بخشی از مقاله
خلاصه
آب تولیدی بزرگترین جریان پساب در تولید نفت و گاز بوده و یک مخلوط پیچیده از مواد شیمیایی آلی و غیرآلی در آب است. تعدادی از فلزات با غلظتهای بالاتر از حد بحرانی و به فرم محلول یا ذرات معلق در آب تولیدی حضور داشته و طبق مقررات سختگیرانه در اولویت آلاینده های زیستی میباشند. با توجه به پیچیدگیهای آب تولیدی و غلظت بالای نمک، نمیتوان برای اندازهگیری فلزات از روشهای معمول آنالیز استفاده کرد. در این پژوهش تلاش شده است که با اصلاح روشهای استاندارد به روشی مناسب برای اندازه گیری 4 فلز مهم در آب تولیدی با اثرات مخرب زیستمحیطی دست یابیم.
1. مقدمه
علاوه بر برخی فعالیت های انسانی، بسیاری از فرآیندهای صنعتی مقدار فزاینده ای از فاضلاب های حاوی یون های فلزات سنگین در غلظت های قابل ارزیابی تولید می کنند. حداقل 20 یون فلزی بعنوان عناصر سمی دسته بندی می شوند. یون های فلزی در فاز مایع اکوسیستم تحرک داشته و حتی در غلظت های پایین برای فرم های دارای حیات، ایجاد سمیت می نماید . - Al-Qodah, 2006 - فلزات سنگین بر خلاف آلاینده های آلی، زیست تجزیه پذیر نبوده و در موجودات زنده تجمع می نمایند.
این در حالی است که اثر سمیت یا سرطان زایی تعداد زیادی از فلزات سنگین شناخته شده است - Fu, . - 2011 به همین دلیل حضور فلزات سنگین در محیط زیست در غلظت های بالای حد بحرانی، غیرقابل قبول بوده و حذف آنها از انواع پساب ها دارای اهمیت می باشد . - Al-Qodah, 2006 - فلزات سنگین سمی که در تصفیه پساب های صنعتی مورد توجه ویژه قرار دارند عبارتند از: روی، مس، نیکل، جیوه، کادمیوم، سرب، و کروم . - Fu, 2011 -
با توجه به دوام و ماندگاری فزات سنگین در محیط زیست، تصفیه آنها از اهمیت ویژه ای برخوردار است. در سالهای اخیر، روش های متعددی برای حذف فلزات سنگین از پساب ها مورد مطالعه و بررسی قرار گرفته است. برخی از روشهایی که اخیرا برای تصفیه پساب فلزات سنگین مورد استفاده قرار گرفتهاند، عبارتند از: رسوب دهی شیمیایی، تعویض یونی، جذب سطحی، جذب زیستی، فیلتراسیون غشایی، انعقاد سازی- لخته سازی، شناور سازی و الکتروشیمیایی. - Fu, 2011 - یکی از پسابهایی که امروزه در حجم بالا تولید شده و به یک مشکل زیست محیطی تبدیل شده است، آب تولیدی - آب تولید شده همراه با نفت و گاز - می باشد که اغلب در طول تولید نفت و گاز از تاسیسات ساحلی و کناره دریا تولید می شود.
آب تولیدی بزرگترین جریان پساب در فرآیندهای تولید نفت و گاز در اکثر سکوهای ساحلی می باشد. در سال 2003 حدود 800 میلیون مترمکعب آب تولیدی از تاسیسات ساحلی در سراسر جهان به اقیانوس تخلیه شد - $. - DNKUXʼO-Razi, Pendashteh, A.R., Zurina, Z. A., page7. - ; Neff, 2011Luqman Chuah, A., Dayang Radiah, A.B ., Madaeni, S.S., 2010 نسبت آب تولیدی به نفت معادل - WOR1 - یا نسبت آب به گاز - WGR2 - که از یک چاه تولید می شود در بازه ی وسیعی، از صفر تا بیش از %98 - 50 آب و %2 نفت - متغیر است.
معمولا WGR از WOR بزرگتر بوده و مقدار WOR متوسط در سراسر جهان حدود 2-3 می باشد. معمولا با کاهش تولید نفت و گاز بر اساس سن چاه، حجم آب تولیدی تشکیل شده افزایش یافته و بعبارت دیگر WOR و WGR افزایش می یابد. در میادین رو به اتمام %98 آب تولیدی و %2 سوخت فسیلی تولید می گردد . - Neff, 2011 - آب تولیدی حاوی آلاینده هایی مانند ترکیبات آلی - روغن حل شده و حل نشده - ، جامدات حل شده - نمک ها - ، آمونیوم، بروم، و فلزات سنگین بوده و در نتیجه قبل از استفاده باید تصفیه شود.
آب تولیدی را میتوان توسط انواع روشها و تکنولوژی ها تصفیه نمود که روش مناسب بر اساس هزینه، کیفیت موردنظر آب و استانداردهای منطقه انتخاب می شود . - Shpiner, 2009 - یکسری از مواد شیمیایی موجود در آب تولیدی، به علت غلظت بالا می توانند باعث ایجاد سمیت یا تجمع در سیستم های زنده شوند. فلزات ممکن است در جانداران دریایی در نزدیکی محل تخلیه آب تولیدی، در اثر آب موجود در محیط، غذایی که مصرف می کنند و یا مجاورت با رسوبات کف، تجمع کنند. - Neff, 2011 -
تعدادی از فلزات به فرم محلول یا ذرات معلق بسیار ریز در آب تولیدی حضور دارند. نوع، غلظت و ترکیب شیمیایی فلزات در آبهای تولیدی حاصل از منابع مختلف متفاوت بوده و به سن و ویژگیهای زمین شناختی منبعی که نفت و گاز از آن استخراج می شود و میزان و ترکیب درصد آب تزریق شده به چاه بستگی دارد. غلظت تعدادی از فلزات موجود در آبهای تولیدی بدست آمده از چاه های مختلف بسیار بیشتر از غلظت آنها در آب تمیز دریا است. باریوم، آهن، منگنز، جیوه و روی از جمله فلزاتی هستند که مکررا در آب تولیدی وجود داشته و غلظت آنها در مقایسه با آب دریا بسیار بالا می باشد . - Neff, 2011 - تماس آب تولیدی یا سایر جریانهای بدست آمده در سیستم جداسازی آب/روغن با استیل آبکاری شده، سبب حضور روی و سرب در آّب تولیدی نهایی می گردد . - Neff, 2011 -
آب تولیدی ایران دارای نمک با غلظت بسیار متنوع در محدودهی 80 تا 250 گرم بر لیتر بوده و با توجه به این آمار، ایران دارای یکی از شورترین آبهای تولیدی در سطح جهان میباشد. همانطور که پیشتر هم اشاره شد، آلودگی فلزات سنگین امروزه به یکی از جدی ترین مشکلات زیست محیطی تبدیل شده و حذف آنها از انواع پسابها از جمله آب تولیدی در اولویت قرار دارد. قبل از بررسی حذف فلزات و روشهای مختلف بکار رفته به این منظور، ابتدا باید به روشی مناسب جهت پایش و اندازه گیری فلزات سنگین در انواع پسابها دست یابیم.
از آنجاییکه آب تولیدی بخصوص در ایران دارای کمپلکسی بسیار پیچیده بوده و انواع ترکیبات آلی و معدنی از جمله هیدروکربنها و نمک در غلظت بالا در آن حضور دارند، آنالیز اینگونه نمونهها با روشهای استاندارد متداول و از طریق تزریق مستقیم به دستگاههای آنالیز عناصر کم مقدار امکان پذیر نمی باشد. در واقع برای آنالیز چنین نمونههایی نیاز به اصلاح روشهای استاندارد و آماده سازی نمونهها قبل از آنالیز داریم. در ادامه به بررسی انواع روشهای استاندارد و علت ناکارآمدی آن برای نمونههای موردنظر پرداخته و به روشی مناسب جهت پایش فلزات سنگین خواهیم پرداخت.
2. مواد و روش ها
-1.2 مواد مورد استفاده:
مواد شیمیایی به کار رفته در این پژوهش از درجهی آنالیتیک بوده و از شرکت مرک1 و کارلواربا2 تهیه شدند. با توجه به حساسیت بالای آنالیزهای انجام شده، در هر مرحله از آزمایشات علاوه بر نمونهی موردنظر، یک نمونهی شاهد نیز تهیه شد تا اثر حضور احتمالی فلزات در حلالهای بهکار رفته به حداقل ممکن برسد.
-2.2 روش ها:
-1.2.2 تهیهی آب تولیدی غنی شده
در این پژوهش از آب تولیدی واقعی میدان نفتی چشمه خوش، واقع در منطقه دشت عباس در استان ایلام، استفاده شد. با توجه به آنالیز اولیه ای که طبق روش بدست آمده انجام گرفت، و همچنین اطلاعاتی که توسط واحد فراوری چشمه خوش ارائه شد، غلظت فلزات در آب تولیدی این میدان نفتی از ایران در حد ppb بوده و پایینتر از حدود مجاز زیست محیطی بود. با توجه به عدم دسترسی به آب تولیدی سایر میادین نفتی ایران، غلظت معینی از چند فلز سنگین سمی که طبق گزارشات ارائه شده، با غلظت بیشتری در آبهای تولیدی یافت میشدند، به آب تولیدی میدان چشمه خوش اضافه شد و سایر آنالیزها روی پساب غنی شده از فلز انجام گرفت. علت انتخاب فلزات و غلظت آنها، در بخش نتایج مورد بررسی قرار خواهد گرفت.
-2.2.2 آنالیز فلزات
بطور کلی جهت آنالیز عناصر کم مقدار می توان از دو روش جذب اتمی - AAS3 - و طیف سنجی نشر اتمی - ICP/OES4 - استفاده کرد. در این پژوهش از دستگاه ICP شرکت Varian مدل OES-730 و همچنین مدل Vista-PROو دستگاه AAS شرکت Shimadzu مدل AA-670/G استفاده شد. در نهایت نتایج حاصل از آنالیز در این دو روش با یکدیگر مقایسه گردید.
-3.2.2 آماده سازی نمونهها
نمونه های دارای ذرات یا مواد آلی و غیرآلی، معمولا قبل از آنالیز اسپکتروسکوپی به یک پیش تصفیه نیاز دارند. طبق استاندارد Rice, - APHA - 2012، بسته به نوع نمونه و غلظت مواد آلی و معدنی موجود در آن، باید از روشهای مختلفی جهت آماده سازی نمونه ها استفاده نمود. در این پژوهش دو روش در بین روشهای موجود جهت آمادهسازی، مورد بررسی قرار گرفت و نهایتا با اصلاح یکی از این روشها، هضم کامل نمونه انجام شده و با دستگاه مربوطه آنالیز شد.
هضم توسط اسید نیتریک/ اسید سولفوریک: 50 ml از نمونه به یک ارلن انتقال داده شد. HNO3 2.5 ml غلیظ به آن اضافه شده و روی یک هات پلیت قرار گرفت. نمونه تا حجم 10 تا 15 ml تبخیر شد - لازم است که در طول زمان تبخیر از نجوشیدن نمونه اطمینان حاصل گردد - . در حین خنک شدن نمونه، HNO3 2.5 ml غلیظ و H2SO4 5 ml غلیظ به آن اضافه شد. مجددا نمونه تا زمان ایجاد بخارات سفید غلیظ SO3، روی یک هات پلیت حرارت داده شد. HNO3 5 ml غلیظ دیگر به نمونه اضافه شده و فرآیند تبخیر نمونه به بخارات SO3 تکرار گردید. نمونه پس از خنک شدن، با آب تا حجم حدود 30 ml رقیق شد. نمونه تا نزدیک نقطه جوش حرارت داده شد تا نمک های محلول به آرامی حل شوند. نمونه فیلتر شده و فیلتریت با دو بخش 5 میلی لیتری آب، به یک بالن ژوژه 50 ml انتقال داده شده و به حجم رسانده شد.
هضم توسط اسید نیتریک/ اسید کلریدریک: 50 ml از نمونه به یک ارلن انتقال داده شد. HNO3 1.5 ml غلیظ به آن اضافه شده و روی یک هات پلیت قرار گرفت. نمونه تا حجم کمتر از 5 ml تبخیر شد - لازم است که در طول زمان تبخیر از نجوشیدن نمونه اطمینان حاصل گردد - . نمونه خنک شده و دیواره های ارلن با کمترین مقدار آب دیونیزه ممکن شستشو داده شد. 2.5 ml اسید HNO3 غلیظ به آن اضافه شد.
