化学分散油污染砂砾的动态释油规律模拟研究

摘要：分散剂与溢油混合形成的化学分散油向岸滩漂移会大量地粘附在海滩表面，并向沙体内部释放，污染整个滩体。本文通过沙柱实验模拟研究分散油污染砂砾的释放规律及水头高度对油类释放的影响。研究表明，沙柱中分散油污染砂砾的连续动态释放过程是先快速后变慢，分散油污染砂砾中油的释放率（33.67%）大于原油污染砂砾的（8.82%）。水头高度越大，下部出水中油的浓度和释放率越大。

关键词：分散油污染砂砾原油污染砂砾水头高度释放

中图分类号：F407.7 文献标识码：A

随着海上石油开采业和运输业发展，溢油泄漏事故不断，石油污染成为海洋环境的一个严重问题。漂浮在海面上的石油通过扩散、溶解以及漂移等作用能对社会和海洋生态环境等造成巨大的危害。喷洒分散剂[1]是控制溢油海面污染一种常用的方法。它减少溢油表面与海水间的表面张力，使溢油迅速乳化分散到水中。但使用分散剂后形成的化学分散油会在风和海浪作用下迁移至岸边，污染海岸 [2]。

本文通过沙柱模拟试验，研究分散油污染砂砾在海水作用下的动态释油规律。

1材料与方法

实验材料

（1）海水与砂砾：海水由蒸馏水与海水素配制(盐度为30‰)而成。砂砾取自青岛市汇泉湾沙质海岸，用32目与60目的筛网截留（粒径为0.25~0.56mm），使用前用酸浸泡。

（2）油品：实验模拟污染用油为原油，取自青岛石化厂。其参数如表1所示。

表1 原油参数

品名 密度（20℃ g/cm3） 运动粘度（20℃ mm2/s） API值

原油 0.987 86.55 11.9

（3）分散剂：经中国海事局认可的常规型分散剂。

（4）分散油污砂砾的制备：称取砂砾500g于干净烧杯中，将5g轻质原油与1g分散剂（溢油量的20%）预先混溶后倒入此烧杯中，搅拌均匀并风干后密闭保存。其污染砂砾含油量为5.02mg/L。

（5）原油污染砂砾的制备：称取砂砾500g于干净烧杯中，将5g轻质原油与100ml石油醚预先混溶后倒入此烧杯中，搅拌均匀并风干后密闭保存。其污染砂砾含油量为5.02mg/L。

实验仪器与药品

仪器：FA2004N型电子天平；OIL400系列红外分光测油仪；KH5200超声清洗器；PY-150振荡器。

药品：四氯化碳（AR）；无水硫酸钠。

实验装置

设计实验装置高为500mm，内径为32mm的有机玻璃柱。在玻璃柱下端铺100mm厚的大颗粒石英砂（使用前高温加热1h，去除有机质）承托层，再装入分散油污砂砾，填装高度为30cm，再覆盖10mm厚的石英砂，如图1。

图1 实验装置图

实验方法

水中石油含量测定：用四氯化碳振荡萃取两次后在红外测油仪下测定。

砂砾含油量测定：采用超声波2次萃取法提取砂砾中的石油[3]。

砂砾的含油量：

（1）

式中：C—砂砾中油含量（mg/kg）；Ci－红外测油仪测定的含油量(mg/L)；V－四氯化碳的定容体积(ml)；W－砂砾重量(g)。

石油的释放率：

（2）

式中：S—油类的释放率；C0—砂砾初始含油量（mg/kg）；Ct—某时刻砂砾的含油量（mg/kg）。

2实验结果与讨论

2.1化学分散油污染砂砾在沙柱中释放规律的初步研究

实验分为两组，分别为实验组和对照组。按上述图1装两根柱。实验组中装入化学分散油污砂砾，对照组为原油污染砂砾，都用清洁海水进行淋滤，水头高度为10cm。定时测下部出水中油的浓度，实验结束后，在沙柱同一剖面不同深度处（0，10，20，30cm）取砂砾，分析砂砾中残留油的含量，结果见图2和表2。

图2 油类动态释放过程曲线

表2不同深度处砂砾中油的残留量

由图2知，两组沙柱中油的释放过程都是先快速后慢速：前10h时，下降的速度较快，随着时间的延长，释放速度减缓，22h后，出水油的浓度基本稳定，且实验组出水油的浓度大于对照组中的。

由表2知，同一根沙柱不同深度处砂砾中油的残留量差别不大，实验组中平均含油量为3330mg/kg，可算出油的平均释放率为33.67%；对照组中平均含油量为4577mg/kg，其释放率为8.82%。则分散油污染砂砾中油的释放率大于原油污染砂砾中油的释放率。

这可能是因为：原油是大分子疏水粘性物质，在水中的溶解度很小且比水轻，传质效率比较低，造成其释放率较低。而化学分散油污染砂砾中含有分散剂，分散剂的憎水基团吸附在原油表面，亲水基团则伸向水中，这就使原油表面由疏水性转化为亲水性的，从而降低了油与海水之间的界面能，使原油的粘度减小，有利于油类在海水中的释放。

2.2不同水头高度下分散油污染砂砾释放规律的研究

为了研究不同水头高度下分散油染砂砾的释放规律，按图1方法装三根柱，并用清洁海水进行淋滤，水头高度分别为3、5、10cm。定时测下部出水中油的浓度，实验结束后，在沙柱同一剖面不同深度处（0，10，20，30cm）取砂样，分析砂砾中残留油的含量，结果见图3和表3。

图3水头高度的不同对油释放的影响

表3不同水头高度作用下砂砾中油的残留量

由图3知，水头高度不影响砂砾中分散油动态释放过程，仅对其释放浓度有所影响。当时间相同时，沙柱下部出水中油的浓度随着水头高度的增大而增大；此外，在释放的初始阶段，水头高度越大其下部出水中油的浓度越大，释放速率也越大。

由表3知，当水头高度分别为3、5、10cm时，分散油污染砂砾中残留油的平均含量分别4357、4029、3330mg/kg，其对应油的释放量为663、991、1690mg/kg，释放率为13.21%、19.24%、33.67%。

Hunt[4]等人认为释放速率KN有以下关系式：

（3）

式中，U为达西速率，D为扩散系数，dN为油滴直径，N为油滴数。水头高度的增加，则速率U增大，水与油类接触碰撞剧烈，增大了分子之间的碰撞频率，降低油水表面张力，提高了扩散系数D，同时使dN 减小，因此，释放速率KN增大，则其释放量增加。所以，水头高度的增大能使油的释放量增加。

3结论

通过上述研究可以得出以下结论：

（1）分散油污染砂砾中油的释放率（33.67%）大于原油污染砂砾中油的释放率（8.82%）。

（2）高作用水头能促进分散油污染砂砾的释放。水头高度分别为3，5，10cm时，其释放率分别为13.21%、19.24%、33.67%。

参 考 文 献：

[1]夏文香，林海涛，李金成，等．分散剂在溢油污染控制中的应用．环境污染治理技术与设备，2004，5(7)：39-41．

[2]张海萍，王辉．不同海面状况海洋石油污染处理方法优化配置．海洋技术，2006，25(3)：1-6．

[3]何炜，武强．应用分散剂控制水面溢油污染的环境影响分析及建议．环境污染与防治，2010，31(5)：90-92．

[4]Lidskog R，Elander L．Sweden and the Baltic Sea pipeline：Between ecology and economy[J]．Marine Policy，2012，36(2)：333-338．