Способ очистки водной поверхности от нефтепродуктов

 

Использование: для срочной и быстрой очистки больших водных пространств от нефтяных загрязнений. Сущность изобретения: поджог нефтепродуктов осуществляют над водой после их отрыва от водной поверхности путем облучения излучением лазера с длиной волны, соответствующей области светового поглощения воды и плотностью мощности не менее 10²Вт/cм², при этом скорость подвода энергии излучения должна быть больше скорости теплоотвода водной поверхности. Способ позволяет оптимизировать затраты лазерной энергии на обработку, обеспечивает экологически оптимальный режим. 3 з.п. ф-лы.

Изобретение относится к способам очистки открытых водоемов от нефтяных загрязнений и может быть использовано для очистки больших водных пространств. Цель изобретения - повышение эффективности способа за счет повышения степени очистки и сохранения экологического режима водовоздушного бассейна, а также снижение энергозатрат на единицу площади очищаемой поверхности и повышение эффективности способа при очистке от нефтепродуктов с повышенной вязкостью. Способ осуществляют следующим образом. Лазер доставляют к обрабатываемой зоне на борту корабля или летательного аппарата. Посредством системы формирования облучают поверхность непрерывным или импульсно-периодическим излучением. Способ осуществляют в следующей последовательности. В случае, когда слой нефти или нефтепродуктов полностью поглощает энергию излучения, если обработку производят непрерывным излучением, то величина плотности мощности излучения ≈10²-10³ Вт/см² оказывается достаточной для того, чтобы скорость теплоподвода превысила естественный теплоотвод. При этом скорость сканирования излучения (или время экспозиции излучения на данном участке поверхности) в каждом конкретном случае устанавливают расчетным путем такой, чтобы в течение времени воздействия происходило полное испарение нефтепродуктов. Пары нефтепродуктов, поднимаясь над поверхностью, смешиваются с кислородом воздуха, образуя горячую смесь, которая поджигается падающим излучением. Таким образом, процесс горения локализуется над водной поверхностью. Для увеличения производительности процесса обработки поверхности можно применять импульсно-периодическое излучение с плотностью мощности излучения в импульсе ≈10⁶ Вт/см² при плотности энергии 1-3 Дж/см². При таких высоких параметрах излучения за счет концентрированного и очень быстрого подвода энергии вначале осуществляется механизм сильного удара (как от механического воздействия), в результате которого образуются капли, при этом слой нефтепродуктов диспергирует до состояния капельной аэрозоли. Далее под воздействием излучения происходит процесс испарения части вещества образовавшихся капель, а образовавшиеся пары нефтепродуктов смешиваются с кислородом воздуха, образуют горячую смесь и поджигаются падающим излучением. Тепла, выделяющегося в процессе горения, достаточно для поддержания процесса до полного сгорания капли. При реализации способа очистки слой нефти становится все тоньше и, когда он приобретает вид пленки, прозрачной для падающего излучения, поскольку излучение выбрано с длиной волны в диапазоне, соответствующем области светового поглощения воды, способ реализуют дальше в результате следующих процессов. Если обработка идет непрерывным излучением, то величина плотности мощности ≈10²-10³ Вт/см² оказывается достаточной для того, чтобы скорость теплоподвода превысила естественной теплоотвод. При этом скорость сканирования излучения (или время экспозиции излучения на данном участке поверхности) выбирают такой, чтобы в течение времени воздействия произошло испарение тонкого слоя воды, подстилающей слой нефтепродуктов. При этом в начале воздействия излучения пары воды, расширяясь, разрывают пленку нефтепродуктов, образуя капельную аэрозоль. Далее процесс аналогичен, но в процессе горения участвуют пары воды. При импульсно-периодическом режиме облучения поверхности вначале осуществляются динамические процессы воздействия излучения на поверхность воды под пленкой нефтепродуктов (эффект сильного шлепка по воде). При этом поверхность воды, покрытая нефтяной пленкой, диспергируется в капельную аэрозоль. Капли воды, разлетаясь над поверхностью, захватывают часть нефтепродуктов, обволакиваясь последними. Далее процесс происходит в падающем излучении аналогично описанному на каждой капле аэрозоля. П р и м е р. Проведены модельные опыты по сжиганию пленки нефтепродуктов с поверхности воды непрерывным и импульсно-периодическим излучением. В первом случае излучение СО₂ лазера непрерывного действия направлено на пленку солярки толщиной ≈1 мм. При экспозиции излучения плотностью мощности ≈1 кВт/см² в течение ≈0,5-0,7 с пленка полностью сгорает над поверхностью воды с образованием пятна на водной поверхности, свободной от солярки. Во втором случае облучение ведут в двух режимах: в зависимости от толщины пленки поверхность облучают лазером импульсов различной частоты (от единичного импульса до 200 Гц) с плотностью мощности ≈10⁶ Вт/см² и плотностью энергии 1-3 Дж/см². При этом пленка сгорает над поверхностью воды. Если нефтепродукты имеют высокую вязкость, например когда в них много глицерина, целесообразно очистку водной поверхности осуществлять непрерывным излучением, поскольку в этом случае под воздействием импульсного излучения образовываются тяжелые капли, которые падают, не успевая загореться. В случае применения импульсно-периодического излучения при обработке больших поверхностей промежутки между импульсами используют для перемещения луча на соседние необработанные участки. Предлагаемый способ очистки водной поверхности обеспечивает полное уничтожение нефтепродуктов без загрязнения водного бассейна и без негативного воздействия на водную флору и фауну, а также позволяет оптимизировать затраты лазерной энергии на обработку. Особенно эффективен данный способ при очистке поверхности воды от нефтяной пленки, имеющей малую толщину (мономолекулярный слой цвета побежалости).

Формула изобретения

1. СПОСОБ ОЧИСТКИ ВОДНОЙ ПОВЕРХНОСТИ ОТ НЕФТЕПРОДУКТОВ, включающий обработку нефтепродуктов лазерным излучением с перемещением пятна излучения по водной поверхности, отличающийся тем, что, с целью повышения эффективности способа за счет повышения степени очистки и сохранения экологического режима водовоздушного бассейна, при обработке нефтепродуктов лазерным излучением поджигают пароводяную смесь, оторвавшуюся от водной поверхности, путем подачи лазерного излучения с длиной волны, соответствующей области светового поглощения воды, и плотностью мощности излучения не менее 10² Вт/см², превышающей скорость теплоотвода водной поверхности. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что, с целью снижения энергозатрат на единицу площади очищаемой поверхности, обработку производят лазерным излучением с плотностью мощности излучения не менее 10⁶ Вт/см² и плотностью потока энергии не менее 1 Дж/см² при скорости подведения плотности потока энергии по крайней мере на два порядка выше скорости теплоотвода водной поверхности. 3. Способ по пп.1 и 2, отличающийся тем, что обработку производят импульсно-периодическим излучением, при этом перемещение пятна лазерного излучения осуществляют в промежутках между импульсами. 4. Способ по п.1, отличающийся тем, что, с целью повышения эффективности способа в случае нефтепродуктов с повышенной вязкостью, обработку производят непрерывным излучением с плотностью мощности 10² - 10³ Вт/см².