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        土壤中分段石油烴熱脫附行為研究

        2022-04-08 07:08:36王飛龍王朝輝蔡凌霄白正偉
        石油煉制與化工 2022年4期

        王飛龍,李 磊,李 懌,王朝輝,蔡凌霄,白正偉,賈 苒

        (中石化煉化工程(集團(tuán))股份有限公司洛陽(yáng)技術(shù)研發(fā)中心,河南 洛陽(yáng) 471003)

        隨著國(guó)內(nèi)石油化工產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展,由于石油泄漏以及老舊廠區(qū)退役造成的石油烴污染土壤日趨增多。相關(guān)資料顯示,我國(guó)部分石油化工園區(qū)土壤中石油烴質(zhì)量分?jǐn)?shù)高達(dá)10 000 μg/g,每年新污染土壤1×108kg[1]。土壤中的石油烴在改變土壤環(huán)境的同時(shí),還會(huì)通過(guò)植物吸收進(jìn)入人體,長(zhǎng)期接觸可造成不可逆的損害。

        石油烴污染土壤常用的修復(fù)技術(shù)主要有物理修復(fù)、化學(xué)修復(fù)以及生物修復(fù)等[2-4]。其中,熱脫附技術(shù)具有修復(fù)周期短、去除效率高等明顯優(yōu)勢(shì)而受到廣泛關(guān)注。Falciglia等[5]研究了溫度、土壤質(zhì)地以及時(shí)間等對(duì)土壤中柴油污染去除過(guò)程的影響,結(jié)果表明吸附過(guò)程和解吸效率受土壤質(zhì)地的影響,處理溫度和時(shí)間是影響修復(fù)過(guò)程的關(guān)鍵因素。Fabio等[6]研究了被高濃度柴油污染的土壤在不同工藝條件下的熱脫附過(guò)程,結(jié)果表明隨著加熱溫度的升高,平均反應(yīng)速率常數(shù)增加,說(shuō)明熱脫附過(guò)程變得更快更有效。Risoul等[7]的試驗(yàn)結(jié)果表明,較低的壓力環(huán)境有利于提高多氯聯(lián)苯熱脫附效率。目前大部分研究主要集中在多環(huán)芳烴、多氯聯(lián)苯等污染物,而對(duì)土壤中不同碳數(shù)范圍的石油烴組分熱脫附行為的研究相對(duì)較少。

        本研究選用天津某場(chǎng)地石油烴質(zhì)量分?jǐn)?shù)20 000 μg/g以上的土壤樣品,探究加熱溫度、保持時(shí)間以及負(fù)壓條件對(duì)熱脫附過(guò)程的影響,分析不同碳數(shù)的石油烴組分在熱脫附過(guò)程中的變化規(guī)律,為細(xì)化和優(yōu)化石油污染土壤修復(fù)處理過(guò)程提供技術(shù)依據(jù)。根據(jù)GB 36600—2018《土壤環(huán)境質(zhì)量建設(shè)用地土壤污染風(fēng)險(xiǎn)管控標(biāo)準(zhǔn)》中第一類(lèi)用地(居住用地、中小學(xué)用地等)風(fēng)險(xiǎn)篩選值有關(guān)規(guī)定,修復(fù)目標(biāo)定作石油烴質(zhì)量分?jǐn)?shù)為826 μg/g。

        1 實(shí) 驗(yàn)

        1.1 材 料

        土樣取自天津某場(chǎng)地高濃度石油烴污染土壤。土壤經(jīng)自然風(fēng)干后,撿去磚塊、玻璃、樹(shù)葉等,經(jīng)干燥、研磨、過(guò)篩,取18~35目樣品備用。測(cè)得風(fēng)干后土壤含水率為3.14%,土壤中不同碳數(shù)范圍的石油烴組分質(zhì)量分布見(jiàn)表1。由表1可見(jiàn),被污染土壤中的石油烴含量較高,其中C10~C16段石油烴含量較低,C17~C28和C29~C40段石油烴組分含量較高。

        表1 熱處理前土壤不同碳數(shù)范圍石油烴組分質(zhì)量分布

        1.2 試驗(yàn)方法

        試驗(yàn)采用管式爐模擬熱脫附過(guò)程,試驗(yàn)裝置如圖1所示。取適量土樣置于管式爐內(nèi),在不同的條件下進(jìn)行熱脫附試驗(yàn)。采用氮?dú)庾鬏d氣,甲苯為尾氣吸收液,改變熱脫附溫度(150,200,250,300,350,400 ℃)以及保持時(shí)間(0.5,1.0,1.5,2.0 h)等條件。

        圖1 管式爐模擬熱脫附試驗(yàn)裝置1—?dú)馄浚?2—石英管; 3—真空管式爐; 4—甲苯吸收瓶; 5—冰浴鍋

        污染土壤經(jīng)熱脫附處理前后,分別測(cè)定土壤和吸收液中的總石油烴及分段石油烴含量,并計(jì)算土壤中總石油烴和分段石油烴去除率,以及吸收液中分段石油烴占試驗(yàn)前土壤中總石油烴的質(zhì)量分?jǐn)?shù)。去除率反映了土壤中石油烴的去除效果,吸收液中分段石油烴占比反映了在熱脫附過(guò)程中產(chǎn)生的氣體中污染物的組成。

        1.3 分析方法

        土壤和甲苯吸收液中總石油烴(C10~C40)含量通過(guò)氣相色譜儀(Agilent 6890N)進(jìn)行測(cè)定。采用Agilent HP-5色譜柱,規(guī)格為30 m×0.25 mm×0.25 μm。儀器設(shè)置條件為:進(jìn)樣口溫度320 ℃,不分流進(jìn)樣;柱箱初始溫度50 ℃,保持2 min,以40 ℃/min的速率升至230 ℃,以20 ℃/min的速率升至320 ℃,保持20 min。載氣為氦氣,氣體流速2.0 L/min;FID檢測(cè)器;進(jìn)樣量1 μL。土壤前處理方法依據(jù)HJ 1021—2019《土壤和沉積物石油烴(C10~C40)的測(cè)定氣相色譜法》進(jìn)行。

        2 結(jié)果與討論

        2.1 溫度對(duì)熱脫附過(guò)程的影響

        常壓下設(shè)置保留時(shí)間為1 h,載氣流量為200 mL/min,在不同溫度下進(jìn)行土壤中石油烴的脫除試驗(yàn),結(jié)果如圖2~圖4所示。

        由圖2可以看出:在溫度為150 ℃和200 ℃時(shí),土壤中總石油烴去除率較低,僅分別為25.9%和73.2%;隨著熱脫附溫度的升高,脫附后土壤中的總石油烴含量迅速降低,石油烴去除率從150 ℃時(shí)的25.9%提高到300 ℃時(shí)的99.6%,土壤中總石油烴含量達(dá)到修復(fù)目標(biāo)要求;熱脫附溫度高于300 ℃時(shí),石油烴去除率基本保持穩(wěn)定。為節(jié)能降耗及節(jié)約成本,熱脫附溫度建議控制在350 ℃以下。

        圖2 溫度對(duì)熱脫附過(guò)程的影響■—石油烴去除率; ▲—吸收液中石油烴占初始石油烴的比例

        圖3 溫度對(duì)分段石油烴去除率的影響溫度,℃:■—150; ■—200; ■—250; ■—300; ■—350; ■—400。圖4同

        圖4 溫度對(duì)吸收液中分段石油烴占比的影響

        由圖3和圖4可以看出,150 ℃時(shí),吸收液中C10~C16段石油烴占處理前土壤總石油烴的4.56%,超過(guò)試驗(yàn)前其在處理前土壤中占比,且隨著溫度的升高該占比逐漸增大,說(shuō)明該段石油烴較易去除,且在熱脫附過(guò)程中存在脫附和非脫附途徑(如裂解等),使得尾氣中輕組分含量明顯增加。C17~C28和C29~C40段組分去除率受溫度變化影響較為明顯:當(dāng)溫度為150~200 ℃時(shí),去除率均低于40%,此時(shí)吸收液中兩段組分占比均較低;當(dāng)溫度升至300 ℃時(shí),兩段組分去除率均大于99%,吸收液中兩段組分含量也隨之增加。

        對(duì)同一類(lèi)烴,同一條件下,隨著碳原子數(shù)的增加,其沸點(diǎn)不斷升高,對(duì)應(yīng)土壤中石油烴組分去除率呈下降趨勢(shì)。而對(duì)于一定碳數(shù)范圍的組分,在給定的時(shí)間下,提高加熱溫度可破壞土壤顆粒與石油烴之間的作用力,提高石油烴去除率。這可能是由于溫度升高時(shí),石油烴分子中的碳碳鍵或碳?xì)滏I容易發(fā)生斷裂,生成沸點(diǎn)較低的組分,從而從土壤中脫離出來(lái)[8]。對(duì)于高碳數(shù)石油烴組分,這種效應(yīng)更加明顯。

        2.2 保持時(shí)間對(duì)熱脫附過(guò)程的影響

        常壓下設(shè)置溫度為250 ℃,載氣流量為200 mL/min,在不同保持時(shí)間下進(jìn)行土壤中石油烴的脫除試驗(yàn),結(jié)果如圖5~圖7所示。

        由圖5~圖7可以看出:隨著保持時(shí)間的增加,土壤中總石油烴去除率逐漸升高;對(duì)于土壤中C10~C16和C17~C28段的石油烴組分,在不同保持時(shí)間下均保持穩(wěn)定的高去除率;對(duì)于土壤中C29~C40段的石油烴組分,在保持時(shí)間為0.5~1.5 h時(shí)去除率相對(duì)較低,僅為70%左右,當(dāng)保持時(shí)間增至2 h時(shí),去除率增大至90%;保持時(shí)間增長(zhǎng)至2 h時(shí),土壤中總石油烴去除率達(dá)到97.2%,各組分去除率均達(dá)到峰值,土壤中殘留的總石油烴含量低于修復(fù)目標(biāo)值。在吸收液中,前1 h內(nèi)石油烴總量隨保持時(shí)間的延長(zhǎng)而增加;當(dāng)保持時(shí)間為2 h時(shí),雖然C10~C16段石油烴組分占比略有增加,但C17~C28和C29~C40段石油烴組分占比下降明顯。這可能是由于隨著時(shí)間的延長(zhǎng),石油烴除了通過(guò)脫附、裂解等途徑被去除外,還通過(guò)其他途徑生成了不易被吸收的產(chǎn)物。

        圖5 保持時(shí)間對(duì)熱脫附過(guò)程的影響■—石油烴去除率; ▲—吸收液中石油烴占初始石油烴的比例

        圖6 保持時(shí)間對(duì)分段石油烴去除率的影響保持時(shí)間,h:■—0.5; ■—1.0; ■—1.5; ■—2.0。圖7同

        圖7 保持時(shí)間對(duì)吸收液中分段石油烴占比的影響

        由以上分析可知,在250 ℃下,C10~C28段石油烴組分去除率較高,提高C29~C40段石油烴組分去除率成為完成修復(fù)目標(biāo)的關(guān)鍵,在實(shí)際修復(fù)工作中延長(zhǎng)保持時(shí)間為可行措施之一。

        2.3 負(fù)壓對(duì)熱脫附過(guò)程的影響

        設(shè)置載氣流量為200 mL/min,保持時(shí)間為1 h,在不同負(fù)壓條件(-15 kPa和-30 kPa)下進(jìn)行土壤中石油烴的脫除試驗(yàn),結(jié)果如表2和圖8所示。由表2可以看出:200 ℃下,負(fù)壓條件(-15 kPa、-30 kPa)可使石油烴去除率提高15%以上;隨著溫度的升高,負(fù)壓條件的作用效果減弱,在溫度為300 ℃時(shí),負(fù)壓條件下與常壓下的石油烴去除率相當(dāng)。由圖8可以看出,負(fù)壓條件下主要提高了C29~C40段石油烴去除率。這是由于沸點(diǎn)低的餾分在常壓下去除率本來(lái)就較高,故負(fù)壓條件時(shí)提高幅度小,而高沸點(diǎn)餾分在常壓下脫除率較低,在負(fù)壓條件下,目標(biāo)化合物的飽和蒸氣壓降低,沸點(diǎn)隨之降低,使之更易從土壤中脫附出來(lái)。

        表2 不同負(fù)壓條件對(duì)石油烴去除率的影響

        圖8 不同溫度下負(fù)壓條件對(duì)分段石油烴去除率的影響■—常壓; ■—-15 kPa; ■—-30 kPa

        3 結(jié) 論

        (1)在管式爐中進(jìn)行了土壤中高濃度石油烴的熱脫附試驗(yàn),土壤中總石油烴去除率隨加熱溫度的升高以及保持時(shí)間的延長(zhǎng)不斷提高。常壓下,在250 ℃保持2 h與300 ℃保持1 h的條件下,土壤中總石油烴去除率均達(dá)到97%以上,土壤中總石油烴殘留量低于修復(fù)目標(biāo)值。

        (2)溫度在250 ℃以上,土壤中C10~C16和C17~C28段石油烴組分可被快速有效去除。C29~C40段石油烴組分受加熱溫度和保持時(shí)間變化影響明顯,在300 ℃、1 h條件下可被有效去除。

        (3)在熱脫附過(guò)程中,石油烴可通過(guò)脫附及非脫附途徑(如裂解)去除,同時(shí)尾氣中輕組分含量隨溫度的升高而增加。

        (4)負(fù)壓條件有助于提高熱脫附過(guò)程中土壤中石油烴的去除率。

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