A STUDY OF DIESEL FUEL EVAPORATION FROM THE GROUND SURFACE DURING ACCIDENTAL SPILLS
A STUDY OF DIESEL FUEL EVAPORATION FROM THE GROUND SURFACE DURING ACCIDENTAL SPILLS
Abstract
Technogenic disasters associated with oil product spills have a significant impact on the environment, infrastructure and normal activities of society. In this regard, research in the field of predicting scenarios of situation development in case of oil product spills, reducing the consequences of the resulting emergency situation remains relevant. In the article with the use of gas chromatography method, the specifics of diesel fuel evaporation from the ground surface are determined. It is established that in 6 months after the spill of diesel fuel on the surface of sandy soil, the preservation of petroleum product with insignificant change of its component composition due to evaporation of volatile ingredients is observed.
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.