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《中国海洋大学》 2010年
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滨海环境石油—悬浮颗粒物凝聚体形成的动力学研究

孙娟  
【摘要】: 随着全球对石油产品需求和石油海洋运输的增加,大量的石油以及石油制品通过各类溢油事故污染海洋环境。由于石油对水生生态,尤其是脆弱的沙滩生态系统高度的毒性效应,一旦发生溢油事故,就必须进行及时的溢油清除。传统溢油清除的物理手段局限性较大,尤其是易受天气的影响,而且不易清除彻底。与此相比,施用化学分散剂来清除溢油则往往会产生毒性更大更持久的二次污染,还会加速溢油在沙滩含水层中的渗透。因此溢油修复领域的专家们一直在探求一种高效、经济、又环保的溢油修复技术。 近二十年来人们逐渐认识到在溢油事故发生以后,油污沙滩环境中能自然生成一种油-悬浮颗粒物的凝聚体(Oil-Suspended Particulate Matter Aggregates, OSA)。OSA的生成不仅可以促进油从沙滩向海洋水体中的扩散,并且能极大地促进油的生物降解。基于OSA生成的溢油的自然修复手段以及其后发展起来的多种基于OSA生成的溢油清除措施正在油污沙滩清除过程中发挥着不可忽视的作用。为了更好地认识和控制这一过程,溢油修复领域的科学家们致力于研究OSA在不同条件下的形成特征。近几年来出现了一些对于不同控制因素(如悬浮颗粒物的粒径和浓度,不同石油特性、水的盐度以及温度)对OSA形成的影响研究。 但是以往几乎所有的关于OSA形成的试验研究中,油和悬浮颗粒物之间的相互作用或者是在一定的混合条件下反应很长一段时间或者是在某个较大的混合能量下反应较短的时间。对OSA形成动力学过程研究的缺乏导致已有的关于OSA形成的定量研究成果难以与野外沙滩环境中石油的修复行为相互转化,从而无法对溢油修复策略的选择提供更为行之有效的定量依据。另外,海洋环境中的混合能量,无论在时间上还是在空间上的分布变化都是巨大的。混合能量对于控制溢油的分散、油滴和悬浮颗粒物在水体中的悬浮以及油滴和悬浮颗粒物之间的相互作用都具有非常重要的作用。然而,迄今为止很难找到关于混合能量对OSA形成的影响的系统而深入的研究。在这种大环境下,本课题的研究就显得极为重要并且意义深远。 本论文在深入阅读理解OSA研究领域的已有文献的基础上,主要以Hill et al.(2002)提出的预测OSA形成的时间尺度的数值模型为理论依据,设计试验室内批量试验,旨在研究不同混合条件下(不同混合能量以及不同悬浮颗粒物浓度)石油和悬浮颗粒物之间相互作用的动力学过程,建立预测OSA形成的数值模型。 本文主要采用试验室批量试验,采用摇摆式振荡器,将一定浓度的原油样品(分别采用阿拉伯轻油、阿拉伯中油和阿拉伯重油)与一定浓度的悬浮颗粒物(美国国家标准技术中心基于海湾沉积物制备的标准参考物质1941b)在一定的混合条件下振荡不同时间,分离样品中沉降的OSA,萃取并用气相色谱—火焰离子检测器方法测定OSA中石油碳氢化合物总量(TPH)含量,同时测定沉降的颗粒物含量。通过控制不同振荡时间得出OSA中捕获的石油含量以及沉降的颗粒物随振荡时间的变化。对不同混合能量、不同油种类以及不同颗粒物浓度下的系列数据进行拟合,得出预测OSA形成的数值模型。 对不同混合条件下形成OSA的结构特征研究,包括OSA结构种类、OSA中结合油滴粒径分布和浓度以及OSA粒径分布随反应时间的变化采用紫外荧光-可见光显微镜以及激光粒度分析仪进行测量。对于得到的显微镜照片采用基于Matlab平台开发的程序进行处理,得出不同混合条件下,在OSA形成过程中,油滴粒径及浓度随时间的变化规律。 通过上述一系列的研究,本文得到了一些新的认识和结论,主要包括: (1)混合能量的强度对于OSA生成的时间尺度具有极强的控制作用。本研究发现,存在一个临界混合能量(当振荡速率是2.0Hz时),当低于这个混合能量时,即使存在足够的悬浮颗粒物,OSA也不会在短期内生成。当混合能量相当于海洋破碎波的条件下,OSA在7个小时内就能形成。不同混合条件下OSA中油的捕获率随时间变化的规律均可用公式3-1来表述,即OSA中油的捕获率随振荡时间呈指数形式增长,直到达到某个平衡值并趋于稳定。混合能量的增大,能够显著增加OSA中油的捕获率,并能缩短OSA形成需要的时间。 (2)悬浮颗粒物的浓度对于OSA形成的时间尺度具有极强的控制作用。增加颗粒物的浓度迅速增长了OSA的生成,并且显著缩短了OSA形成的时间尺度。在OSA能生成的范围内,与混合能量相比,颗粒物的浓度对于OSA生成的时间尺度具有更强的控制作用。 (3)与悬浮颗粒物浓度和混合能量相比,本研究所选用的三种不同性质的原油性质对OSA生成的影响相对较弱。这可能和选取的原油性质有关。但是研究发现,沥青质-树脂含量较高的阿拉伯重油生成的OSA中含有的油量明显高于其它两种油类。因此,可以推断石油中的沥青质-树脂含量对于OSA的生成具有明显的促进作用。 (4)在对OSA中石油捕获率研究的基础上,结合OSA中结合的悬浮颗粒物质量时间序列数据发现,不同混合条件下OSA中油-悬浮颗粒物的比率随时间的变化呈现出与公式3-1相似的规律,即OSA中油-悬浮颗粒物的比率随振荡时间的增加呈指数形式增大,直到达到某—平衡值而趋于稳定。研究发现,悬浮颗粒物的浓度对于OSA中油-悬浮颗粒物的比率具有很强的控制作用,具体表现为:在低悬浮颗粒物浓度(100mg/L)条件下,OSA中油-悬浮颗粒物的比率介于0.59-1.13 mg油/mg颗粒物之间;在中等悬浮颗粒物浓度(200mg/L)时,OSA中油-悬浮颗粒物的比率介于0.28-0.45 mg油/mg颗粒物之间;在高悬浮颗粒物浓度(400mg/L)时,OSA中油-悬浮颗粒物的比率介于0.21-0.24 mg油/mg颗粒物之间。 (5)通过对不同混合条件下形成OSA的结构特征进行研究发现,低混合能量下生成的OSA以固体状OSA和单油滴状OSA为主,而高混合能量下生成的OSA以多油滴状OSA为主。研究发现,混合能量越大,多油滴状OSA中结合的油滴数目越多,油滴的粒径也越小。研究还发现,在高的悬浮颗粒物浓度下,容易生成漂浮的薄片状OSA。在低混合能量下,阿拉伯重油更趋向于生成固体状OSA。 (6)通过激光粒度分析仪对生成OSA的粒径进行研究发现,在一定的混合能量下,随着混合时间的增大,OSA的粒径逐渐增大。但是,高的混合能量对于生成的OSA和颗粒物凝聚体具有一定的破碎作用,而在一定程度上抑制了OSA体积的增大。
【学位授予单位】:中国海洋大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2010
【分类号】:X55

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