Эколого-геохимические особенности снежного покрова (твердой фазы) в районах размещения нефтеперерабатывающих заводов (г. Омск, Ачинск, Павлодар)

Размещено на http://www.allbest.ru/

УДК 551.578.46:504.4:550.4:665.6.013(571)(574)

Эколого-геохимические особенности снежного покрова (твердой фазы) в районах размещения нефтеперерабатывающих заводов (г. Омск, Ачинск, Павлодар)

Т.С. Шахова, А.В. Таловская, Е.Г. Язиков

Аннотация. Исследование направлено на установление геохимической характеристики снежного покрова в окрестностях нефтеперерабатывающих заводов. Методы анализа: инновационный нейтронно-активационный анализ. Выявлены аномальные отношения La/Ce в твердой фазе снега в окрестностях Омского НПЗ. Установлены высокие концентрации некоторых химических элементов в твердой фазе снега в окрестностях каждого исследуемого завода относительно фона.

Ключевые слова: нефтеперерабатывающий завод, снежный покров, химические элементы, редкоземельные элементы

Об авторах:

Аспирант, Национальный исследовательский Томский политехнический университет, г Томск, tatyanags29@yandex.ru

К.г.-м.н., доцент, Национальный исследовательский Томский политехнический университет, г Томск, talovskaj@yandex.ru

Д.г.-м.н., профессор, Национальный исследовательский Томский политехнический университет, г Томск, yazikoveg@tpu.ru

T.S. Shakhova, A.V. Talovskaya, E.G. Yazikov

Eco-geochemical peculiarities of snow cover (solid phase) in the areas petroleum refineries location (OMSK, ACHINSK, PAVLODAR)

Abstract. Research is directed at establishing the geochemical characteristics of the snow cover in the vicinity of petroleum refineries. Methods of analysis: innovative neutron activation analysis. Revealed the anomalous La/Ce ratios in the solid snow phases in the vicinity of the Omsk refinery plant. Established the high concentrations of some chemical elements in the solid snow phases in the vicinity of each plant.

Keywords: petroleum refinery plant, snow cover, chemical elements, rare earth elements

Россия является одним из мировых лидеров по запасам, добыче и экспорту нефти. В нашей стране главенствующую роль в сырьевой базе жидких углеводородов играет Западно-Сибирский нефтегазовый бассейн, в недрах которого заключено две трети запасов и почти половина ресурсов нефти страны. Нефтью и газом обеспечивается более половины всех топливно-энергетических и химико-технологических потребностей мира. Объём их добычи, потребления и область использования в качестве сырья для производства различной продукции неуклонно растёт [1] и развитие мировой нефтехимии в ближайшем будущем будет опережать другие отрасли промышленности. В связи с этим идет строительство новых заводов и модернизация имеющихся предприятий по переработке нефти, и, соответственно, это будет отражаться на состоянии окружающей среды.

Одними из важных сред, определяющую состояние окружающей среды, являются атмосфера, способная накапливать, перемешивать и распространять специфические компоненты различных отраслей промышленности. Специфичные компоненты могут характеризовать конкретный вид производства. Одним из способов поиска таких специфичных соединений в атмосферном воздухе является исследование депонирующих сред, контактирующих с атмосферой, таких как снеговой покров. К тому же необходимо применять методы, не использующиеся надзорными органами в сфере экологии и экологическими службами предприятий, позволяющие дополнить перечень загрязняющих веществ.

Целью нашего исследования являлось выявить эколого-геохимические особенности районов размещения нефтеперерабатывающих заводов по данным изучения снежного покрова (твердой фазы). Объекты исследования - территории в окрестностях Омского, Ачинского (Россия) и Павлодарского (Казахстан) нефтеперерабатывающих заводов (НПЗ), предмет исследования - твердая фаза снега.

Методы и методика исследования

Общая методика работ включала отбор проб снежного покрова в окрестностях изучаемых НПЗ. Работы по отбору проб снежного покров проходили в период максимального снегонакопления - конец февраля или начало марта. Все работы по отбору и подготовке проб снега выполнялись с учетом методических рекомендаций [2], методических рекомендациях ИМГРЭ [3] и руководстве по контролю загрязнения атмосферы [4], а также на основе многолетнего практического опыта эколого-геохимических исследований на территории Западной Сибири [5,6]. При выборе пунктов отбора проб были учтены параметры: преобладающее среднегодовое направление ветра (ЮЗ, Ю) и направление ветра в зимний период, ландшафтные особенности территории, мощность источника выбросов и данные ранее проведенных исследований. Всего было отобрано 61 проб снега: в окрестностях Омского НПЗ - 25, Ачинкого НПЗ - 24, Павлодарского НПЗ - 12. Снеговой покров отбирался методом шурфа на всю высоту снежного покрова, за исключением 5-10 см слоя над почвой, проба упаковывалась в полиэтиленовые мешки. Вес одной пробы составлял 15-18 кг. Далее пробы подвергались таянию при комнатной температуре, фильтрованию через беззольный фильтр типа «синяя лента».

Основные методы, результаты которых были положены в основу исследований были инструментальный нейтронно-активационный анализ (ИНАА), реализованный в ядерно-геохимической лаборатории на базе исследовательского ядерного реактора Томского политехнического университета. Методом ИНАА было определено содержание 28 химических элементов в твердой фазе снега. Измерение массовой доли общей ртути в пробах твердой фазы снега проводилась атомно-абсорбционным методом с использованием анализатора ртути РА-915+ с приставкой ПИРО-915- и программного обеспечения RA915P в лаборатории микроэлементного анализа в МИНОЦ «Урановая геология» на базе кафедры геоэкологии и геохимии ТПУ.

Для выявления аномальных концентраций элементов в твердой фазе снега проводилось сравнение с фоновыми значениями, принятыми как региональным фоном территорию Среднего Васюгана [7].

Уровень загрязнения оценивали суммарным показателем загрязнения () представляющий собой сумму (коэффициент концентрации) над фоновым уровнем:

где n - число химических элементов с > 1,5. Данные показатели использовали согласно методическим рекомендациям [8, 9], с учетом опыта других исследователей [10].

Результаты и их обсуждение

Сравнение средних значений по содержанию химических элементов в пробах твердой фазы снега с фоновыми позволяет выявить степень обогащения элементами твердой фазы снега из окрестностей исследуемых заводов (рис.1). Твердая фаза снега из окрестностей Омского НПЗ обогащена относительно фона хромом, цинком, мышьяком, бромом, стронцием, барием, сурьмой, редкоземельными элементами, танталом, золотом, ртутью, торием и ураном. Твердая фаза снега из окрестностей Ачинского НПЗ обогащена натрием, кальцием, мышьяком, стронцием, барием, редкоземельными элементами, танталом, ураном. Твердая фаза из окрестностей Павлодарского НПЗ - мышьяком, хромом, барием, натрием, стронцием, ртутью, цинком, редкоземельными элементами и ураном.

Рис. 1. Среднее содержание химических элементов в пробах твердой фазы снега из окрестностях Омского, Ачинского и Павлодарского НПЗ и на фоновой территории

Выделяются элементы с повышенными концентрациями относительно фона, характерные для всех исследуемых районов НПЗ: As, Ba, La, Tb, Yb, Sm, Na.

Высокий уровень содержания As в пробах твердой фазы снега из окрестностей всех исследуемых заводов возможно связан со сжиганием нефтепродуктов на факельном хозяйстве [11]. В то же время, может использоваться мышьяково-содовый способ с целью очистки горячих газов от сероводорода с каталитической регенерацией поглотительного раствора [12]. В других странах (Испании, Италии) в районах функционирования нефтеперерабатывающих комплексов также обнаружены высокие концентрации As, Cr, Zn, La и Sb в выбросах дымовых газов и твердых частицах [13].

Размещено на http://www.allbest.ru/

Важно отметить, что в окрестностях Омского НПЗ в твердой фазе снега нарушено природное отношение La к Се (рис.2) относительно такового в земной коре (?0,4, по Н.А.Григорьеву, 2009) [14] и составляет 1,8 в среднем. Отмечается повышенное содержание La к фону и кларку земной коры (по Н.А. Григорьеву, 2009).

Аномальные пропорции La/Ce наблюдаются в точках по северо-восточному направлению от границ завода, на расстоянии 4 км в северном направлении и на расстоянии 6 км в юго-восточном направлении от границ завода.

В программе Statistica существует набор инструментов, который позволяет проводить факторный анализ совокупностей. Данный вид анализа выявляет количество и силу факторов, которые оказывают влияние на данные (факторы могут быть абсолютно любого рода: природные, климатические, антропогенные и т. д.). Анализ графически и в табличном виде позволяет оценить степень влияния тех или иных факторов на выборки.

Таким образом, используя данный вид анализа, были построены круговые диаграммы факторных нагрузок химических элементов в твердой фазе снега в окрестностях Омского НПЗ, так как была выявлена аномалия La/Ce.

Рис.3. Круговые диаграмма факторных нагрузок химических элементов в твердой фазе снега в окрестностях Омского НПЗ: а) фактор 1 и фактор 2, б) фактор 2 и фактор 3

В результате факторного анализа выявлено, что 2-ой фактор (12,24%) («фактор каталитического крекинга») влияет на содержание La, Ce и Cr в пробах твердого осадка снега в окрестности Омского НПЗ. Это может свидетельствовать о связи этих элементов, а их поступление в атмосферный воздух вероятнее всего происходит от отного источника. Возможно, в состав катализаторов входит Cr или является сопутствующим элементом, выбрасывающимся вместе с La и Ce от установки каталитического крекинга.

На сегодня в процессе переработки нефти каталитический крекинг является ключевым моментом, позволяющим получать высокооктановый компонент товарных бензинов и сырье для нефтехимии [15]. В России на Омском НПЗ осуществялется производство катализаторов крекинга, являющимися единственными отечечтвенными катализаторами. В их состав добавляют редкоземельные элементы (РЗЭ) [16, 17]. Вместе с тем, исследования в США показывают высокие концентрации РЗЭ в составе твердых частиц в окрестностях нефтеперерабатывающих заводов [18, 19]. Выявленные нами высокие концентрации РЗЭ и их аномальные пропорции (La/Ce) относительно кларков земной коры и фона могут свидетеьлствовать об их поступленни в окружающую среду в процессе производства катализаторов на Омском НПЗ и их использовании на установках каталитического крекинга. Полученные данные подтверждают ранее полученные результаты об анаомальных концентрациях La и Ce в твердой фазе снега в зоне влияния Омского НПЗ [20].

Один из показателей определяющей общую геохимическую нагрузку выступает суммарный показатель загрязнения (СПЗ), учитывающий содержание химических элементов в обогащенной ими твердой фазе снега. Так, в окрестности Омского НПЗ СПЗ составляет 321 единицу, что соответствует высокому уровню загрязнения. В окрестностях Ачинского и Павлодарского НПЗ Суммарный показатель загрязнения составляет 81 и 130 единиц соответственно и характеризуется низким уровнем загрязнения.

Заключение

Выявлены геохимические особенности твердой фазы снега в окрестностях Омского, Ачинского и Павлодарского НПЗ. В окрестностях Омского НПЗ установлены аномалии La/Ce=1,8 в твердой фазе снега, при их природном - 0,4 и их высокие значения относительно фона. Аномальные пропорции вероятно связаны с производством катализаторов на Омском НПЗ. Суммарный показатель загрязнения твердой фазы снега в окрестности Омского НПЗ характеризует территорию как с высокой степенью загрязнения и опасной экологической ситуацией. Это объясняется сложной антропогенной нагрузкой, сложившейся в районе расположения Омского НПЗ. Тогда как в окрестностях Ачинского и Павлодарского НПЗ формируется низкий уровень загрязнения с неопасной экологической ситуацией по величине суммарного показателя загрязнения.

Работа выполнена при финансовой поддержке гранта компании British Petroleum

Библиографический список

геохимический снег нефтеперерабатывающий

1. Вадецкий Ю. В., Волкова В. А. Нефтегазовая энциклопедия //М.: Московское отделение нефти и газа «Международной Академии информатизации. - 2003. - 380 c.

2. Василенко В.Н. Мониторинг загрязнения снежного покрова / В.Н. Василенко, И.М. Назаров, Ш.Д. Фридман. - Л.: Гидрометеоиздат, 1985. - 185 с.

3. Методические рекомендации по геохимической оценки источников загрязнения окружающей среды. - М.: ИМГРЭ, 1982. - 66 с

4. РД 52.04.186-89 Руководство по контролю загрязнения атмосферы

5. Язиков Е.Г., Таловская А.В., Осипова Н.А., Филимоненко Е.А. Состав пылеаэрозолей и оценка экологического риска в зоне влияния предприятий нефтегазового комплекса // Газовая промышленность. - 2013 - №. 12 (699). - C. 82-85.

6. Язиков Е.Г., Таловская А.В., Жорняк Л.В. Оценка эколого-геохимического состояния территории г. Томска по данным изучения пылеаэрозолей и почв: монография. - Томск: Изд-во ИПУ, 2010. - 264 с.

7. Шатилов А. Ю. Вещественный состав и геохимическая характеристика пылевых атмосферных выпадений на территории Обского бассейна: автореф. дис. на сосикание канд. геол.-мин. наук. - Томск, - 2002, - 23 с.

8. Геохимия окружающей среды. Ю.Е. Сает, Б.А. Ревич, Е.П. Янин, Р.С. Смирнова, И.Л. Башаркевич, Т.Л. Онищенко, Л.Н. Павлова, Н.Я. Трефилова, А.И. Ачкасов, С.Ш. Саркисян. - М.: Недра, 1990. - 335 с.;

9. Методические рекомендации по оценке степени загрязнения атмосферного воздуха населенных пунктов металлами по их содержанию в снежном покрове и почве. М.: ИМГРЭ, 2006. 7 с.

10. Касимов Н.С., Кошелева Н.Е., Власов Д.В., Терская Е.В. Геохимия снежного покрова в Восточном округе Москвы. Вестник Моск. Ун-та. Сер. 5. География. 2012. С. 14-24

11. Кирюшин П. А., Книжников А. Ю., Кочи К. В., Пузанова Т. А., Уваров С. А. Попутный нефтяной газ в России: «Сжигать нельзя, перерабатывать!» Аналитический доклад об экономических и экологических издержках сжигания попутного нефтяного газа в России. -- М.: Всемирный фонд дикой природы (WWF), 2013.-- 88 с.

12. Лагутин В.В. Защита атмосферы на объектах добычи и переработки природного газа, содержащего сероводород // Современные наукоемкие технологии. - 2005. - № 3 - С. 61-62

13. De la Campa A. M. S. et al. Size distribution and chemical composition of metalliferous stack emissions in the San Roque petroleum refinery complex, southern Spain //Journal of hazardous materials. - 2011. - Т. 190. - №. 1. - С. 713-722.

14. Григорьев Н.А. Распределение химических элементов в верхней части континентальной коры. // Екатеринбург: УрО РАН, - 2009. - 382 с

15. В.П. Доронин, П.В. Липин, О.В. Потапенко, Т.П. Сорокина, Н.В. Короткова, В.И. Горденко. Перспективные разработки: катализаторы крекинга и добавки к ним // Катализ в промышленности, 2014, - № 5, С.82-87

16. В.П. Доронин, Т.П. Сорокина. Химический дизайн катализаторов крекинга // Российский химический журнал. 2007.//Т. LI. - №. 4. - С. 23; А.В. Глазов и др. Разработка бицеолитного катализатора крекинга и результаты его эксплуатации на секции 200 комплекса КТ-1/1 // Нефтепереработка и нефтехимия. - 2012. - №. 9. - С. 8,

17. Патент РФ № 2300420 С2 / Cпособ приготовления микросферического катализатора для крекинга нефтяных фракций // Доронин В.П., Сорокина Т.П., Дуплякин В.К., 2007, - Бюл. № 16.

18. Bozlaker A. et al. Insights into PM 10 sources in Houston, Texas: Role of petroleum refineries in enriching lanthanoid metals during episodic emission events //Atmospheric Environment. - 2013. - Т. 69. - С. 109-117.

19. Du L., Turner J. Using PM 2.5 lanthanoid elements and nonparametric wind regression to track petroleum refinery FCC emissions //Science of The Total Environment. - 2015. - Т. 529. - С. 65-71

20. В.В. Литау, М.И. Третьякова. Динамика потока редкоземельных элементов из атмосферы на снежный покров на территории предприятий нефтехимической отрасли в г. Омске //Проблемы геологии и освоения недр: труды XX Межд. симп. им. академика М.А. Усова студентов и молодых ученых. Томск, 4-8 апреля 2016 г. Т. 2. - Томск, - 2016,- С. 252-253.

Размещено на Allbest.ru