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(大連海事大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，遼寧 大連 116026)

海上溢油事故造成的海洋生態(tài)環(huán)境損害已成為全球性問(wèn)題，并引起了各國(guó)的高度關(guān)注[1]。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，全球每年生產(chǎn)的32億t石油中約有1/1 000即320萬(wàn)t進(jìn)入海洋環(huán)境[2]。近岸水體是溢油事故的頻發(fā)區(qū)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(fā)生沉潛的風(fēng)險(xiǎn)[3-5]。一些在淺水區(qū)的實(shí)例也表明，溢油與水體中懸浮顆粒物相互作用，密度增加導(dǎo)致溢油發(fā)生下沉，是近岸區(qū)域溢油發(fā)生沉潛的主要機(jī)理[6]。

近年來(lái)，盡管未發(fā)生明顯的溢油事件，渤海周邊還是發(fā)生多起不明來(lái)源油塊污染岸線的事件，可能來(lái)源于過(guò)往事故中溢油發(fā)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(dǎo)致密度變大而下沉是溢油沉潛的重要機(jī)制[8]。國(guó)內(nèi)外幾個(gè)典型的研究總結(jié)了海上發(fā)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(guò)程?？紤]實(shí)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(yīng)及混合物的穩(wěn)定性對(duì)研究溢油沉潛過(guò)程十分重要。本研究以2種燃料油和2種渤海原油為實(shí)驗(yàn)油，實(shí)驗(yàn)考察不同混合能和化學(xué)分散劑存在條件下油與泥沙混合的動(dòng)力學(xué)過(guò)程，進(jìn)而探討擱淺在岸線上溢油的下沉和上浮的規(guī)律，以豐富溢油沉潛行為的研究。

1 實(shí)驗(yàn)材料與方法

選用2種船用燃料油(180、380號(hào)燃油，以下分別稱(chēng)為燃油1號(hào)和燃油2號(hào))和2種渤海生產(chǎn)的原油(以下分別稱(chēng)為原油1號(hào)和原油2號(hào))作為代表性油種進(jìn)行試驗(yàn)研究，代表性油種的組成和物理性質(zhì)見(jiàn)表1。

表1 代表性油種的特征組成和性質(zhì)

注：①燃油1號(hào)的180 ℃餾分未檢出，是因?yàn)槠涑躔s點(diǎn)為190 ℃。

分散劑選用市售的富肯-2號(hào)分散劑作為實(shí)驗(yàn)研究對(duì)象，其由高純度油基及非離子表面活性劑(氧化脂類(lèi)，所用原料是環(huán)氧乙烷)、偶合劑和滲透劑組成，質(zhì)量分?jǐn)?shù)約為0.85 kg/L。實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)溫度約為15 ℃。

試驗(yàn)過(guò)程如下。

1)下滲實(shí)驗(yàn)。在1 000 mL量筒中裝入適量泥沙(干燥泥沙或浸沒(méi)海水泥沙)，泥沙深度要大于實(shí)驗(yàn)時(shí)間內(nèi)油下滲的最大值，再倒入20 mL油，無(wú)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(chǔ)上，選擇原油2號(hào)與分散劑，油與分散劑的預(yù)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(duì)油-下滲過(guò)程的影響。

2)混合實(shí)驗(yàn)。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(xiàn)象；另一組將充足的油與25 g泥沙進(jìn)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(chēng)重，測(cè)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(shí)驗(yàn)。取原油2號(hào)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(guò)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(jié)果與分析

2.1 下滲實(shí)驗(yàn)

通過(guò)下滲實(shí)驗(yàn)，考察溢油與泥沙的自發(fā)混合程度，見(jiàn)圖1。

圖1 試驗(yàn)油品在干燥泥沙中的下滲深度

在無(wú)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(fā)生混合。受制于粘度，燃油2號(hào)和原油1號(hào)下滲較燃油1號(hào)和原油2號(hào)速率快。而在浸海水的泥沙中，理論上油可因自發(fā)分散過(guò)程而下滲，進(jìn)而油沙混合。由于實(shí)驗(yàn)用油的密度均低于實(shí)驗(yàn)海水的密度，故在浸海水的泥沙中4種試驗(yàn)用油均未發(fā)生油下滲的現(xiàn)象。

為了進(jìn)一步考察因分散而產(chǎn)生的下滲現(xiàn)象，選擇燃油180為試驗(yàn)油，通過(guò)添加不同比例的化學(xué)分散劑，觀察分散劑作用下泥沙中燃油180下滲深度(見(jiàn)表2)。研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，分散劑能夠促進(jìn)溢油下滲入泥沙中，下滲速率呈一級(jí)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(jiàn)，溢油沖到海岸上后，會(huì)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(cè)試

2.2 混合實(shí)驗(yàn)

在燒杯底部放足夠量的泥沙，加入海水，加入試驗(yàn)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(huì)在水面慢慢攤開(kāi)。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(xì)小的油顆粒沉底。針對(duì)不同試驗(yàn)油種，實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)原油1號(hào)的密度最小，最易上浮，且粘附性小，不容易結(jié)合顆粒物下沉。原油2號(hào)、燃油1號(hào)、燃油2號(hào)能通過(guò)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(wěn)定性。表3是試驗(yàn)油種的最大滯留油量測(cè)試結(jié)果，與混合實(shí)驗(yàn)結(jié)果類(lèi)似，原油1號(hào)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(yàn)油最大滯留油量均超過(guò)0.5 g。

由實(shí)驗(yàn)可知，實(shí)驗(yàn)用油在海浪的作用下都可與泥沙有效混合而發(fā)生沉潛，進(jìn)而沉底。可推測(cè)：波浪較大的淺海區(qū)，海面油在波浪的作用下，油首先會(huì)發(fā)生半潛[9]，進(jìn)而油與泥沙混合密度變大而沉底。

2.3 上浮實(shí)驗(yàn)

原油2號(hào)加入相應(yīng)比例分散劑后的上浮實(shí)驗(yàn)觀測(cè)到，未加或少加分散劑時(shí)，油上浮現(xiàn)象不明顯，上浮油主要以液滴形態(tài)上浮。當(dāng)分散劑用量大于35%時(shí)，分散的油大量溶于水中，分散的油主要以細(xì)絲狀上浮，上浮油形態(tài)與文獻(xiàn)報(bào)道結(jié)果一致[10]，上浮油百分比如圖2a)所示。圖2b)是上浮油厚度測(cè)試結(jié)果，發(fā)現(xiàn)未加分散劑的油與泥沙結(jié)合相對(duì)穩(wěn)定，基本不會(huì)上浮。分散劑是油-泥沙混合物穩(wěn)定性的重要控制因素，加入分散劑后促進(jìn)了吸附的油在水中的分散，油與泥沙的結(jié)合程度下降迅速。油-沙相互作用形成的沉底油的穩(wěn)定性是相對(duì)的，波浪等水動(dòng)力條件下，油-沙會(huì)分離而上浮，分散劑可顯著影響沉底油的穩(wěn)定性而使其上浮，上浮程度和分散劑用量相對(duì)應(yīng)。

圖2 不同分散劑存在下原油2號(hào) 在浸海水泥沙中下滲實(shí)驗(yàn)

3 結(jié)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(jìn)油在浸海水的泥沙中下滲。波浪和化學(xué)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(jié)合體，進(jìn)而發(fā)生沉潛或沉底。分散劑的使用同時(shí)也會(huì)削弱油與泥沙的附著程度，增強(qiáng)油在水-泥沙中的遷移，降低油與泥沙混合的穩(wěn)定性。

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