Stabilization of petroleum and oil emulsions by bioorganic compositions based on humic acids

Full Text

Введение Возрастающие объемы антропогенного вмешательства в биосистему создают актуальную проблему современности: поиск новых и усовершенствование существующих способов очистки экосистем от токсикантов различного класса. Одними из самых опасных загрязнителей являются нефть и нефтепродукты. Распространенные способы устранения последствий нефтяного загрязнения несут в себе много недостатков. Перспективным является поиск способов ремедиации нефтезагрязненных экосистем, отвечающих требованиям «зеленой химии» и в то же время остающихся экономически выгодным. Кроме того, такой метод должен работать в экстремальных климатических условиях [1; 2]. Стабилизация водонефтяных систем (рис. 1) - это процесс, обладающий динамикой, определяющийся законами соперничающей адсорбции на эмульсионных каплях многообразных вещественных соединений такого типа. Изначально протекание этого процесса имеет довольно высокую скорость, а затем замедляется в соответствии с наполняемостью свободной капельной поверхностью, на которой способна происходить реакция адсорбции веществ с последующим ее замедлением. Существенная доля стабилизаторов нефти натурального происхождения причисляется к поверхностным активным веществам. Структурная особенность эмульгаторов заключается в их дифильности. Другими словами, данные вещества включают в себя группы ионогенов (полярной) и радикала углеводорода. Первая группа определяет родственную связь эмульгатора с водой. Углеводороды схожи с углеводородными веществами в жидком состоянии. Соотносимость величины обеих групп определяет устойчивость эмульсий [3]. Упрощенно данный механизм (рис. 1) можно описать следующим образом: способность ГК к адсорбции на различных поверхностях приводит к разрушению структурного каркаса в объеме нефти, препятствуя его восстановлению. Дезактивированные частицы парафинов с адсорбированными асфальтосмолистыми веществами теряют способность к осаждению и удерживаются в нефти в виде суспензии. Исходя из механизма структурообразования в нефтяных системах, можно предположить, что перевод частиц дисперсной фазы из связнодисперсного в свободнодисперсное состояние будет способствовать уменьшению вязкости системы [4]. Рис. 1. Механизм образования эмульсии нефти и нефтепродуктов с ПАВ. Источник: авторский рисунок / Figure 1. Mechanism of oil and petroleum products emulsion formation with surfactants Source: author’s drawing Переход от модельных объектов выделения биодиспергентов нефти и нефтепродуктов - торфов, углей, сапропелей к коммерческим готовым гумусовым препаратам и оценка критериев их применимости как ПАВ обеспечит универсальность разработанных биоорганических композиций в промышленных масштабах. Целью работы является изучение стабилизирующей способности гуминовых кислот, выделенных из тростникового торфа Рязанской области, по отношению к сырой нефти, углеводородам нефти при различных абиотических условиях водной среды. Экспериментальная часть Для изучения физико-химических характеристик гуминовых кислот (ГК) и их связывающих по отношению к нефти и нефтепродуктам были выбраны гуминовые кислоты тростникового торфа Рязанской области, выделенные проводили по наиболее распространенной методике, основанной на растворении торфа в растворе NaOH с образованием растворимых гуматов и подкислении раствора для осаждения свободных гуминовых кислот [4-6]. Примерная схема реакции выделения гуминовых кислот под действием NaOH представлена на рис. 2. Рис. 2. Схема выделения гуминовых кислот под действием NaOH / Figure 2. Scheme of humic acid release under the action of NaOH Определяли критическую концентрацию мицеллообразования ГК методом сталагмометрии и методом дю Нуи [7-9]. Для проведения экспериментов готовили серии растворов, которые должны были соответствовать критерию критической концентрации в этом растворе. Проводили по 5 параллельных замеров с интервалом 15 мин в зависимости от концентрации. Для определения поверхностного натяжения методом дю Нуи использовали танзиометр, ККМ определяли из графика с зависимостью g = f(lgC). Для проведения экспериментов готовили серии растворов, которые должны были соответствовать критерию критической концентрации в этом растворе. Проводили по 5 параллельных замеров с интервалом 15 мин в зависимости от концентрации. При определении сталагмометрическим методом. Суть заключалась в измерении веса капли раствора гуминовых кислот, отрывающейся от конца капилляра в нижней части сталагмометрической трубки. Стабильность нефтяных и масляных эмульсий определяли методом турбидиметрии [8-10]. Метод основан на измерении ослабления интенсивности основного светового потока после его прохождения через дисперсную среду. Использование в работе длины волны 525 нм обусловлено литературными данными [11], согласно которым коллоидные частицы хорошо рассеивают коротковолновый (синий) свет, при этом они не оказывают воздействие на красный - длинноволновый. Оптимальная длинная волны была определена экспериментально. Методика эксперимента: в колбы вносили раствор гуминовых кислот концентрацией 50 мг/л и 2 % токсиканта по объему. Для изучения влияния гуминовых кислот на агрегатное состояние загрязнителей растворы помещали в ультразвуковую баню на 2 мин. После этого отбирали пробы через 2, 4, 6, 8, 10, 12, 20, 24, 26 часов на глубине 4 см для измерения оптической плотности при 525 нм на спектрофотометре СФ-104 [12-14], коэффициент пропускания служил критерием стабильности эмульсии в воде (T, %) [3; 4; 15; 16] (1) где D - оптическая плотность. В качестве модельных загрязнителей выбраны следующие объекты: дизельное топливо с заправки Роснефть, отработанное синтетическое моторное масло total quartz 9000 5w40 и сырая нефть с нефтеперерабатывающего завода АО «ГАЗПРОМНЕФТЬ-МНПЗ». Физико-химические характеристики модельных токсикантов определяли по методикам ГОСТ[1] [17; 18]. Эксперименты проводили в водных средах при различных абиотических условиях (комнатная температура (22 °С), пониженная температура (0 °С), повышенная соленость (10 % NaCl)). Стадии экспериментального процесса стабилизации нефтяных / масляных эмульсий представлены на рис. 3. Результаты и обсуждение Установили критическую концентрацию мицеллообразования ГКряз методом Дю Нуи и методом сталогмометрии: результаты 0,6 г/л при использовании обоих методов. Полученные данные по значению ККМ ГКряз согласуются с данными других работ: 0,6-0,8 г/л [19], 0,8 г/л [18], низкое значение ККМ обуславливает высокую способность ПАВ гуминовых кислот снижать поверхностное натяжение. Этот фактор приводит к увеличению стабильности образовавшейся эмульсии. Кроме того, при дальнейшем увеличении концентрации нефтепродуктов способность к адсорбции гуминовых кислот достигает насыщения, и поверхностное натяжение не может уменьшаться дальше. Однако при слишком большой концентрации нефтепродуктов, по сравнению с гуминовыми кислотами, увеличение стабильности эмульсии не достигается, а, наоборот, эмульсия становится более «хрупкой», что связано с ослаблением эффекта Марангони. Высокая амфифильность ГКряз, обусловленная их строением, способствует формированию супрамолекулярных структур - мицелл за счет Ван-дер-Ваальсового взаимодействия [19]. г d в с б b а а Рис. 3. Стадии образования стабильных нефтяных эмульсий: а - две несмешивающиеся жидкости; б - диспергирование, образование нестабильной эмульсии; в - добавление поверхностно-активных веществ, коагуляция нефтяных частиц; г - стабилизация нефтяных эмульсий / Figure 3. Stages of formation of stable oil emulsions: a - two immiscible liquids; b - dispersion, formation of unstable emulsion; c - addition of surfactants, coagulation of oil particles; d - stabilization of oil emulsions , δ J/m2Концентрация, г/1л; Concentration, gram/1 liter Рис. 4. Зависимость поверхностного натяжения водных растворов гуминовых кислот / Figure 4. Dependence of the surface tension of aqueous solutions of humic acids В работе использовали биоорганические композиции (рис. 5) следующего состава: монобактериальные композиции: ГК (50 мг/л) : суспензия бактерий (105-106 КОЕ) = 3:1; полибактериальные композиции: ГК (50 мг/л) : суспензия бактерий (105-106 КОЕ) = 5:3. Рис. 5. Состав биоорганической композиции / Figure 5. Composition of bioorganic composition Устанавливали стабилизирующую способность тростниковых гуминовых кислот Рязанской области и биоорганических композиций на их основе. Данные по стабилизации нефтяных и масляных эмульсий при комнатной температуре для анализируемых образцов представлены на рис. 6. Установлено, что гуминовые кислоты, выделенные из тростникового торфа Рязанской области, стабилизируют эмульсии модельных токсикантов в воде (рис. 6). Значения коэффициента пропускания водной эмульсии сырой нефти в присутствии ГКряз на 8 % меньше, чем в контрольном образце (рис. 6 а), для дизельного топлива - на 4 % меньше, а для отработанного синтетического моторного масла - на 8 %. Стойкость систем эмульсий в первую очередь связана с образованием на поверхности раздела фаз «нефть-вода» адсорбционного слоя. Вследствие этого образуется прочный механический барьер на мелких каплях воды, распределенных в нефтяно-масляной фазе, что препятствует отделению воды. Для модельных токсикантов было определено содержание примесей серы по методике[2]: 6,8 % наблюдается для дизельного топлива; для сырой нефти - 1,3 %, для отработанного моторного масла - 1,3 %. Известно, что чем ниже содержание серы в нефтепродуктах, тем более устойчивой является система [20]. Добавление ПАВ, в виде гуминовых кислот, оказывает существенное влияние на образование и стабилизацию масляных и нефтяных эмульсий. Характерной особенностью ГК является амфифильность, которую обеспечивают гидрофильные и гидрофобные группы, входящие в состав молекулы ГК. На стабилизирующую способность гидрофильность влияет следующим образом: чем она выше, тем сильнее способность ГК к стабилизации эмульсий нефти в воде. а б в г д е Conventional color designations: green - petroleum; red - water; blue - diesel fuel; black - oil Рис. 6. Стабилизация эмульсии нефтепродуктов при комнатной температуре (22˚С) а - ГКряз.; б - «ГКряз. + R. erythropolis S67»; в - «ГКряз. + R. erythropolis X5»; г - «ГКряз. + Pseudomonas fluorescens 142NF»; д - « ГКряз. + R. erythropolis S67 + R. erythropolis Х5»; е - « ГКряз. + R. erythropolis S67 + R. erythropolis Х5 + Pseudomonas fluorescens 142NF». Источник: составлено авторами / Figure 6. Stabilization of the emulsion of petroleum products at room temperature (22°C) a - HAs.; б - "HAs + R. erythropolis S67"; в - "HAs + R. erythropolis X5"; г - "HAs + Pseudomonas 142NF"; д - "HAs+ R. erythropolis S67 + R. erythropolis X5"; е - "HAs + R. erythropolis S67 + R. erythropolis X5 + Pseudomonas fluorescens 142NF" Source: compiled by the authors. В работе были использованы микроорганизмы-нефтедеструкторы рода Rhodococcus и Pseudomonas. Значения величины пропускания (Т) при использовании биоорганической композиции были существенно ниже, чем в системах, состоящих только из гуминовых кислот (рис. 6 б, в, г). Величина коэффициента пропускания эмульсии для дизельного топлива изменяется в диапазоне от 44 до 50 % через 2 часа после начала эксперимента в зависимости от выбранного микроорганизма и от 60 до 65 % к моменту завершения эксперимента (рис. 6 б, в, г). Сравнивая с контрольным экспериментом, видно, что коэффициент пропускания уменьшается на 10 % (рис. 6 а). Для отработанного моторного масла и нефти коэффициент пропускания снижается на 20 % относительно контроля. Значения коэффициентов пропускания через 24 часа в водных эмульсиях нефтепродуктов выравниваются. Такой эффект происходит из-за того, что ГК выступают в качестве адаптогенов бактерий к их росту на гидрофобных субстратах путем перераспределения между средой и клеточной поверхностью биосурфактантов, продуцируемых Pseudomonas и Rhodococcus. Этот процесс способствует более быстрому поглощению углеводородов нефти и стабилизации масляных/нефтяных эмульсий в воде, приводящему к осаждению мелкодисперсных частиц. Кроме того, при совместном использовании Pseudomonas и ГКряз. стабилизирующее действие выше для отработанного моторного масла. При сравнении ГК и Rhodococcus отмечено, что коэффициент пропускания меньше на 5-10 %, что, может быть, связано с составом используемого отработанного моторного масла. В его состав входят тяжелые нефтяные фракции, которые способны деградироваться штаммом Pseudomonas благодаря выделенным им плазмидам [21]. Максимальный стабилизирующий эффект достигается при использовании биоорганических композиций на основе ГКряз и ассоциации бактерий: для композиции «ГКряз+R.X5+R.S67» коэффициенты пропускания эмульсий на 15-56 % ниже относительно контроля и на 5-35 % ниже относительно ГКряз и для каждого штаммов бактерий, используемого не в ассоциации. Для следующей композиции: «ГКряз+R.X5+R.S67+Ps.142NF» коэффициенты пропускания эмульсий на 37-75 % ниже относительно контроля и на 24-50 % ниже относительно ГКряз и для каждого штаммов бактерий, используемого не в ассоциации. Максимального стабилизирующего эффекта можно достигнуть при применении биоорганических композиций на основе ГКряз. и ассоциации бактерий: для «ГКряз+R.X5+R.S67» коэффициенты пропускания эмульсий уменьшились на 15-56 % относительно контрольного эксперимента и на 5-35 % - относительно ГКряз и одного штаммов бактерий из каждого вида. При использовании биокомпозиции «ГКряз+R.X5+R.S67+Ps.142NF» коэффициенты пропускания эмульсий ниже на 37-75 % относительно контрольного эксперимента и на 24-50 % для композиции ГКряз и одного штамма бактерий каждого вида. а б в г д е Conventional color designations: green - petroleum; red - water; blue - diesel fuel; black - oil Рис. 7. Стабилизация эмульсии нефтепродуктов при пониженной температуре (0˚С) а - ГКряз.; б - «ГКряз. + R. erythropolis S67»; в - «ГКряз. + R. erythropolis X5»; г - «ГКряз. + Pseudomonas fluorescens 142NF»; д - « ГКряз. + R. erythropolis S67 + R. erythropolis Х5»; е - «ГКряз. + R. erythropolis S67 + R. erythropolis Х5 + Pseudomonas fluorescens 142NF». Источник: составлено авторами / Figure 7. Stabilization of the emulsion of petroleum products at a reduced temperature (0°C) a - HAs.; б - "HAs + R. erythropolis S67"; в - "HAs + R. erythropolis X5"; г - "HAs + Pseudomonas 142NF"; д - "HAs + R. erythropolis S67 + R. erythropolis X5"; е - "HAs + R. erythropolis S67 + R. erythropolis X5 + Pseudomonas fluorescens 142NF" Source: compiled by the authors. Изучали стабилизирующую способность ГКряз. совместно с микроорганизмами-нефтедеструкторами в условиях пониженной температуры (0 °С) (рис. 7). Низкие температуры снижают скорость распространения и перемещения разлитой нефти вследствие увеличения ее вязкости. Изменения, происходящие в нефти из-за снижения температуры, влияют на биодоступность и степень деградации микроорганизмов, а также на солюбилизацию экотоксикантов. Из представленных данных видно, что ГК при температуре 0 °С стабилизируют эмульсию модельных экотоксикантов в воде (рис. 7 а). Результаты определения коэффициента пропускания водной эмульсии дизельного топлива в присутствии ГК при пониженной температуре стали меньше на 3 %, чем в контроле, в сырой нефти - на 6 % и в отработанном моторном масле - на 8 %. Важно отметить, что стабилизация эмульсий аналогична данным эксперимента при комнатной температуре при использовании биоорганической композиции на основе ГК и ассоциации бактерий-нефтедеструкторов. Установлено, что коэффициент пропускания уменьшается в ряду: «ГКряз + Rhodococcus X5» → «ГК + Pseudomonas fluorescens 142NF» → «ГКряз + Rhodococcus S67». Минимальный коэффициент пропускания масляных эмульсий был достигнут при использовании биоорганической композиции «ГК + Rhodococcus S67» 65 % (рис. 7 б, в, г). Снижение коэффициента пропускания эмульсии происходит за счет применения биоорганической композиции на основе ГКряз. и ассоциации бактерий (как при использовании двух, так и при использовании трех штаммов). В условиях пониженной температуры их применение приводит к снижению коэффициента пропускания эмульсий до 68-73 % для дизельного топлива, 60-64 % - для отработанного моторного масла и 64-69 % - для сырой нефти (рис. 7). Применимость использования Rhodococcus в экстремальных условиях также показана в работе [22]. Далее было проведено исследование стабилизирующей способности гуминовых кислот в условиях повышенной солености среды (10 % NaCl). Вместе с микроорганизмами в качестве токсикантов использовали сырую нефть, отработанное моторное масло и дизельное топливо. Данные по стабилизации эмульсий токсикантов представлены на рис. 8. Стабилизирующая способность гуминовых кислот в условиях повышенной солености была сравнима с ней же в условиях пониженной температуры (рис. 8), коэффициент пропускания нефтяных эмульсий варьировался от 82 до 85 % (в зависимости от типа используемого токсиканта). В зависимости от типа используемых бактерий относительно раствора ГКряз совместно с микроорганизмами-нефтедеструкторами значения коэффициента Т водной эмульсии сырой нефти, дизельного топлива и отработанного моторного масла снижается на 5-24 %. а б в г д е Conventional color designations: green - petroleum; red - water; blue - diesel fuel; black - oil Рис. 8. Стабилизация эмульсии нефтепродуктов в условиях повышенной солености среды (10% NaCl): а - ГКряз.; б - «ГКряз. + R. erythropolis S67»; в - «ГКряз. + R. erythropolis X5»; г - «ГКряз. + Pseudomonas fluorescens 142NF»; д - « ГКряз. + R. erythropolis S67 + R. erythropolis Х5»; е - « ГКряз. + R. erythropolis S67 + R. erythropolis Х5 + Pseudomonas fluorescens 142NF». Источник: составлено авторами / Figure 8. Stabilization of molybdenum of non-products in the composition of food salt (10% NaCl) a - HAs.; б - "HAs + R. erythropolis S67"; в - "HAs + R. erythropolis X5"; г - "HAs + Pseudomonas 142NF"; д - "HAs + R. erythropolis S67 + R. erythropolis X5"; е - "HAs + R. erythropolis S67 + R. erythropolis X5 + Pseudomonas fluorescens 142NF" Source: compiled by the authors. При сравнении монокультурной биоорганической композиции с поликультурным отмечено снижение коэффициента пропускания на 24-43 % для «ГКряз + R.S67 + R.X5» и 10-29 % для «ГКряз + R.S67 + R.X5 + Ps.142NF» в сравнении с контролем и на 2-22 % для «ГКряз + R.S67 + R.X5» и 10-29 % для «ГКряз + R.S67 + R.X5 + Ps.142NF. Среди всех используемых микроорганизмов лучше влияли на стабилизацию эмульсий Rhodococcus X5, что согласуется с их более высоким индексом эмульгирования Е24 (при температуре культивирования 26 оС E24 R.X5 к гексадекану составил 55 %, что на 20 % выше, чем у R. S67) [26]. Заключение Установлено, что биоорганические композиции на основе ГКряз. и ассоциаций микроорганизмов можно использовать в качестве стабилизаторов нефтяных эмульсий в воде при различных абиотических условиях. Применение монокультурных биоорганических композиций снижает коэффициент пропускания в условиях повышенной солености на 5-24 % в зависимости от выбранного токсиканта (дизельное топливо, сырая нефть или отработанное моторное масло) по сравнению с контрольными экспериментами. Кроме того, выявлено, что коэффициент пропускания сильнее снижается при использовании биоорганических композиций с поликультурами (24-43 % для «ГКряз + R.S67 + R.X5» и 10-29 % для «ГКряз + R.S67 + R.X5 + Ps.142NF»). При применении композиций в условиях пониженных температур коэффициент Т опустился до 68-73 % для дизельного топлива, 60-64 % - для отработанного моторного масла и 64-69 % - для сырой нефти. Кроме того, в работе было установлено, что коэффициент пропускания уменьшается в ряду: «ГКряз+Rhodococcus X5» → «ГКряз + Pseudomonas fluorescens 142NF» → «ГКряз+Rhodococcus S67». Эффективность биоорганических композиций обусловлена образованием ГК структурно-механического барьера вокруг нефтяных капель. Другой фактор, обуславливающий возможность их использования, - это то, что ГК - питательный субстрат для микроорганизмов-нефтедеструкторов. В свою очередь, после нанесения микроорганизмов на очищаемую поверхность, они включаются в процесс биодеградации углеводородов нефти благодаря прикреплению к ее пленке на разделе фаз «нефть - природная среда». В результате жизнедеятельности микроорганизмов и деструкции нефти возникают биосурфактанты, способствующие солюбилизации нефтяных углеводородов. В результате образования миксов эмульсий нефти и последующей седиментации происходит дальнейшее разложение до нетоксичных продуктов.

About the authors

Maria M. Gertsen

Tula State Lev Tolstoy Pedagogical University

Author for correspondence.
Email: mani.gertsen@gmail.com
ORCID iD: 0000-0002-0026-4933
SPIN-code: 3989-8560

Junior Researcher at the Laboratory of Chemistry and Soil Ecology, Assistant at the Department of Biomedical Disciplines and Pharmacognosy

125 Lenin Avenue, Tula, 300026, Russian Federation

Anastasia N. Golysheva

Tula State University

Email: nastyagolysheva2000@yandex.ru
ORCID iD: 0009-0004-5135-4455
SPIN-code: 1852-6831

Junior Researcher at the Laboratory of Chemical Conversion of Renewable Biomass and Organic Synthesis

92 Lenin Avenue, Tula, 300012, Russian Federation

Leonid V. Perelomov

Tula State Lev Tolstoy Pedagogical University

Email: perelomov@rambler.ru
ORCID iD: 0000-0003-0507-4968
SPIN-code: 2695-0200

PhD in Biology, Senior Researcher at the Laboratory of Chemistry and Ecology of Soils, Associate Professor, Department of Chemistry

125 Lenin Avenue, Tula, 300026, Russian Federation

References

Supplementary files