化學分散劑和混合能對岸灘油-沙混合過程的影響

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(大連海事大學 環境科學與工程學院，遼寧 大連 116026)

海上溢油事故造成的海洋生態環境損害已成為全球性問題，并引起了各國的高度關注[1]。據不完全統計，全球每年生產的32億t石油中約有1/1 000即320萬t進入海洋環境[2]。近岸水體是溢油事故的頻發區域，潮汐作用、高的濁度加上分散劑的大量使用等因素,均增大了溢油發生沉潛的風險[3-5]。一些在淺水區的實例也表明，溢油與水體中懸浮顆粒物相互作用，密度增加導致溢油發生下沉，是近岸區域溢油發生沉潛的主要機理[6]。

近年來，盡管未發生明顯的溢油事件，渤海周邊還是發生多起不明來源油塊污染岸線的事件，可能來源于過往事故中溢油發生沉潛后重新上浮并擱淺上岸[7]。擱淺在岸線上的溢油粘附在岸灘的泥沙上，油沙混合導致密度變大而下沉是溢油沉潛的重要機制[8]。國內外幾個典型的研究總結了海上發生的由各種因素造成的溢油沉潛，其中分散和粘附異物(懸浮物、海底沉積物)是重要過程。考慮實際的溢油事件，擱淺在岸線上的溢油與泥沙的混合情況、粘附效應及混合物的穩定性對研究溢油沉潛過程十分重要。本研究以2種燃料油和2種渤海原油為實驗油，實驗考察不同混合能和化學分散劑存在條件下油與泥沙混合的動力學過程，進而探討擱淺在岸線上溢油的下沉和上浮的規律，以豐富溢油沉潛行為的研究。

1 實驗材料與方法

選用2種船用燃料油(180、380號燃油，以下分別稱為燃油1號和燃油2號)和2種渤海生產的原油(以下分別稱為原油1號和原油2號)作為代表性油種進行試驗研究，代表性油種的組成和物理性質見表1。

表1 代表性油種的特征組成和性質

注：①燃油1號的180 ℃餾分未檢出，是因為其初餾點為190 ℃。

分散劑選用市售的富肯-2號分散劑作為實驗研究對象，其由高純度油基及非離子表面活性劑(氧化脂類，所用原料是環氧乙烷)、偶合劑和滲透劑組成，質量分數約為0.85 kg/L。實驗選用的泥沙取自于河北海域的翡翠島，粒徑平均約為100 μm；實驗溫度約為15 ℃。

試驗過程如下。

1)下滲實驗。在1 000 mL量筒中裝入適量泥沙(干燥泥沙或浸沒海水泥沙)，泥沙深度要大于實驗時間內油下滲的最大值，再倒入20 mL油，無攪拌作用，靜置觀察油由泥沙的表層下滲而與泥沙混合的程度。在此基礎上，選擇原油2號與分散劑，油與分散劑的預混合比分別為0%、10%、35%、50%，油與分散劑的混合方式為攪拌，以考察分散劑對油-下滲過程的影響。

2)混合實驗。分為2組，其中一組將10 mL油倒入裝有25 g泥沙和海水的燒杯，振蕩(120，300 r/min，模擬波浪的影響)，觀察油與泥沙的混合現象；另一組將充足的油與25 g泥沙進行攪拌,使其充分混合，然后放入海水中，攪拌，去掉上浮油，60 ℃烘干，稱重，測量被泥沙固定的最大油量(最大滯留油量)，以此考察油與泥沙的粘附效果。

3)上浮實驗。取原油2號10 mL，混合分散劑的比例為0、10%、35%、50%，然后與25 g泥沙混合均勻，再加入海水，通過觀察上浮程度和上浮油厚度，研究油與泥沙的分離程度。

2 結果與分析

2.1 下滲實驗

通過下滲實驗，考察溢油與泥沙的自發混合程度，見圖1。

圖1 試驗油品在干燥泥沙中的下滲深度

在無攪拌作用下，在干燥的泥沙中，僅依靠重力，油即可下滲到泥沙中發生混合。受制于粘度，燃油2號和原油1號下滲較燃油1號和原油2號速率快。而在浸海水的泥沙中，理論上油可因自發分散過程而下滲，進而油沙混合。由于實驗用油的密度均低于實驗海水的密度，故在浸海水的泥沙中4種試驗用油均未發生油下滲的現象。

為了進一步考察因分散而產生的下滲現象，選擇燃油180為試驗油，通過添加不同比例的化學分散劑，觀察分散劑作用下泥沙中燃油180下滲深度(見表2)。研究結果發現，分散劑能夠促進溢油下滲入泥沙中，下滲速率呈一級速率方程特征，分散劑含量為10%、35%、50%的油在6 d里分別下滲0.8、0.9、1.2 cm。由此可見，溢油沖到海岸上后，會下滲到干燥的泥沙中與其混合，在浸水部分基本不下滲，但是使用分散劑后能促使油與泥沙充分混合而下沉海底。

表2 分散劑作用下泥沙中燃油180下滲深度測試

2.2 混合實驗

在燒杯底部放足夠量的泥沙，加入海水，加入試驗用油，振蕩模擬波浪作用下油與泥沙的混合作用。在頻率為120 r/min的條件下振蕩，海水變渾濁，部分泥沙顆粒懸浮在水中，與油接觸，油的密度有所增大，部分半潛在水中，振蕩30 min后，油不下沉，且靜置1 min油就會在水面慢慢攤開。在頻率為300 r/min的條件下震蕩，油可與泥沙充分混合，振蕩15 min后，油分為兩部分:60%的油形成直徑3～8mm的乳化油球懸浮在水面位置，40%的油形成細小的油顆粒沉底。針對不同試驗油種，實驗發現原油1號的密度最小，最易上浮，且粘附性小，不容易結合顆粒物下沉。原油2號、燃油1號、燃油2號能通過波浪的作用半潛于海中，與泥沙充分混合而沉于海底，且有一定的穩定性。表3是試驗油種的最大滯留油量測試結果，與混合實驗結果類似，原油1號由于粘性小，最大滯留油量最低，不易吸附下沉，其他3種試驗油最大滯留油量均超過0.5 g。

由實驗可知，實驗用油在海浪的作用下都可與泥沙有效混合而發生沉潛，進而沉底。可推測：波浪較大的淺海區，海面油在波浪的作用下，油首先會發生半潛[9]，進而油與泥沙混合密度變大而沉底。

2.3 上浮實驗

原油2號加入相應比例分散劑后的上浮實驗觀測到，未加或少加分散劑時，油上浮現象不明顯，上浮油主要以液滴形態上浮。當分散劑用量大于35%時，分散的油大量溶于水中，分散的油主要以細絲狀上浮，上浮油形態與文獻報道結果一致[10]，上浮油百分比如圖2a)所示。圖2b)是上浮油厚度測試結果，發現未加分散劑的油與泥沙結合相對穩定，基本不會上浮。分散劑是油-泥沙混合物穩定性的重要控制因素，加入分散劑后促進了吸附的油在水中的分散，油與泥沙的結合程度下降迅速。油-沙相互作用形成的沉底油的穩定性是相對的，波浪等水動力條件下，油-沙會分離而上浮，分散劑可顯著影響沉底油的穩定性而使其上浮，上浮程度和分散劑用量相對應。

圖2 不同分散劑存在下原油2號 在浸海水泥沙中下滲實驗

3 結論

油可在岸邊干燥的泥沙中下滲，而在浸海水的泥沙中下滲不明顯，分散劑的使用可促進油在浸海水的泥沙中下滲。波浪和化學分散劑均能促使油滴在海水中與懸浮泥沙碰撞后形成油和懸浮泥沙結合體，進而發生沉潛或沉底。分散劑的使用同時也會削弱油與泥沙的附著程度，增強油在水-泥沙中的遷移，降低油與泥沙混合的穩定性。

[1] 周洪洋,尹曉楠,邴磊,等.關于近年渤海海域溢油污染的思考[J].中國海事,2015(12):23-26.

[2] 柳婷婷,田珊珊.海上溢油事故處理及未來發展趨勢[J].中國水運:理論版,2006,4(11):29-31.

[3] 夏文香,楊樂,葉志波,等.化學分散劑對海洋溢油與顆粒物之間相互作用的影響[J].海洋環境科學,2016,35(4):623-627.

[4] 劉正江,李青平,熊德琪,等.渤海半潛和沉底油特性、漂移預測及回收技術[J].中國科技成果,2015(19):33-33.

[5] 孫娟.濱海環境石油-懸浮顆粒物凝聚體形成的動力學研究[D].青島:中國海洋大學,2010.

[6] 賈新苗,張彤,田勝艷.海洋環境中溢油與沉積物間的相互作用研究概述[J].海洋信息,2016(3):34-42.

[7] 劉正江.沉潛油的成因及防治[M].大連:大連海事大學出版社,2014.

[8] 楊琳.石油勘探開發區風險評估及對策研究:以埕島A區塊為例[D].青島:中國海洋大學,2014.

[9] LI Z, KEPKAY P, LEE K, et al. Effects of chemical dispersants and mineral fines on crude oil dispersion in a wave tank under breaking waves[J]. Marine pollution bulletin,2007,54(7):983-993.

[10] 段麗琴,宋金明,李學剛,等.海底溢油的歸宿及輸移擴散行為[J].Marine Sciences,2013,37(6):113.