Wpływ nanomateriałów stosowanych w przemyśle naftowym i gazowniczym na środowisko

• Autorzy: Gajec Monika , Kukulska-Zając Ewa , Król Anna , Dobrzańska Marta

Identyfikatory

DOI

10.18668/NG.2021.12.04

Warianty tytułu

EN

The environmental impact of nanomaterials used in the oil and gas industry

• Języki publikacji: PL

Abstrakty

PL

W ostatnich latach obserwowany jest stały wzrost wykorzystania nanomateriałów w produkcji przemysłowej. Są one również szeroko stosowane w przemyśle naftowym i gazowniczym, w niemal całym łańcuchu dostaw, a więc w zakresie poszukiwań, wierceń, produkcji, a także procesów rafineryjnych. Nanotechnologia znalazła zastosowanie m.in. w płynach wiertniczych i płynach do szczelinowania, cementowaniu szybów naftowych, intensyfikacji wydobycia ropy, zapobieganiu korozji, wykrywaniu węglowodorów, uwalnianiu metanu z hydratów gazowych i zmniejszaniu oporów przepływu w mediach porowatych. Ciągły wzrost zapotrzebowania na nanomateriały oraz zwiększenie ich produkcji prowadzi jednak do wzrostu emisji nanocząstek do środowiska (woda, gleba, powietrze). Nanomateriały nie są obojętne dla środowiska i zdrowia człowieka, a ich coraz powszechniejsze zastosowanie może stanowić zagrożenie. Aby ocenić wpływ nanotechnologii na zdrowie ludzi i środowisko, konieczne jest określenie obecnych i przyszłych źródeł uwalniania, a także ilości nanomateriałów, które mogą przedostać się do środowiska. Istotne jest również opracowanie skutecznych metod, które pozwolą na monitorowanie zawartości nanomateriałów i rozkładu wielkości ich cząstek w różnych elementach środowiska. Do tego celu może służyć spektrometria mas z plazmą indukcyjnie sprzężoną oraz modułem pojedynczej cząstki (spICP-MS). Ta zaawansowana technika analityczna po odpowiednim przygotowaniu próbki do badań i separacji z matrycy nanocząstek może stanowić skuteczny sposób ich charakterystyki oraz określenia wielkości cząstek. W artykule przedstawiono zastosowanie nanomateriałów w przemyśle naftowym i gazowniczym, opisano wyniki przeglądu obowiązujących aktów prawnych w zakresie wykorzystywania nanomateriałów oraz scharakteryzowano występowanie nanomateriałów w środowisku. Zaprezentowano także przykładowe wyniki badań wyznaczania rozkładu wielkości nanocząstek srebra otrzymane dla próbek środowiskowych różnego typu za pomocą metody spICP-MS. Badania zostały przeprowadzone w Zakładzie Ochrony Środowiska Instytutu Nafty i Gazu – Państwowego Instytutu Badawczego i wykazały, że nanocząstki metali są obecne w próbkach środowiskowych, takich jak odpady wiertnicze czy wody powierzchniowe, w dość szerokim zakresie stężeń i średnic cząstek.

EN

In recent years, there has been a steady increase in the use of nanomaterials in industrial production. Nanomaterials are also widely used in the oil and gas industry, both upstream and downstream, including exploration, drilling, production as well as refining processes. Nanotechnology has been used, among others, in drilling and hydraulic fluids, cementing oil wells, enhanced oil recovery, preventing corrosion, detecting hydrocarbons, releasing methane from gaseous hydrates, and reducing flow resistance in porous media. Continuous growth in the demand for nanomaterials and in their production leads to an increase in the emission of nanoparticles to the environment (water, soil, air). Nanomaterials are not indifferent to the environment and human health, and their growing use may pose a threat to the environment. To determine the impact of nanotechnology on human health and environmental quality, it is necessary to identify the current and future sources and amounts of nanomaterials that will be released into the environment. It is also important to develop effective methods that will allow nanoparticles to be monitored in various elements of the environment. For this purpose, mass spectrometry with inductively coupled plasma and a single particle module (spICP-MS) can be used. After appropriate preparation of the sample for testing and separation of nanoparticles from the matrix, this advanced analytical technique can serve as a reliable method for particle size characterization. The article presents an overview of the applicable legal acts in the field of nanomaterials, a brief description of the use of nanomaterials in the oil and gas industry, as well as exemplary test results for determining the size distribution of silver nanoparticles obtained for various types of environmental samples using the above-mentioned method. The research was carried out at the Department of Environmental Protection of the Oil and Gas Institute – National Research Institute and showed that metal nanoparticles were present in environmental samples, such as drilling waste or surface water, in a fairly wide range of concentrations and particle diameters.

• Wydawca: Instytut Nafty i Gazu - Państwowy Instytut Badawczy
• Czasopismo: Nafta-Gaz
• Rocznik: 2021
• Tom: R. 77, nr 12
• Strony: 812--820
• Opis fizyczny: Bibliogr. 37 poz.

Twórcy

autor

Gajec Monika

• Instytut Nafty i Gazu – Państwowy Instytut Badawczy

autor

Kukulska-Zając Ewa

• Instytut Nafty i Gazu – Państwowy Instytut Badawczy

autor

Król Anna

• Instytut Nafty i Gazu – Państwowy Instytut Badawczy

autor

Dobrzańska Marta

• Instytut Nafty i Gazu – Państwowy Instytut Badawczy

Bibliografia

• Agista M.N., Guo K., Yu Z., 2018. A State-of-the-Art Review of Nanoparticles Application in Petroleum with a Focus on Enhanced Oil Recovery. Applied Sciences, 8(6): 871. DOI: 10.3390/app8060871.
• Bahadar H., Maqbool F., Niaz K., Abdollahi M., 2016. Toxicity of Nanoparticles and an Overview of Current Experimental Models. The Iranian Biomedical Journal, 20(1): 1–11. DOI: 10.7508/ibj.2016.01.001.
• Baran A., 2015. Prawne aspekty nanotechnologii w kontekście ochrony środowiska. Ekonomia i Środowisko, 1(52): 27–40.
• El-Diasty A.I., Ragab A.M., 2013. Applications of Nanotechnology in the Oil & Gas Industry: Latest Trends Worldwide & Future Challenges in Egypt. North Africa Technical Conference and Exhibition, Cairo, Egypt, April 2013. DOI: 10.2118/164716-MS.
• Gajec M., Kukulska-Zając E., Król A., 2020. Determination of silver nanoparticles in liquid environmental samples. Applied Ecology and Environmental Research, 18(4): 5775–5788. DOI: 10.15666/aeer/1804_57755788.
• Gajec M., Kukulska-Zając E., Król A., 2021, Optimization of Silver Nanoparticle Separation Method from Drilling Waste Matrices. Energies, 14(7): 1950. DOI: 10.3390/en14071950.
• Hansen S.F., 2018. Registration, Evaluation, Authorisation, Categorisation and Tools to Evaluate Nanomaterials – Opportunities and Weaknesses (REACT NOW). Kgs. Lyngby, Denmark: Technical University of Denmark (DTU). <https://core.ac.uk/download/pdf/157777386.pdf> (dostęp: czerwiec 2021).
• Hassani S.S., Amrollahi A., Rashidi A., Soleymani M., Rayatdoost S., 2016. The effect of nanoparticles on the heat transfer properties of drilling fluids. Journal of Petroleum Science and Engineering, 146: 183–190. DOI: 10.1016/j.petrol.2016.04.009.
• Katende A., Boyou N.V., Ismail I., Chung D.Z., Sagala F., Hussein N., Ismail M.S., 2019. Improving the performance of oil based mud and water based mud in a high temperature hole using nanosilica nanoparticles. Colloids and Surfaces A: Physicochemical and Engineering Aspects, 577: 645–673. DOI: 10.1016/j.colsurfa.2019.05.088.
• Kołodziejczyk B., 2016. Brief for GSDR – 2016 Update Nanotechno-logy, Nanowaste and Their Effects on Ecosystems: A Need for Efficient Monitoring, Disposal and Recycling. <https://sustainabledevelopment.un.org/content/documents/9539GSDR_Nano_brief%204.pdf> (dostęp: czerwiec 2021).
• Kotsmar C., Yoon K.Y., Yu H., Ryoo S.Y., Barth J., Shao S., Proda-nović M., Milner T.E., Bryant S.L., Huh C., Johnston K.P., 2010. Stable citrate-coated iron oxide superparamagnetic nanoclusters at high salinity. Industrial & Engineering Chemistry Research, 49: 12435–12443. DOI: 10.1021/ie1010965.
• Krasodomski W., Rembiesa-Śmiszek A., Skibińska A., 2013. Nanocząstki w środkach smarowych. Nafta-Gaz, 3: 220–225.
• Kumar N., Kumar A., Kumar S., 2018. Effect of synthesized AMPS-g-clay/CuO nanocomposite on WBDFS for challenging formations. IADC/SPE Asia Pacific drilling technology conference and exhibition, 27–29 sierpnia, Bangkok, Thailand. DOI: 10.2118/191105-MS.
• Maciąg M., Maciąg K., 2018. Najnowsze doniesienia z zakresu nanotechnologii. Wydawnictwo Naukowe TYGIEL Sp. z o.o., Lublin.
• Mohammadi M., Akbari M., Fakhroueian Z., Bahramian A., Azin R., Arya S., 2011. Inhibition of asphaltene precipitation by TiO2, SiO2, and ZrO2 nanofluids. Energy Fuels, 25: 3150–3156. DOI: 10.1021/ef2001635
• Ogolo N.A., Olafuyi O.A., Onyekonwu M.O., 2012. Enhanced oil recovery using nanoparticles. SPE Saudi Arabia section technical symposium and exhibition, 8–11 kwietnia, Al-Khobar, Saudi Arabia. DOI: 10.2118/160847-MS.
• Prabhu S., Poulose E.K., 2012. Silver nanoparticles: mechanism of antimicrobial action, synthesis, medical applications, and toxicity effects. International Nano Letters, 2: 32. DOI: 10.1186/2228-5326-2-32.
• Ryoo S., Rahmani A.R., Yoon K.Y., Prodanović M., Kotsmar C., Milner T.E., Johnston K.P., Bryant S.L., Huh C., 2012. Theoretical and experimental investigation of the motion of multiphase fluids containing paramagnetic nanoparticles in porous media. Journal of Petroleum Science and Engineering, 81: 129–144. DOI: 10.2118/134879-MS.
• Rzepka M., Kędzierski M., 2019. Zaczyny cementowe z dodatkiem nanokomponentów do uszczelniania kolumn rur okładzinowych w otworach wiertniczych o głębokości końcowej około 1000–2000 metrów. Nafta-Gaz, 11: 674–682. DOI: 10.18668/NG.2019.11.02.
• Rzepka M., Kędzierski M., 2020. Możliwości zastosowania nanotlenku glinu w zaczynach cementowych przeznaczonych do uszczelniania rur okładzinowych w otworach wiertniczych. Nafta-Gaz, 1: 46–56. DOI: 10.18668/NG.2020.01.06.
• Sotto A., Boromand A., Balta S., Kim J., Van der Bruggen B., 2011. Doping of polyethersulfone nanofiltration membranes: Antifouling effect observed at ultralow concentrations of TiO2 nanoparticles. Journal of Materials Chemistry, 21: 10311–10320. DOI: 10.1039/C1JM11040C.
• Wilk K., Kasza P., Czupski M., 2014. Zastosowanie nanocieczy jako dodatków wspomagających proces wypierania ropy naftowej. Nafta-Gaz,1: 14–20.
• Wu H., Zhou Q., Xu D., Sun R., Zhang P., Bai B., Kang W., 2018. SiO2 nanoparticle-assisted low-concentration viscoelastic cationic surfactant fracturing fluid. Journal of Molecular Liquids, 266: 864–869. DOI: 10.1016/j.molliq.2018.06.107.
• Yang X., Shang Z., Liu H., Cai J., Jiang G., 2017. Environmental-friendly salt water mud with nano-SiO2 in horizontal drilling for shale gas. Journal of Petroleum Science and Engineering, 156: 408–418. DOI: 10.1016/j.petrol.2017.06.022.
• Akty prawne i dokumenty normatywne
• Dyrektywa Parlamentu Europejskiego i Rady 2000/60/WE ustanawiająca ramy wspólnotowego działania w dziedzinie polityki wodnej (Dz. Urz. UE L 327 z 22.12.2000 z późn. zm.).
• Dyrektywa Parlamentu Europejskiego i Rady 2008/98/WE w sprawie odpadów (Dz. Urz. UE L 312 z 22.11.2008 z późn. zm.).
• PN-EN 12457-2:2006 Charakteryzowanie odpadów – Wymywanie – Badanie zgodności w odniesieniu do wymywania ziarnistych materiałów odpadowych i osadów – Część 2: Jednostopniowe badanie porcjowe przy stosunku cieczy do fazy stałej 10 l/kg w przypadku materiałów o wielkości cząstek poniżej 4 mm (bez redukcji lub z redukcją wielkości).
• PN-EN 12457-4:2006 Charakteryzowanie odpadów – Wymywanie – Badanie zgodności w odniesieniu do wymywania ziarnistych materiałów odpadowych i osadów – Część 3: Dwustopniowe badanie porcjowe przy stosunku cieczy do fazy stałej 2 l/kg i 8 l/kg dla materiałów o wysokiej zawartości fazy stałej i wielkości cząstek poniżej 4 mm (bez redukcji lub z redukcją wielkości).
• Rozporządzenie (WE) nr 1907/2006 Parlamentu Europejskiego i Rady z dnia 18 grudnia 2006 r. w sprawie rejestracji, oceny, udzielania zezwoleń i stosowanych ograniczeń w zakresie chemikaliów (REACH) i utworzenia Europejskiej Agencji Chemikaliów, zmieniające dyrektywę 1999/45/WE oraz uchylające rozporządzenie Rady (EWG) nr 793/93 i rozporządzenie Komisji (WE) nr 1488/94, jak również dyrektywę Rady 76/769/EWG i dyrektywy Komisji 91/155/EWG, 93/67/EWG, 93/105/WE i 2000/21/WE (Dz. Urz. UE L 396/1 z 30.12.2006 z późn. zm.).
• Rozporządzenie Komisji (WE) nr 10/2011 z dnia 14 stycznia 2011 r. w sprawie materiałów i wyrobów z tworzyw sztucznych przeznaczonych do kontaktu z żywnością (Dz. Urz. UE L 12/1 z 15.1.2011 z późn. zm.).
• Rozporządzenie Parlamentu Europejskiego i Rady (UE) 2015/2283 z dnia 25 listopada 2015 r. w sprawie nowej żywności, zmieniające rozporządzenie Parlamentu Europejskiego i Rady (UE) nr 1169/2011 oraz uchylające rozporządzenie (WE) nr 258/97 Parlamentu Europejskiego i Rady oraz rozporządzenie Komisji (WE) nr 1852/2001 (Dz. Urz. UE L 327/1 z 11.12.2015 z późn. zm.).
• Rozporządzenie Parlamentu Europejskiego i Rady (UE) nr 1333/2008 z dnia 16 grudnia 2008 r. w sprawie dodatków do żywności (Dz. Urz. UE L 354/16 z 31.12.2008,z późn. zm.).
• Rozporządzenie Parlamentu Europejskiego i Rady (WE) nr 1272/2008 z dnia 16 grudnia 2008 r. w sprawie klasyfikacji, oznakowania i pakowania substancji i mieszanin (CLP), zmieniające i uchylające dyrektywy 67/548/EWG i 1999/45/WE oraz zmieniające rozporządzenie (WE) nr 1907/2006 (Dz. Urz. UE L 353/1 z 31.12.2008 z późn. zm.).
• Rozporządzenie Parlamentu Europejskiego i Rady (UE) nr 1007/2011 z dnia 27 września 2011 r. w sprawie nazewnictwa włókien tekstylnych oraz etykietowania i oznakowywania składu surowcowego wyrobów włókienniczych (Dz. Urz. UE L 272/1 z 18.10.2011 z późn. zm.).
• Rozporządzenie Parlamentu Europejskiego i Rady (UE) nr 1223/2009 z dnia 30 listopada 2009 r. dotyczące produktów kosmetycznych (Dz. Urz. UE L 242/59 z 22.12.2009 z późn. zm.).
• Rozporządzenie Parlamentu Europejskiego i Rady (UE) nr 2017/745 z dnia 5 kwietnia 2017 r. w sprawie wyrobów medycznych (Dz. Urz. UE L 117/1 z 5.5.2017 z późn. zm.).
• Rozporządzenie Parlamentu Europejskiego i Rady (UE) nr 528/2012 z dnia 22 maja 2012 r. w sprawie udostępniania na rynku i stosowania produktów biobójczych (Dz. Urz. UE L 167/1 z 27.6.2012 z późn. zm.).

Uwagi

Opracowanie rekordu ze środków MNiSW, umowa Nr 461252 w ramach programu "Społeczna odpowiedzialność nauki" - moduł: Popularyzacja nauki i promocja sportu (2021).