海洋溢油事故中的溢油風化

海洋溢油事故中的溢油風化

    溢油事故發(fā)生后，在海洋*的環(huán)境條件下，有著復雜的物理、化學和生物變化過程，并通過這些變化，zui終從海洋環(huán)境中消失。這些變化有擴散、漂移、蒸發(fā)、分散、乳化、光化學氧化分解、沉積以及生物降解等等。石油的理化特性和其溢入海洋環(huán)境中的變化，使其在海面上有著與其他物質(zhì)不同的情形，中間部分比邊緣部分厚，類似薄透鏡形狀，并且大部分油聚集在溢油點的下風向。這種現(xiàn)象不是油的單一特性和海洋環(huán)境的單一因素所能決定的，而是多種因素的綜合作用。

（1）溢油擴散

    油溢到海面上，人們首先看到的就是油的擴散。它主要是在油的重力、粘度和表面張力聯(lián)合作用下產(chǎn)生水平擴散。起初，重力起主要作用，所以油的擴散受油的溢出形式影響很大。如果油的溢出形式是瞬間大量溢油，則其擴散要比連續(xù)緩慢溢油快得多。油溢出幾小時后，油層厚度大大減小，此時表面張力作用將超過重力作用，成為導致溢油擴散的主要因素，溢油在水面將形成鏡面似的薄膜，它的中間部分比邊緣部分厚。對于少量高粘度的原油和重燃料油，它們不易擴散而以塊狀逗留在海面上。這些高粘度油，在環(huán)境溫度低于其傾點溫度時，幾乎不擴散。當溢油擴散在水面上形成薄膜后，進一步的擴散主要是靠海面的紊流作用。

應(yīng)說明的是，油膜并非是連續(xù)的，它受風和流的影響，隨著時間的變化，會出現(xiàn)形狀不同、厚度不同的油膜，或油帶，或碎片，或小焦油球。

（2）溢油漂移

    由風和海流(或河流)引起的油膜運動稱為漂移。油膜的漂移過程是極其復雜的，涉及到許多因素。這一過程通過計算機模型可以比較準確的預(yù)測。但是，溢油現(xiàn)場實時風和流的數(shù)據(jù)難以隨時獲得，或者所獲得的數(shù)據(jù)不準確，那么，預(yù)測的結(jié)果也不準確。利用儲存的大量風和流的歷史數(shù)據(jù)分析溢油漂移，結(jié)果是比較準確的，但這只對同一水域的溢油事故才有意義。

（3）溢油蒸發(fā)

    溢油中易揮發(fā)組分的蒸發(fā)能夠?qū)е乱缬吞匦缘淖兓?。蒸發(fā)后留在海面上的油比其原來的密度和粘度都要大。蒸發(fā)帶來了海面溢油量的減少，還影響著溢油的擴散、乳化等，并且還會引起火災(zāi)和爆炸危險。影響蒸發(fā)的因素有：油的組分、油膜厚度、環(huán)境溫度、風速及海況等。

    油的組分對其蒸發(fā)的影響zui大，它可決定其蒸發(fā)速度和總量比。原油及其煉制品中的輕組分含量越高，越容易蒸發(fā)。多數(shù)原油和其輕質(zhì)煉制品的輕組分含量較高，溢到海面后，蒸發(fā)的速度快，蒸發(fā)總量比大。溢油中碳原子數(shù)小于15的烷烴可以全部蒸發(fā)，C16－C18的烷烴可蒸發(fā)90％，C19-C21的烷烴可蒸發(fā)50％。汽油的主要組分為C9-C11的烷烴，因此溢到海面后，可以全部蒸發(fā)掉。重質(zhì)原油和重燃料油輕組分含量較低，因此蒸發(fā)慢，蒸發(fā)總量比也很小。

    溢油在海面的蒸發(fā)速率隨時間的延長而減小，溢油在zui初幾小時內(nèi)蒸發(fā)得很快。一般的環(huán)境條件下，多數(shù)原油和其輕質(zhì)煉制品在12h內(nèi)，可蒸發(fā)掉25％-30％；在一天內(nèi)，可蒸發(fā)掉50％。

    油膜厚度影響溢油的蒸發(fā)速率。一定量的溢油，油膜越薄，暴露在大氣中的油膜面積越大，蒸發(fā)得就越快。但是，油膜厚度不會影響其蒸發(fā)的總量比。

    溫度對溢油蒸發(fā)的影響涉及了蒸發(fā)速率和蒸發(fā)總量比，溫度越高，油蒸發(fā)得越快；同一種油，高溫時蒸發(fā)的總量比大，低溫時蒸發(fā)的總量比小。

    大氣壓對油的蒸發(fā)有影響，但是這種影響不大。風速主要影響溢油的蒸發(fā)速率。風速越大，蒸發(fā)越快。海況對溢油蒸發(fā)也有一定的影響，海況越差，蒸發(fā)越快。

    當給定溢油品種和溢油量、油膜厚度、環(huán)境溫度和風速，可用計算機模型準確地預(yù)測某一時間的溢油蒸發(fā)量。實際溢油事故中也可以用蒸發(fā)曲線估算蒸發(fā)量。

（4）溢油的溶解

    溶解是石油中的低分子烴向海水中分散的一個物化過程，也是一個自然混合過程。油溶解的速率取決于油的分子構(gòu)成、擴散程度、水溫、紊流以及分散程度。原油中的重組分實際上在海水中并不溶解，低分子的烴類化合物，尤其是芳烴如苯和甲苯稍溶于水。但這些化合物也極易揮發(fā)，這種揮發(fā)速度要比溶解快10-1000倍。烴類的溶解濃度很少超過lppm，而石油主要由各種烴類組成，所以油的溶解對于清除海面溢油沒有多大影響。在石油中，20號重柴油的溶解能力zui大，它向海水中的自然混合作用也zui強，對海洋生物的危害也zui大；而重燃料油和大部分原油的溶解能力相對較差，那么，在海水中的自然混合作用也較弱。

（5）溢油的分散

    海面的波浪作用于油膜，產(chǎn)生一定尺寸的油滴，小油滴懸浮在水中，而較大的油滴升回海面。這些升回水面的油滴處在向前運動的油膜后面，不是與其他油滴聚合形成油膜，就是擴散為很薄的油膜，而呈懸浮狀的油滴則混合于水中。這種油的分散造成了油的表面積增大，能促進生物降解和沉積過程。

    自然分散率很大程度上取決于油的特性及海況，在碎浪出現(xiàn)時分散過程進展得快。低粘度油在保持流動、不受其他風化過程阻礙的情況下，數(shù)天內(nèi)能*分散，如汽油、柴油。相反，高粘度油或能形成穩(wěn)定油包水乳化液的油，容易在水面形成不容易分散的厚油層。這類油可在水面存留數(shù)周，如重質(zhì)原油和重燃料油。

（6）溢油的乳化

    許多油類易于吸收水而形成油包水乳化液，體積會增加3-4倍。這種乳狀液通常很粘，不容易消散。多數(shù)油在任何海況下都能迅速形成乳狀液，其穩(wěn)定性依賴于瀝青質(zhì)的含量。瀝青質(zhì)含量大于0．5％的油，易形成穩(wěn)定的乳狀液，即通常所說的“巧克力凍”；而瀝青質(zhì)含量小于此值的油易于分散。油的乳化物在平靜海況下或擱淺于岸上時，因日曬受熱，還會重新分離為油和水。

    油的乳化速度取決于油的特性和海況，乳化物的含水量只取決于油的本身。油吸收水分常使油由黑色變成棕色、桔黃色或黃色。隨著乳化的進展，油在浪中的運動使油中的水滴越來越小，乳化物變得越來越粘。隨著吸水量的增加，乳化物的密度接近于海水。

    溢油一旦乳化形成“巧克力凍”，對應(yīng)急處理帶來了困難。“巧克力凍”含量越大，溢油分散劑的作用越??；當乳化液的含水率達50％-60％時，分散劑就*失去效用。如果用撇油器回收含有“巧克力凍”的油，由于其粘度的增加，使回收效率降低，并且大大地增加了運輸量。

    據(jù)報道，“巧克力凍”的形成，有的可使回收油的量增加10倍。“巧克力凍”在海洋環(huán)境中很難自然消失，如任其漂流，碰到固體物質(zhì)或海灘就會粘附在上面，對環(huán)境的污染很難消除。

（7）生物降解

    生物降解是海洋環(huán)境本身凈化油zui根本的途徑。目前已發(fā)現(xiàn)200多種微生物能夠降解石油，這些微生物一般生長在海面及海底。微生物對油的降解使其1／3用于細胞合成，2／3分解為水和二氧化碳。這種降解作用使得油污從根本上得以消除。影響生物降解的因素主要有溫度、含氧量及營養(yǎng)物質(zhì)氮和磷的含量。據(jù)報導，在適宜的水域中生物降解油的速率為每天可從每噸海水中清除0．001至0．003克油；在常年受油污染的地區(qū)每天可從每噸海水中清除0．5-60g油。但油一旦與沉積物混合，由于微生物缺乏養(yǎng)料而大大降低了降解速率。生物降解的速率對抗御溢油行動來說并不能起到大的作用，但對于被油污染的海洋環(huán)境來說，即使需要幾個月甚至幾年能使其得到恢復，也是非常有意義的。

    通過生物降解可以清除溢油，所以近年來開發(fā)了含營養(yǎng)物質(zhì)的溢油分散劑，其中添加的營養(yǎng)物質(zhì)能增強微生物的繁殖能力，增強生物降解作用。

（8）氧化作用

    石油的烴分子與氧作用不是分解為可溶性物質(zhì)就是結(jié)合為持久性焦油。氧化反應(yīng)由于日曬而加劇，并伴隨著油膜擴散的始終，但是相對于其他各種變化過程，氧化的量是微不足道的。氧化的速率較慢，特別是高粘度、厚層油或油包水乳化物的氧化很慢。這是因為高分子量的形成在油表面包了一層保護膜。

（9）沉積

    溢油在海洋中經(jīng)過蒸發(fā)、乳化等變化，其密度增加，有些重殘油的相對密度大于1，在微咸水或淡水中下沉。但是幾乎沒有這么大密度的原油可靠自身的沉降作用沉積于海底。溢油是通過三種途徑沉積：

①溶解的石油烴吸附在固體顆粒上下沉。

②分散的油滴附著在海水懸浮顆粒上下沉。

③輕組分揮發(fā)、溶解后的剩余組分由于密度增大而生成半固態(tài)小焦油球下沉。

    淺水區(qū)和江河口處經(jīng)常夾雜著大量的懸浮顆粒，這會促使溢油的沉降。油的沉降有時也會受溫度影響，在很冷的天氣里，油漂浮于水面；當晚上氣溫下降得更低時油又會沉到水面以下；當白天氣溫回升時它又重新回到水面上。沉積在海底(或河床)的石油經(jīng)過一定的時間之后，一部分被生物降解，一部分在沉積礦化作用下得到凈化。

    溢油的蒸發(fā)、分散、乳化、溶解、生物降解、吸附沉降和氧化稱為溢油的風化。由此可知人們常說的溢油風化是一個相當復雜的過程，不是任何一種物理化學現(xiàn)象所能解釋的。因此，目前對溢油的風化過程還沒有量化解釋。溢油在海洋中的上述變化使每一次的溢油事故都有一個質(zhì)量平衡。

由影諾儀器整理編輯

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