при взаимодействии в различных температурных условиях, а также сравнительный анализ для сопоставления эффективности различных способов ликвидации последствий экологических катастроф, связанных с выбросами мазута в морскую акваторию.

Теоретической основой исследования явились труды известных российских ученых в области ликвидации последствий экологических катастроф Георгия Белозёрова, Татьяны Мокочуниной, Ирины Перминовой и других.

Практическая значимость состоит в том, что полученные результаты и сформулированные выводы позволят оптимизировать процесс ликвидации последствий загрязнения морских акваторий мазутом.

Глава 1. Теоретические основы исследования

1.1. Физические и химические свойства мазута

Мазут – это густая тёмно-коричневая маслянистая жидкость, вязкая смесь тяжелых углеводородов, остаточная фракция атмосферной перегонки нефти. В состав мазута входят высококипящие углеводороды, нефтяные смолы, асфальтены (твердые, хрупкие, неплавкие и наиболее высокомолекулярные вещества из всех выделенных компонентов нефти) и другие компоненты.

Температура кипения мазута выше 350 °C. Температура застывания зависит от его марки и может варьироваться от +10 °C до +25 °C. Температура вспышки 80 – 110 °C. Мазут практически не растворяется в воде. Растворяется в бензоле, маслах и нефтепродуктах. Мазут М-100 (топливо) вырабатывается на базе остатков атмосферной и вакуумной перегонки с добавлением тяжёлых газойлевых фракций (газойль – это продукт переработки нефти, представляющий собой смесь жидких углеводородов и примесей, содержащих серу, азот и кислород) [12].

Максимальная плотность мазута М-100 при 20 °C составляет 1015 кг/м3. Чем выше плотность, тем больше вязкость, меньше содержание водорода и больше количество азота, углерода, кислорода и серы [17]. Плотность мазута (то есть, по сути, способность мазута отделяться от молекул воды при подогреве) – величина непостоянная, она напрямую влияет на вязкость мазута и изменяется практически прямо пропорционально температуре окружающей среды. Для каждой марки мазута значение плотности свое [30]. Физико-химические свойства мазута и его состав зависят от качества конкретной партии поступившего на завод сырья, т. е. нефти.

1.2. Физические и химические свойства морской воды

Морская вода – это вода морей и океанов. В Черном море, в открытой его части, солёность на поверхности составляет 17 – 18 промиллей (‰) и возрастает с глубиной до 22,3‰ [6]. Минимальное значение солёности (12,7‰) наблюдается весной, что связано с увеличением объёмов речного стока и осадков в прибрежной зоне Температура поверхностных слоёв воды Чёрного моря колеблется в среднем от 6 °C до 25 °C в открытом море, иногда достигая летом 30 C на мелководье. Зимой в открытом море поверхностные воды охлаждаются до 6–8 °C [6]. Плотность морской воды колеблется в пределах от 1020 кг/м³ до 1030 кг/м³ и зависит от температуры и солёности. При охлаждении морская вода сжимается и плотность её увеличивается [6].

Морская вода слабощелочная, её водородный показатель (pH) варьирует от 7,5 до 8,4, причем минимальное значение рН наблюдается зимой, а максимальное – летом [6].

Морская вода содержит все известные химические элементы, хотя ее главным компонентом является натрия хлорид. Весовое содержание химических элементов различно: 99,6% составляют соли галогеноводородных кислот (фториды, хлориды, бромиды и иодиды) натрия, калия, магния и сульфаты магния и кальция. На долю остальных веществ приходится всего лишь 0,4% солевого состава. В морской воде в достаточном количестве присутствуют фосфор, азот (в неорганических соединениях) и кремний, необходимые для живых организмов. Морская вода также содержит различные растворённые атмосферные газы, главным образом азот, кислород, аргон и углекислый газ [12]. Органические вещества в морской воде могут находиться в коллоидном, растворённом или взвешенном состояниях. В 1 л воды Чёрного моря (в поверхностных водах) содержится 3–4 мг веществ в различных состояниях [1].

1.3. Взаимодействие мазута с морской водой

Группа экологов под руководством Георгия Каваносяна провела эксперимент на берегу Черного моря в Краснодарском крае с целью изучения поведения разлившегося в морской воде мазута в реальных условиях и выявления последствий загрязнения морской акватории. В результате проведенных исследований ученые пришли к выводу, что «мазут, попадая в соленую морскую воду, преимущественно тонет» [14]. Однако при увеличении температуры воды, по словам исследователей, начинает всплывать на поверхность из-за различия «в коэффициенте термического расширения между мазутом и водой, что создает условия для его возврата на поверхность» [14]. В связи с этим сохраняется возможность повторного появления мазута на берегу во время штормов.

Мазут, попадая в морскую воду, образует на поверхности тонкую плёнку, из-за своего состава он практически не растворяется в воде. Эта плёнка может иметь различные оттенки, включая белый и рыжий, в зависимости от состава мазута и условий окружающей среды. В состав белой плёнки входят более лёгкие компоненты мазута, которые остаются на поверхности в результате эмульгирования – это лёгкие углеводороды, нефтяные смолы, асфальтены и другие органические соединения, которые содержатся в мазуте. В рыжей плёнке преобладают тяжелые фракции асфальтенов и карбиды, придающие тёмный цвет, при этом в рыжей плёнке могут присутствовать окисленные соединения металлов – никеля (Ni), железа (Fe), иногда меди (Cu), которые дают рыжий оттенок, а также ванадия (V), который может давать тёмно-коричневый или чёрный оттенки.

В свою очередь, эксперт Морского гидрофизического института РАН Сергей Станичный считает, что, например, распространение мазута М-100 в виде пленки на поверхности воды затруднено из-за того, что его плотность близка к плотности морской воды, поэтому «этот тип мазута склонен к перемешиванию с водой, что создаёт взвесь в толще воды» [23].

Специалист по промышленной экологии эксперт «Центра охраны дикой природы» Игорь Ш. также утверждает, что мазут, в отличие от других нефтепродуктов, не всплывает на поверхность, а уходит на дно или плавает в толще воды и «может оставаться в морской воде от месяца до нескольких лет, пока его не съедят бактерии» [8]. Однако достаточно высокая соленость морской воды при температуре от 3 ^оС до 7 ^оС мешает мазуту опускаться на дно, в связи с этим руководитель лаборатории хемоэкологии Института биологии южных морей имени А. О. Ковалевского (ФИЦ ИнБЮМ) РАН Елена Т. полагает, что «низкие температуры морской воды, а также наличие в ней соли сокращают ущерб для экологии, поскольку удерживают пятно мазута» [16].

1.4. Сфера применения и особенности транспортировки мазута

Мазут используется как энергетическое топливо и источник сырья для нефтехимии. С ним связано производство множества ценных продуктов: парафина, вазелина, нефтяных смол, бензина и керосина, гидравлических жидкостей и смазочных материалов.

Интересующий нас мазут марки М-100 используется в качестве котельного топлива для различных отопительных систем и печей, включая системы парового отопления. Помимо этого, мазут М-100 активно применяется во всевозможных технологических двигателях, двигателях грузовых машин и спецтехники. Максимальный спрос на мазут приходится на зимний период времени Мазут относится к опасным грузам, поэтому его перевозки регулируются российским законодательством и международными договорами. Правила транспортировки мазута прописаны в ГОСТе (государственном стандарте) и ДОПОГ (Соглашении о международной дорожной перевозке опасных грузов, принятом ООН). Транспортировка мазута по морю осуществляется с использованием танкеров (специализированных судов, оборудованных цистернами). Маршруты танкеров прокладываются вдали от маршрутов следования пассажирских кораблей и на безопасных расстояниях от маршрутов других грузовых судов. Осуществляется постоянный мониторинг нахождения судна и состояния груза.

1.5. Экологические риски

Мазут представляет собой опасность для всех живых существ, в том числе для человека. Он может попасть в организм как при вдыхании паров, так и через кожу. При вдыхании человеком паров мазута у него появляются тошнота, высыпания на коже, слабость. Пары мазута могут провоцировать респираторные заболевания, вызывать приступы бронхиальной астмы, поражать бронхи и лёгкие. Попадая через органы дыхания в кровь, ядовитые вещества воздействуют на головной мозг человека, вызывая головокружение, слабость и головную боль.

Попадание мазута на кожу может привести к серьёзным аллергическим реакциям, дерматитам и экземам, поэтому при любых контактах с мазутом необходимо использовать средства индивидуальной зашиты — респираторы, прорезиненные перчатки и специальную одежду. Однако даже маски и специальная экипировка не гарантируют полную защиту от испарений мазута.

Мазут чрезвычайно опасен как для флоры, так и для фауны. «Всего два грамма нефтепродуктов в одном килограмме почвы делают её непригодной для жизни растений и почвенной микрофлоры [28]. Как утверждают экологи, один литр мазута, попадая в акваторию, лишает кислорода сорок тысяч литров воды и всех её обитателей. Кроме того, донные отложения нефтепродуктов подрывают кормовую базу. Экологи также опасаются, что гибель кормовой базы негативно скажется на кефали, бычках и других видах рыб [22].

Ветврач-биохимик Ольга П. описывает ужасный эффект от попадания мазута на оперение птиц: «Оно слипается и перестает выполнять свою терморегуляционную функцию, птицы просто замерзают» [21]. К тому же они всё время пытаются очистить перья, мазут через клюв попадает в желудок, и птицы погибают от токсического отравления.

По данным научно-экологического Центра спасения дельфинов «Дельфа», с 15 по 25 декабря на берегу Чёрного моря нашли более двадцати мёртвых дельфинов. Научный сотрудник Института проблем экологии и эволюции имени Северцова РАН исполнительный директор Совета по морским млекопитающим Дмитрий Г. заявил, что «нефтеразлив произошёл в ключевой для дельфинов акватории Чёрного моря. Млекопитающие рискуют накопить токсины, которые попадут в организм вместе со съеденной рыбой» [19]. Кроме того, животные, скорее всего, получат ожоги при попадании в пятно нефтепродуктов.

1.6. Способы ликвидации последствий попадания мазута в морскую акваторию

1.6.1 Механический способ ликвидации последствий разлива мазута

Механический способ на первый взгляд кажется довольно простым: загрязненные участки ограждаются бонами, которые должны локализовать распространение мазута по поверхности воды. Затем в воду погружаются скиммеры, представляющие собой специальные приспособления для удаления разлившихся НП с поверхности воды. Их собирают в отдельную ёмкость, а затем вынимают и утилизируют. Но, во-первых, мазут в обычных условиях не покрывает поверхность водоема пленкой, а уходит под воду, образуя во время шторма так называемый «нефтяной мусс», который невозможно выкачать при помощи насосов [16]. Во-вторых, мазут может смешиваться с прибрежным песком, создавая дополнительные трудности при очистке загрязненных территорий. В-третьих, утилизация собранных отходов предполагает использование специальных довольно дорогостоящих технологий.

Следовательно, данный способ представляет собой довольно трудоемкий и затратный процесс, а эффективность его не высока.

1.6.2. Термический способ ликвидации последствий разлива мазута

Термический способ заключается в выжигании НП, однако применять его можно лишь при достаточной толщине мазутного слоя. Кроме того, мазут образует пленку на поверхности воды только при определенной температуре, чаще всего непосредственно после загрязнения. После того как мазут уйдет под воду и образуется «нефтяной мусс», использование этого способа становится невозможным. Следовательно, термический способ ликвидации последствий разлива мазута применим только при определенных ограниченных условиях и не является эффективным.

1.6.3. Физико-химический способ ликвидации последствий разлива мазута

Физико-химический способ предполагает использование сорбентов и диспергентов.

Сорбенты – это вещества с пористой структурой на углеродной основе, способные поглощать различные соединения из окружающей их среды [19].

Существуют различные виды сорбентов. Для ликвидации последствий разлива мазута должны применяться олеофильные (притягивающие НП) и гидрофобные (водоотталкивающие) сорбенты [19], которые при взаимодействии с водной поверхностью сразу же начинают впитывать НП. При средней плотности НП максимальное насыщение происходит в течение первых десяти секунд, а затем образуются насыщенные мазутом комья, в связи с чем возникают проблемы вторичного загрязнения, сбора, транспортировки, хранения и утилизации отходов.

Второй группой специальных химических веществ, которые могут быть использованы при ликвидации последствий разлива мазута, являются диспергенты, способные расщеплять пленку из НП. Однако, во-первых, диспергенты негативно влияют на окружающую среду, а во-вторых, в нашей стране подобные препараты пока не производятся и, по словам доктора химических наук заведующего лабораторией химического факультета МГУ Ирины Перминовой, «физико-химических способов очистки в подобной ситуации до сих пор не существует» [16], хотя ведущими инженерами МФТИ уже ведется «разработка состава с высоким диспергирующим действием при определенных температуре и солености воды и обладающего низкой токсичностью» [21]. Однако пока преждевременно говорить об эффективности применения физико-химического способа ликвидации последствий разлива мазута.

1.6.4. Биологический способ ликвидации последствий разлива мазута

Биологический способ ликвидации последствий разлива мазута является, на наш взгляд, наиболее оптимальным.

К основным методам биологической очистки относятся: а) биоремедиация (использование микроорганизмов, разлагающих углеводороды мазута на безопасные компоненты); б) фиторемедиация (использование растений для поглощения и переработки мазута); в) биостимуляция (активизация в зонах загрязнения естественных микроорганизмов путем добавления кислорода или питательных веществ, таких как азот и фосфор).

Все эти методы имеют свои достоинства и недостатки и зачастую применяются в комплексе [4]. Остановимся подробнее на биоремедиации. Она включает в себя несколько этапов: 1) определение типа загрязнения и концентрации мазута; 2) внесение бактериальных культур, способных эффективно разлагать углеводороды; 3) регулирование условий (температуры, влажности, аэрации), необходимых для ускорения процесса разложения мазута [25].

«Биоразложение нефтепродуктов – это естественный процесс разложения углеводородов до углекислого газа и воды, протекающий благодаря широко распространенным в природе микроорганизмам» [3]. Этот способ основывается на применении специальных грибков или бактерий, которые «питаются» нефтепродуктами, превращая их в углекислый газ и воду. «В идеальных условиях и при правильно рассчитанной дозе эти крошечные микроорганизмы способны поглотить килограмм нефтепродукта всего за несколько часов!» [29].

В этом процессе могут быть задействованы самые различные углеводородокисляющие микроорганизмы: бактерии, микроскопические грибы и дрожжи [20]. Многие исследователи отдают предпочтение бактериальной очистке при помощи таких штаммов, которые могут эффективно перерабатывать тяжёлые углеводороды, содержащиеся в мазуте марки М-100 [26].

Для очисти поверхностных вод и почвы используются аэробные бактерии-нефтедеструкторы (Pseudomonas, Rhodococcus), жизнедеятельность которых невозможна без кислорода, а для очистки глубинных слоёв почвы – анаэробные бактерии-нефтедеструкторы (Clostridium), способные функционировать и без кислорода [26].

Ученые Мурманского биологического института (ММБИ) РАН предлагают одновременное использование бактерий и бурых водорослей, вплетённых в установленные в местах разлива мазута вертикальные и горизонтальные канаты. Обитающие в растениях бактерии смогут разлагать нефтепродукты, а водоросли – поглощать продукты разложения. [2].

При этом следует отметить, что эффективность применения биологического способа зависит как от вида нефтепродукта, так и условий, при которых произошло загрязнение. Наряду с очевидными плюсами данный метод имеет и свои минусы:

– для нормальной жизнедеятельности микроорганизмов необходимы определенные температурные условия: наиболее эффективно очищение происходит при температуре 20 – 28 °С, а при температуре 6 – 15 °С интенсивность окисления нефтепродуктов снижается в 2,5 – 4 раза. При температуре выше 37 °С рост бактерий (а соответственно, и разложение мазута) также замедляется.

– «имеются также проблемы с хранением запаса микроорганизмов в портах, особенно в зимнее время» [25].

– применение этого способа дает наилучшие результаты в том случае, если толщина плёнки мазута не превышает 1 мм.

– бактерии прежде всего «съедают наиболее лёгкие, подвижные и самые токсичные фракции» [12], а в состав мазута М-100 входит большое количество тяжелых фракций углеводородов, которые они перерабатывают гораздо медленнее. Процесс переработки также затрудняет высокая вязкость мазута;

– по сравнению с физико-химическими методами биоразложение нефти – процесс довольно медленный: полное уничтожение загрязнения может произойти только через несколько месяцев [12].

К преимуществам использования биологического способа относятся:

– относительная безопасность с точки зрения экологии, так как бактерии разлагают мазут на углекислый газ, воду и биомассу;

– возможность применения в сложных условиях, когда не могут быть использованы другие способы ликвидации разливов нефтепродуктов;

– отсутствие необходимости утилизации отходов;

– способность микроорганизмов адаптироваться к изменению условий окружающей среды;

– возможность самостоятельного восстановления экосистемы после применения бактерий;

– экономическая выгода, так как данный способ является менее затратным по сравнению с другими.

Вывод: при всех своих недостатках биологический способ ликвидации последствий разлива мазута является доступным, экологически чистым и наименее затратным по сравнению с другими.

2. Практическая часть

2.1 Моделирование и анализ процесса взаимодействия мазута М-100

с морской водой

Чтобы выявить наиболее эффективный способ ликвидации последствий техногенной катастрофы близ берегов Анапы в декабре 2024, в результате которой произошел разлив нескольких тысяч тонн мазута, мы провели экспериментальное моделирование этой ситуации. Перед нами стояли следующие задачи:

– составить подробную характеристику всех элементов модулируемой системы;

– спрогнозировать поведение системы в различных условиях;

– проанализировать влияние различных факторов на поведение отдельных элементов системы;

– выявить оптимальные способы очищения морской воды от мазута.

Под моделируемой системой мы понимаем совокупность изучаемых природных веществ, находящихся во взаимодействии друг с другом.

Материалы и оборудование, использованные для экспериментального моделирования системы, представлены в таблице 1.

Таблица 1

Материалы и оборудование, использованные в процессе моделирования системы

Химический состав, а также химические и физические свойства исследуемого образца морской воды отражены соответственно в таблице 1 и таблице 2 (Приложение 4).

Мы попытались смоделировать разлив мазута в море, стараясь максимально соблюдать температурный режим и поддерживать условия, близкие к природным.

Температура воды в Чёрном море в месте разлива на 17 декабря 2024 года составляла от 3^о – 7^о С. Поэтому мы налили в стеклянную чашу с кварцевым песком и водорослями морскую воду указанной марки, предварительно охлажденную до 6 ^оС (фото 1). Затем добавили в воду мазут (фото 2).

По мнению исследователей, при охлаждении воды мазут должен «садиться» в толщу или на дно. [16]. В ходе наблюдения данный факт не нашёл своего подтверждения. Мазут находился на поверхности. Опыт продолжился при комнатной температуре. Вскоре температура воды достигла отметки в 13 ^о С – это средняя температура морской воды в декабре [24].

Далее было принято решение понизить температуру ниже 6 ^о С, но не доводить воду до кристаллизации. Для этого чаша со всем содержимым была вынесена на открытый воздух и находилась всю ночь вне помещения при температуре окружающей среды около 3 ^о С.

Утром мы провели замер, температура системы была равна 3 ^о С. Мазут по-прежнему плавал на поверхности, хотя стал более вязким.

Следующим этапом исследования было наблюдение за изменением свойств взаимодействующих веществ при повышении температуры, то есть мы хотели узнать, как поведут себя мазут и морская вода при постепенном потеплении весной и установлении жаркой погоды летом (до 25 ^ОС).

Система из окружающей среды была перенесена в помещение, где находилась при комнатной температуре в течение продолжительного периода времени. Измерения температуры проводились каждый час. Проведя наблюдения, мы пришли к выводу, что с увеличением температуры мазут остаётся на поверхности воды, но его вязкость уменьшается, вода приобретает немного мутный цвет. При перемешивании верхнего слоя воды и мазута последний полностью обволок водоросли, вода стала мутнее, на поверхности в местах меньшей концентрации мазута появилась рыжевато-коричневая плёнка.

По утверждению экологов, мазут при низких температурах должен находиться в толще воды либо на дне, но наш опыт показывал обратное. Возможно, не все факторы были нами учтены.

Ответ был найден при более тщательном изучении погодных условий в Керченском проливе на момент аварии. Причиной крушения танкеров стал сильный шторм, то есть взвесь песка поднималась в толщу и на поверхность воды. Шторм также стал причиной столь быстрого попадания мазута на берег (уже вечером того же дня мазут выбросило на побережье Анапы). Мазут не состоит из фракций – он сам является фракцией нефти, в воде мазут не расслаивается. Прибой разбивал его до каплеобразного состояния, к таким каплям и комочкам прилипал песок и тащил его на дно. Таким образом, мазут начинал скапливаться в прибрежной полосе и на глубине нескольких метров, постоянно перемещаясь в воде вдоль берега.

Следовательно, мы не учли влияние взвешенных частиц песка (при взаимодействии с ними мазут их обволакивает, заставляя опускаться на дно), а также плотность песка (примерно 1600 кг/м³). В зависимости от объёма кварцевых частичек, с которым взаимодействовал мазут, его некоторые части оказались в толще воды или на дне моря.

Мы повторно смоделировали ситуацию: предварительно охладив систему до 6 ^о С, мы добавили в чашу небольшую порцию кварца и создали взвесь, имитируя условия шторма (фото 3 и 4).

Как видно на фото 5, при смешивании с кварцевым песком мазут образовал фигуру неправильной формы и постепенно погрузился на дно (фото 5). Также при перемешивании отделились небольшие чёрные фракции мазута в виде шариков разной величины, часть из которых плавала в толще воды, а часть погрузилась на дно. На поверхности воды появилась светлая плёнка, в местах большей концентрации мазута плёнка имела коричнево-рыжий цвет (фото 6). Можно предположить, что появление плёнки связано с тем, что система уже подвергалась нагреву.

Максимально точно смоделировав природные условия исходной ситуации при низких температурах, мы опытным путем подтвердили выводы ученых о свойствах мазута, проявляющихся при его взаимодействии с холодной морской водой.

Мы также смоделировали ситуацию весеннего потепления, поместив чашу на источник тепла, то есть свечу (фото 8). С повышением температуры морской воды мазут на поверхности стал менее вязким, и рыжая пленка начала закручиваться в спираль (фото 9), приобретая темно-коричневый оттенок. Затем мазут полностью растекся по поверхности, образовав практически однородный чёрный слой (фото 10).

Далее при помощи фена мы смоделировали повышение температуры до летних показателей – нагрели систему до 25 ^о С. На данном этапе эксперимента произошло наиболее выраженное изменение – находящаяся на дне бесформенная чёрная мазутная масса постепенно начала подниматься в толще воды. При температуре 21 ^оС мазутный сгусток, подобно буйку (фото 11), всплыл на поверхность в густом чёрном мазутном слое (фото 12).

Таким образом, мы эмпирическим путём подтвердили, что при увеличении температуры морской воды вязкость мазута уменьшается и он поднимается со дна и толщи воды на поверхность, образуя там чёрный мазутный слой.

Для более детального изучения взаимодействия морской воды и мазута мы прибегли к микроскопическому исследованию результатов опыта, рассмотрев под микроскопом морскую воду (фото 13), чистый мазут М-100 (фото 14 – 15) и мазут, контактирующий с морской водой (фото 16 – 18). На фото 13 можно наблюдать прозрачную жидкость с включениями кристалликов соли и частичек жизнедеятельности морской флоры и фауны, в частности, органических остатков водорослей.

На фото 14 – 15 видно, что мазут имеет ярко окрашенную плотную структуру, внешне напоминающую корку хлеба.

Во время проведения микроскопического исследования воды при ее взаимодействии с мазутом нас прежде всего интересовала плёнка, образующаяся на поверхности. Рассмотрим получившиеся результаты (фото 16).

На фото хорошо видны светлые и темно-рыжие участки, схожие по структуре с мазутом. Плотная белая «корка» с темно-рыжими вкраплениями (фото 17 и 18) – это и есть та самая светлая плёнка, почти прозрачная, покрывающая морскую поверхность, препятствующая поступлению кислорода. Именно она является причиной гибели морских животных. Рыжие участки разной интенсивности окрашивания, судя по структуре, также препятствуют поступлению кислорода в толщу воды.

Вывод: моделирование разлива мазута в морской воде показало, что поведение его напрямую зависит от температуры воды и окружающего воздуха. В реальной ситуации постоянного изменения погодных условий на месте катастрофы механический, термический и физико-химический способы ликвидации последствий таких техногенных катастроф, к сожалению, являются нерезультативными.

Следовательно, наиболее эффективным способом ликвидации последствий разлива мазута является биологический способ. В ходе нашей дальнейшей исследовательской деятельности мы непременно займемся его изучением как наиболее экологичного и экономически целесообразного.

2.2. Моделирование и анализ процесса взаимодействия песка, загрязненного мазутом марки М-100, с морской водой

Для эффективной ликвидации последствий экологической катастрофы, связанной с разливом нефтепродуктов в морской акватории, необходимо иметь представление о взаимодействии морской воды с прибрежным песком, загрязненным НП.

С этой целью нами было проведено дополнительное исследование, в ходе которого мы решили следующие задачи:

- определили массовую концентрацию нефтепродуктов в морской воде до экологической катастрофы;

- определили массовую концентрацию нефтепродуктов в воде после взаимодействия ее с загрязненным песком;

- сравнили полученные результаты с ПДК.

Массовая концентрация нефтепродуктов – это показатель содержания этих веществ в каком-либо объекте, например, в морской воде [11].

ПДК – предельно допустимая концентрация нефтепродуктов в морской воде, установленная Приказом № 552 Минсельхоза России от 13.12.2016 г. для водных объектов рыбохозяйственного назначения [18].

Материалы и оборудование, использованные для исследования, представлены в таблице 2.

Таблица 2

Материалы и оборудование

Для определения массовой концентрации нефтепродуктов в воде с помощью прибора ФЛЮОРАТ 02-3М необходимо прежде всего получить экстракт вещества для анализа. Именно метод экстракции, то есть «извлечение вещества из раствора или сухой смеси с помощью растворителя» [5], мы использовали в нашем опыте.

ФЛЮОРАТ 02-3М – это «прибор для измерения массовой концентрации неорганических и органических соединений в воде, воздухе, почве и других объектах после переведения анализируемых веществ в раствор» [20].

На первом этапе мы налили в делительную воронку 100 мл морской воды «Магия Чёрного моря» (V_пр), забранной до экологической катастрофы, и добавили к ней 10 мл гексана (V_г) (фото 19).

Гексан – это органическое вещество, экстрагент, насыщенный углеводород, представляющий собой «бесцветную, летучую, легковоспламеняющуюся жидкость с характерным запахом, напоминающим бензин» [7]. Гексан входит в состав бензина и является органическим растворителем. Он используется для обезжиривания стеклянной посуды и в качестве компонента для экстракции при пробоподготовке.

Под экстрагентом в химии понимают вещество, способное «избирательно извлекать отдельные компоненты из твёрдых материалов или жидких смесей» [5].

После встряхивания воронки в течение одной минуты мы установили систему в вертикальном положении и оставили ее на некоторое время в спокойном состоянии (фото 20).

Дождавшись расслоения содержимого (при этом цвет системы не изменился, она оставалась прозрачной), мы слили воду для получения экстракта и часть его

поместили в кювету, которую установили в кюветное отделение аппарата ФЛЮОРАТ 02-3М. Согласно показаниям прибора массовая концентрация НП в гексановом экстракте пробы составила 0,101 мг/дм³ ( (фото 21).

На втором этапе мы смоделировали природное взаимодействие морской воды с прибрежным песком. Для этого в ёмкость с загрязненным песком мы добавили 100 мл воды и тщательно взболтали систему (фото 22), имитируя прибойный поток.

Когда кварцевая взвесь осела, вода осталась мутной и имела темно-коричневый (почти чёрный) оттенок (Фото 23).

Затем мы налили в делительную воронку 1 мл полученной загрязнённой жидкости (фото 24), разбавили её дистиллированной водой, доведя объём до 100 мл и добавили 10 мл гексана.

После встряхивания воронки в течение одной минуты (Фото 25) мы установили систему в вертикальном положении и оставили ее в спокойном состоянии на некоторое время.

Произошло расслоение, гексан приобрёл светло-жёлтый оттенок (Фото 26). Мы слили воду и часть полученного экстракта поместили в кювету, установив её в кюветное отделение аппарата.

Согласно показаниям прибора массовая концентрация НП в гексановом экстракте пробы (воды, смешанной с песком) составила 12,8 мг/дм³ ( (фото 27). Применив формулу (1) [15], мы вычислили массовую концентрацию НП в пробе воды после ее взаимодействия с загрязнённым песком:

, где

– массовая концентрация НП в гексановом экстракте пробы согласно показаниям прибора (12,8 мг/дм³);

объем гексана, взятый для экстракции, см³ (10);

– объем пробы, см³ (100);

коэффициент разбавления экстракта (соотношение объемов мерной колбы и точной порции экстракта). В данном случае он равен 100, так как мы налили в делительную воронку 1 мл полученной загрязнённой жидкости, разбавив её дистиллированной водой и доведя объём до 100 мл.

ПДК нефтепродуктов в морской воде для водных объектов рыбохозяйственного назначения составляет 0,05 мг/дм³ [18].

Результаты проведенного исследования отражены в таблице 3.

Таблица 3

Результаты исследования

по определению концентрации нефтепродуктов в морской воде

Таким образом, в первом случае концентрация НП не превысила ПДК (наличие незначительного количества НП в пробе примем за погрешность, т.к. вода хранилась в пластиковой таре). Во втором случае массовая концентрация НП в пробе больше предельно допустимой в 2560 раз:

128 мг/дм³ : 0,05 мг/дм³ = 2560

А по сравнению с пробой воды, взятой до катастрофы, массовая концентрация НП в пробе воды после взаимодействия с загрязненным песком увеличилась примерно в 12673 раза:

128 мг/дм³ : 0,0101 мг/дм³ 12673

Вывод: проведенное исследование показало, что массовая концентрация нефтепродукта в морской воде после ее взаимодействия с песком, загрязненным мазутом марки М-100, увеличилась просто катастрофически!

Совершенно очевидно, что для ликвидации последствий разлива мазута недостаточно применения механического, термического и химического методов очистки воды. Проблема намного глубже: мазутные отложения в прибрежном песке, контактируя с уже очищенной морской водой, еще очень долгое время будут загрязнять окружающую среду, причиняя вред здоровью людей и негативно влияя на флору и фауну.

Следовательно, для борьбы с последствиями подобных техногенных катастроф требуется более эффективный и экологичный способ, а именно биологический, так как бактерии могут перерабатывать нефтепродукты как в воде, так и в почве, улучшая экологическую обстановку в целом.

Заключение

На сегодняшний день не существует готовых решений по эффективной ликвидации последствий разлива мазута в акватории и на побережье. Используемые способы пока далеки от совершенства. Ученые находятся в постоянном поиске новых методов, которые помогут справиться с проблемой быстро и качественно. Мы солидарны с П.Л. Ивасишиным, считающим, что «именно микроорганизмам принадлежит роль самоочищения природных объектов (почвы, воды) от нефтепродуктов» [9].

Проведенные в нашей работе исследования показали, что проблема намного глубже: мазутные отложения в прибрежном песке, контактируя с уже очищенной морской водой, еще очень долгое время будут загрязнять окружающую среду, причиняя вред здоровью людей и негативно влияя на флору и фауну.

Следовательно, для борьбы с последствиями подобных техногенных катастроф требуется более эффективный и экологичный способ. С нашей точки зрения это биологический метод. Так как бактерии могут перерабатывать нефтепродукты как в воде, так и в почве, улучшая экологическую обстановку в целом.

Список литературы

1. Анисимов М. Ю., Бирюк В. В., Горшкалев П. А., Теплых С. Ю., Шершакова А.А. Получение воды питьевого качества для населенных пунктов Черноморского побережья // ВЕСТНИК МАХ, 2019. № 4. С. 26 – 31 [Электронный ресурс] // Режим доступа: https://vestnikmax.ifmo.ru/file/article/19209.pdf?ysclid=m8er94958k210436717 (Дата обращения: 16.03.2025).

2. Бактерии для очистки почвы и воды от нефти и нефтепродуктов // портал «Терра Экология» [Электронный ресурс] // Режим доступа: https://terra-ecology.ru/stati/bakterii-dlya-ochistki-pochvy-i-vody-ot-nefti-i-nefteproduktov/ (Дата обращения: 13.08.2025).

3. Бактерии, сорбенты, подводные беспилотники: как очистить Черное море от мазута [Электронный ресурс] // Режим доступа: // https://ki-news.ru/article/bakterii-sorbenty-podvodnye-bespilotniki-kak-ochistit-chernoe-more-ot-mazuta/?ysclid=men1sdxtfo281530145 (Дата обращения: 23.08.2025).

4. Биоремедиация: что это и как работает // Экология. Информационный портал для специалистов и руководителей по экологии [Электронный ресурс] // Режим доступа: https://www.trudohrana.ru/article/104805-25-6m-bioremediatsiya-chto-eto-i-kak-rabotaet-v-2025-godu (Дата обращения: 25.08.2025)

5. Википедия. Свободная энциклопедия [Электронный ресурс] // Режим доступа: https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%AD%D0%BA%D1%81%D1%82%D1%80%D0%B0%D0%BA%D1%86%D0%B8%D1%8F (Дата обращения: 10.08.2025).

6. Википедия. Свободная энциклопедия [Электронный ресурс] // Режим доступа: https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%A7%D1%91%D1%80%D0%BD%D0%BE%D0%B5_%D0%BC%D0%BE%D1%80%D0%B5 (Дата обращения: 10.08.2025).

7. ГК «Крезол» // Официальный сайт [Электронный ресурс] // Режим доступа: https://krezol.ru/articles/khimicheskaya-promyshlenost-/primenenie-geksana-ot-ekstraktsii-masla-do-laboratornogo-analiza/ (Дата обращения: 09.08.2025).

8. Давыдова Ю. Последствия разлива мазута в Чёрном море // природоохранный проект "Земля касается каждого" [Электронный ресурс] // Режим доступа: https://earthtouches.me/articles/2025/01/03/posledstvija-razliva-mazuta-v-chjornom-more/ (Дата обращения: 16.03.2025).

9. Ивасишин П.Л. Ликвидация последствий нефтеразливов посредством биоразлагающих сорбентов [Электронный ресурс] // Режим доступа: https://cyberleninka.ru/article/n/likvidatsiya-posledstviy-nefterazlivov-posredstvom-biorazlagayuschih-sorbentov (Дата обращения: 19.03.2025).

10. Кулакова И.И., Лисичкин Г.В. Ликвидация аварийных разливов нефти. Сорбационная очистка поверхности акваторий от нефтяных загрязнений / И.И. Кулакова, Г.В. Лисичкин // Учебное пособие к спецкурсам кафедры химии нефти и органического катализа «Переработка нефти» и «Нефтехимия» – Москва, 2022. – 82 с. [Электронный ресурс] // Режим доступа: https://chem.msu.ru/rus/teaching/oil/Likvidatsija.avarijnykh.razlivov.nefti.2022.pdf (Дата обращения: 12.08.2025)

11. Массовая концентрация нефтепродуктов в вводах. Методика измерений ИК-фотометрическим методом // Ростов-на-Дону, 2022. 32 с. [Электронный ресурс] // Режим доступа: https://mgmtmo.ru/edumat/rd/52.24.476_2022.pdf (Дата обращения: 10.08.2025).

12. Мазут // Свободная энциклопедия ВикипедиЯ [Электронный ресурс] // Режим доступа: https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%9C%D0%B0%D0% B7%D1%83%D1%82 (Дата обращения: 16.03.2025).

13. Мальцева Е. Ученые ИнБЮМ из Севастополя рассказали о питающихся мазутом бактериях // портал EcoPravda.ru [Электронный ресурс] // Режим доступа: https://www.ecopravda.ru/obschestvo/uchenye-inbyum-iz-sevastopolya-rasskazali-o-pitayushhihsya-mazutom-bakteriyah/ (Дата обращения: 19.03.2025).

14. Мальцева Е. Экологи проводят эксперимент с мазутом на берегу Черного моря // портал EcoPravda.ru [Электронный ресурс] // Режим доступа: https://www.ecopravda.ru/obschestvo/ekologi-provodyat-eksperiment-s-mazutom-na-beregu-chernogo-morya/ (Дата обращения: 16.03.2025).

15. Методика измерений массовой концентрации нефтепродуктов в пробах природных, питьевых, сточных вод флуориметрическим методом на анализаторе жидкости ФЛЮОРАТ 02 (М 01-05-2012) // ПНДФ 14,1:2:4,128-9>8. – МОСКВА, 1998 г. (С изменением № 1 от 13.07,2017. Дата введения в действие 01.01.2018). –25 с. – С. 13.

16. Особенности морской воды удерживают пятно мазута в Черном море // портал Наука – ТАСС [Электронный ресурс] // Режим доступа: https://nauka.tass.ru/nauka/22709709?utm_source=yandex.ru&utm_medium=organic&utm_campaign=yandex.ru&utm_referrer=yandex.ru (Дата обращения: 16.03.2025).

17. Отличия мазута М-100 от М-40 // портал TRAIDER-OIL [Электронный ресурс] // Режим доступа: https://www.trader-oil.ru/informatsiya/mazut-info/otlichiya-mazuta-m-100-ot-m-40/ (Дата обращения: 16.03.2025).

18. Приказ Министерства сельского хозяйства «Об утверждении нормативов качества воды водных объектов рыбохозяйственного значения, в том числе нормативов предельно допустимых концентраций вредных веществ в водах водных объектов рыбохозяйственного значения» № 552 от 13.12.2016 г. [Электронный ресурс] // Режим доступа: https://normativ.kontur.ru/document?moduleId=1&documentId=477262&ysclid=me5x9gl3po402935476 (Дата обращения: 10.08.2025).

19. Присевко Д.Ю. Процесс сорбции веществ и его место в жизни человека // Старт в науке. Научный журнал для школьников, 2022. № 6 [Электронный ресурс] // Режим доступа: https://science-start.ru/en/article/view?id=2247 (Дата обращения: 19.03.2025).

20. СИБИРЬ-КОМПЛЕКТ // Официальный сайт [Электронный ресурс] // Режим доступа: https://kom-sib.ru/catalog/analizatory_zhidkosti_flyuorat_1710/ (Дата обращения: 09.08.2025).

21. Создан уникальный российский препарат для ликвидации морских нефтяных разливов // портал «Научная Россия» [Электронный ресурс] // Режим доступа: https://scientificrussia.ru/articles/sozdan-unikalnyj-rossijskij-preparat-dla-likvidacii-morskih-neftanyh-razlivov (Дата обращения: 19.03.2025).

22. Сорбент // портал Neftegaz.RU [Электронный ресурс] // Режим доступа: https://neftegaz.ru/tech-library/ekologiya-pozharnaya-bezopasnost-tekhnika-bezopasnosti/147966-sorbent/ (Дата обращения: 19.03.2025).

23. Станичный С. Разлив мазута в Черное море распространится в толще воды // приложение ВКонтакте [Электронный ресурс] // Режим доступа: https://vk.com/wall-68030706_3596383?w=wall-68030706_3596383 (Дата обращения: 16.03.2025).

24. Температура воды в Черном море // портал World Weather [Электронный ресурс] // Режим доступа: https://nauka.tass.ru/nauka/22709709?utm_source=ya.ru&utm_ medium=referral&utm_campaign=ya.ru&utm_referrer=ya.ru (Дата обращения: 17.03.2025).

25. Удаление мазута // ПрофБиоМастер - биопрепараты и экология. [Электронный ресурс] // Режим доступа: https://vk.com/@profbiomaste-udalenie-mazuta?ysclid=men30ydio510468617 (Дата обращения: 25.08.2025).

26. Ученые КУБГУ намерены очистить Черное море от мазута с помощью бактерий // портал Наука.рф [Электронный ресурс] // Режим доступа: https://наука.рф/news/uchenye-kubgu-namereny-ochistit-chernoe-more-ot-mazuta-s-pomoshchyu-bakteriy/ (Дата обращения: 13.08.2025).

27. Ученые попробуют избавиться от мазута в Черном море с помощью специальных бактерий // Комсомольская правда [Электронный ресурс] // Режим доступа: https://www.kuban.kp.ru/daily/27659/5044567/ (Дата обращения: 13.08.2025).

28. Ученые предложили метод борьбы с разливом мазута в Черном море // портал Наука.рф [Электронный ресурс] // Режим доступа: https://наука.рф/news/uchenye-predlozhili-metod-borby-s-razlivom-mazuta-na-chernom-more/ (Дата обращения: 19.03.2025).

29. Четыре метода ликвидации аварийных разливов нефти // портал «Терра Экология» [Электронный ресурс] // Режим доступа: https://terra-ecology.ru/stati/metody-likvidacii-avarijnyx-razlivov-nefti/ (Дата обращения: 19.03.2025).

30. Что такое мазут: особенности производства, виды и сфера применения // портал СПЕЦТРАНС-СЕРВИС OIL [Электронный ресурс] // Режим доступа: https://sts-strezh.ru/poleznaya-informacziya/chto-takoe-mazut (Дата обращения: 16.03.2025).

Приложение 1

Фото 1 – Мазут марки М-100

Приложение 2

Фото 2 –Морская вода «Магия Чёрного моря»

Приложение 3

Фото 3 – Кварцевый песок

Приложение 4

Таблица 1

Химический состав исследуемого образца морской воды

Таблица 2

Химические и физические свойства исследуемого образца морской воды

Приложение 5

Фото 4 – Песок с побережья и морская вода

Приложение 6

Фото 5 – Гексан, песочные часы, ёмкость с морской водой и загрязненным песком с побережья Анапы (справа налево), кювета (на переднем плане)

Приложение 7

Фото 6 – Анализатор жидкости «ФЛЮОРАТ-02» (М 01-05-2012)