ИССЛЕДОВАНИЕ ИСПАРЕНИЯ ДИЗЕЛЬНОГО ТОПЛИВА С ПОВЕРХНОСТИ ГРУНТА ПРИ АВАРИЙНЫХ РАЗЛИВАХ
ИССЛЕДОВАНИЕ ИСПАРЕНИЯ ДИЗЕЛЬНОГО ТОПЛИВА С ПОВЕРХНОСТИ ГРУНТА ПРИ АВАРИЙНЫХ РАЗЛИВАХ
Аннотация
Техногенные катастрофы, связанные с разливами нефтепродуктов, оказывают значительное влияние на экологию, инфраструктуру и нормальную жизнедеятельность общества. В связи с этим исследования в области прогнозирования сценариев развития обстановки при разливах нефтепродуктов, снижения последствий от возникшей аварийной ситуации не теряют своей актуальности. В статье с использованием метода газовой хроматографии определены особенности испарения дизельного топлива с поверхности грунта. Установлено, что через 6 месяцев после разлива дизельного топлива на поверхность песчаного грунта наблюдается сохранение нефтепродукта при незначительном изменении его компонентного состава вследствие испарения легколетучих компонентов.
1. Введение
Ежегодно происходит множество природных и техногенных аварий, оказывающих значительное влияние на инфраструктуру и нормальную жизнедеятельность общества. С 2012 года на территории Российской Федерации произошло более 300 происшествий, которые сопровождались аварийным разливом нефтепродуктов. Так 17 августа 2009 года произошла авария на Саяно-Шушенской ГЭС (СШГЭС), в результате которой были повреждены девять из десяти гидроагрегатов, затоплен машинный зал, произошло загрязнение нефтепродуктами устья реки Енисей . 29 мая 2020 года в Норильском городском округе на территории ТЭЦ-3 ОАО «Норильско-Таймырская энергетическая компания» произошёл разлив 21163 тонн дизельного топлива. В результате разлива произошло загрязнение земельных участков на территории 8,9 га и акваторий рек Далдыкан и Амбарная на площади 161,1 га , . Данная проблематика также приобретает большое значение в связи с выработкой проектного ресурса, резервуарного парка и технологического оборудования, которые продолжают эксплуатироваться . Решение данной проблематики лежит в русле организации непрерывного мониторинга, проведения надзорных мероприятий, организации прогнозирования сценариев развития обстановки в целях разработки планов действия при реализации одного из рассчитанных сценариев, для оперативного реагирования и снижения последствий от возникшей аварийной ситуации . При этом одним из факторов, учитываемых при реализации указанных мероприятий, является время сохранения нефтепродуктов в грунте.
Как известно, нефтепродукты имеют весьма сложный индивидуальный состав: парафины нормального и изо-строения, нафтены, непредельные и ароматические углеводороды. После разлива нефтепродукта его концентрация в грунте будет снижаться в результате испарения компонентов с низкой температурой кипения , биоразложения отдельных компонентов нефтепродуктов в процессе жизнедеятельности микроорганизмов , . При этом основным процессом, влияющим на изменение состава этих нефтепродуктов, является испарение. Смоделировать данный процесс с учетом всех внешних факторов (воздействие тепла, воздушных потоков, осадков; влияние поверхности предмета-носителя; условия отбора, хранения, транспортировки; состояние внешней среды до отбора образцов и т.д.) конкретной ситуации практически невозможно. Общей закономерностью процесса испарения является уменьшение (вплоть до полного исчезновения) относительно легких компонентов нефтепродукта и увеличение относительно тяжелых.
Проблеме динамики загрязнения, в том числе сохранения нефтепродуктов в почвах, в последнее время уделяется пристальное внимание со стороны научного сообщества. Активно проводятся исследования, направленные на установление проницаемости почв для нефтепродуктов в зависимости от типа почвы, ее гранулометрического состава, механических свойств , , ведется поиск методов рекультивации с учетом глубины загрязнения почвы , разрабатываются методики обнаружения и оценки степени загрязнений почв нефтепродуктами . Таким образом проведение дальнейших исследований в данном направлении является достаточно актуальным и практически значимым.
Для установления степени загрязнения грунта следами нефтепродукта специалисты применяют различные инструментальные методы исследования. К ним относятся молекулярная спектроскопия в инфракрасной и ультрафиолетовой области спектра, газовая, жидкостная и тонкослойная хроматография и другие аналитические методы . Из вышеперечисленных методов исследования наиболее эффективным и достоверным является метод газовой хроматографии с пламенно-ионизационным и масс-спектрометрическим детектированием. Она позволяет получать данные о качественном и количественном компонентном составе сложных смесей углеводородов, таких как бензины, дизельное топливо, растворители и иные органические жидкости, и соответственно, о степени загрязнения грунта.
Учитывая вышеизложенное, реализация исследования динамики испарения нефтепродукта (дизельного топлива) с поверхности грунта с использованием метода газовой хроматографии может представлять значительный интерес как с практической, так и с научной точки зрения. Обзор проведения и систематизация результатов такого рода исследования при конкретных заданных условиях и является основной целью данной работы.
2. Методы и принципы исследования
Для моделирования разлива нефтепродукта использовался сухой песчаный грунт с удельной плотностью 1300 кг/м3. Грунт засыпался в вертикально стоящую на подложке трубу, диаметром 30 мм и высотой 250 мм. На поверхность грунта вносилось по 15 см3 дизельного топлива (рис. 1).
В соответствии с Правилами организации мероприятий по предупреждению и ликвидации разливов нефти и нефтепродуктов на территории Российской Федерации, за исключением внутренних морских вод Российской Федерации и территориального моря Российской Федерации, утвержденными постановлением правительства Российской Федерации от 31 декабря 2020 г. № 2451, время локализации разлива нефти и нефтепродуктов на грунте не должно превышать 6 часов. При этом ликвидация разлива начинается после сосредоточения сил и средств и может начинаться на 2-3 день после аварии. Примером может послужить разлив дизельного топлива в г. Норильске 29 мая 2020 года, ликвидация которого началась 1 июня 2023 года. В связи с этим образцы грунта с дизельным топливом выдерживались открыто 2 дня, а для определения концентрации нефтепродукта в грунте при непроведении работ по локализации и ликвидации разлива – 6 месяцев.
После выдержки образцов пробы грунта извлекались послойно. Высота извлекаемых слоев грунта составляла 50 мм (объемом 20 см3).
Рисунок 1 - Схема послойного извлечения образцов грунта со следами нефтепродукта
- хроматограф – «Хроматэк Кристалл 5000»;
- колонка - капиллярная ZЕBRON ZB-50 длиной 30 м;
- начальная температура колонок – 70 ºС;
- конечная температура колонок – 260 ºС;
- температура испарителя – 220 ºС;
- температура детектора – 260 ºС;
- газ-носитель – гелий.
Обработку результатов исследования (хроматограмм) проводили с использованием программного обеспечения «Хроматэк Аналитик».
3. Основные результаты и обсуждение
На хроматограммах нативного дизельного топлива преимущественно присутствуют пики нормальных алканов в виде «гребенки» от С8 до С24-С27, а также парные пики в области С14-С20, характерные для изо-алканов, в том числе для изопреноидов – пристана (2,6,10,14-тетраметил пентадекан, около С17) и фитана (2,6,10,14-тетраметил гексадекан, около С18).
При исследовании хроматограмм следов дизельного топлива, экстрагированных с проб грунта, выдержанных в течение 2 суток (рис. 2, 3), установлено наличие характерных для дизельного топлива пиков н-алканов от С8 до С24 . Наиболее интенсивным является пик для С13 вне зависимости от глубины отбора образца для исследования. При увеличении глубины отбора проб грунта наблюдается снижение интенсивности всех компонентов, входящих в состав дизельного топлива. Тем не менее при разливе дизельного топлива на грунт и выдержке в течение 2 суток происходит пропитывание грунта нефтепродуктом на глубину более 25 см.
Рисунок 2 - Хроматограмма образца №1 при выдержке грунта в течение 2 суток
Рисунок 3 - Хроматограмма образца №5 при выдержке грунта в течение 2 суток
Рисунок 4 - Хроматограмма образца №1 при выдержке грунта в течение 6 месяцев
Рисунок 5 - Хроматограмма образца №2 при выдержке грунта в течение 6 месяцев
Рисунок 6 - Хроматограмма образца №3 при выдержке грунта в течение 6 месяцев
Рисунок 7 - Хроматограмма образца №4 при выдержке грунта в течение 6 месяцев
Рисунок 8 - Хроматограмма образца №5 при выдержке грунта в течение 6 месяцев
4. Заключение
В результате моделирования разлива дизельного топлива на поверхность песчаного грунта с пропитыванием на глубину до 25 см и исследования извлеченных следов нефтепродукта методом газовой хроматографии установлено:
- на хроматограммах экстрактов дизельного топлива с проб грунта, выдержанных в течение 2 суток, имеются характерные для дизельного топлива пики н-алканов от С8 до С24, при этом максимальная интенсивность наблюдается для пика С13 вне зависимости от глубины отбора образца;
- следы нефтепродукта сохраняются в значительном объеме в слое грунта в течение продолжительный времени (более 6 месяцев), что свидетельствует о необходимости рекультивации земель после разлива дизельных топлив в результате природных и техногенных аварий, в том числе с учетом зарубежного опыта ;
- при длительной выдержке наблюдается перераспределение компонентов дизельного топлива в зависимости от глубины проникновения нефтепродукта в грунт.