消油劑在水面和水下使用效果試驗方法評述

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(1.中海石油環(huán)保服務(wù)(天津)有限公司,天津 300452；2.國家海洋局第一海洋研究所,山東青島 266061)

消油劑處理海上溢油是海上溢油應(yīng)急處置的重要方式之一，在以往的實踐當(dāng)中，人們已經(jīng)采用消油劑對水面溢油和水下溢油進行過處置，取得了良好的溢油處置效果。然而，現(xiàn)有的消油劑具有毒性[1-2]，會對海洋環(huán)境產(chǎn)生次生危害，所以，在溢油過程中有必要重視合理使用消油劑，在最大程度消除溢油的基礎(chǔ)上，使得水體中的剩余消油劑量最少。

為了合理準(zhǔn)確地評定消油劑對水面溢油和水下溢油的使用效果，需要好的試驗方法來支持，試驗方法的選擇極為重要。多年以來，國內(nèi)外相關(guān)研究人員在這方面作了大量的工作，取得了顯著的成果。就目前來說，水面消油劑使用效果試驗方法大體分為兩類[3]：一是室內(nèi)測試法；二是波浪槽試驗法。結(jié)合項目要求，文中探討波浪槽試驗法。

由于研究時段的局限性，相關(guān)的試驗方法難于統(tǒng)一，各試驗方法同時存在著優(yōu)點和缺陷，目前尚不能采用某一種獨立的試驗方法作為項目研究內(nèi)容。

在參考了國內(nèi)外相關(guān)的試驗研究文獻的基礎(chǔ)上，結(jié)合實踐經(jīng)驗，對各試驗方法進行評述并提出合理的試驗方法。

1 試驗方法概述

1.1 消油劑水面試驗方法

國內(nèi)學(xué)者張秀芝等[4]利用波浪槽(長25 m、寬0.6 m、高1.2 m)進行了波浪槽消油劑水面試驗。在調(diào)節(jié)波長和波周期的波浪條件下，選用一種消油劑和一種原油油樣進行試驗，設(shè)計一定的取樣時間間隔將油樣取出進行測試指標(biāo)的測試，測試指標(biāo)為粘度、水含量和乳化率。乳化率的測試參照了國標(biāo)乳化率測定法。

趙云英等[5]也利用波浪槽(長15 m、寬1.0 m、工作水深0.5 m)進行了波浪槽消油劑水面試驗。在鋪設(shè)不同厚度油膜條件下，變換波數(shù)，選用了一種消油劑和一種原油油樣進行了試驗。按照20%比例噴灑消油劑，采用自制“抽氣式”取樣器在不同水層取得油水樣品，樣品送往實驗室測定油含量，最后計算出乳化率。

國外文獻上Li Zhengkai等[6]利用波浪槽(長16 m、寬0.6 m、高2 m)進行了波浪槽消油劑水面試驗。調(diào)節(jié)造波機以產(chǎn)生不同波高和波長的非破碎波和破碎波對一種原油油樣和消油劑進行了試驗。試驗設(shè)計采用“兩因素混合水平完全析因設(shè)計”。在不同波浪條件下，用1∶25的劑油比向水面上的原油油樣噴灑消油劑，分別在5、30、60、120 min時刻在水槽的1.5和4.0 m處的5、20、40、60和110 cm處采取水樣。水樣采用二氯甲烷萃取-紫外可見比色分析法測定水樣中油的含量，以便計算出乳化率。同時，在水槽的4.5 m處設(shè)置一臺LISST-100X激光粒度儀測定水體中油滴的粒徑。

此后，Li Zhengkai等[7]利用波浪槽(長32 m、寬0.6 m、高2 m，工作水深1.5 m)進行了波浪槽消油劑水面試驗。調(diào)節(jié)不同的波高和波長，分別采用兩種原油油樣和兩種消油劑進行了試驗。試驗設(shè)計應(yīng)用“三因素三水平正交試驗設(shè)計”，三因素為消油劑、油樣和波浪條件，對這三因素分別設(shè)置了2、2和3個水平。在不同波浪條件下，用1∶25的劑油比向水面上的原油油樣噴灑消油劑，分別在1、10、30、60 min時刻在水槽的8、16和20 m處的5、75和140 cm處采取水樣。水樣采用二氯甲烷萃取-紫外可見比色分析法測定水樣中油的含量，以便計算出乳化率。同時，在水槽中設(shè)置激光粒度儀測定水體中油滴的粒徑。

在上述工作的基礎(chǔ)上，Li Zhengkai等[8]利用波浪槽，分別在波浪槽的兩端開孔，通入一定流量的水流，以模擬浪流耦合條件下的消油劑使用效果。調(diào)節(jié)不同的波高和波長及水流流速，分別采用兩種原油油樣和兩種消油劑進行試驗。在不同波浪及水流條件下，用1∶25的劑油比向水面上的原油油樣噴灑消油劑，共進行1 h的試驗。分別在2、5、15、30和60 min時刻在水槽的8、16和20 m處的5、75和140 cm處采取水樣。水樣采用二氯甲烷萃取-紫外可見比色分析法測定水樣中油的含量，以便計算出乳化率。在水槽中設(shè)置一臺LISST-100X激光粒度儀以測定水體中油滴的粒徑。

Ken Trudel等[9]利用大型波浪槽(長203 m、寬20 m、深3.3 m)進行了大型波浪槽消油劑水面試驗。在每次試驗前，調(diào)節(jié)造波機的造波波長和波高。加入大約75 L的原油。前后幾年的時間內(nèi)，共進行了一種消油劑對15種原油的試驗。乳化率的測定采用取浮油的方法進行，即試驗過后，仔細(xì)撈取水面上及池壁上的油，稱重，然后再根據(jù)油樣的初始加入量來計算最后的水體中的油量，由此計算出乳化率。

Alun Lewis等[10]利用大型波浪槽(長203 m、寬20 m、深3.3 m)進行了消油劑水面試驗。不過，他們不是進行造波試驗，而是在平靜水面下進行的試驗。具體做法是將40和100 L原油油樣與消油劑混合，然后放到一個直徑5 m圓形的一定孔徑的網(wǎng)上，再放到水槽的水面上。每次都經(jīng)過6 d的浸泡試驗。定期取油樣然后回實驗室用搖瓶法測試乳化率。試驗期間用相機拍照以進行油的視覺評估。同時，在水深1.5 m處設(shè)置一臺LISST-100X激光粒度儀測定水體中油滴的粒徑。

Don Aurand等[11]利用波浪槽(長10 m、寬1.2 m、深1.2 m)進行了消油劑水面試驗。用造波機造波，試驗區(qū)用空氣圍油欄阻擋油膜的漂移及沾壁，分別進行了一種原油和9種消油劑的試驗。試驗中采用不同的劑油比，混合20 min。試驗結(jié)束后，采集水面浮油，經(jīng)空氣干燥后，稱得浮油的質(zhì)量。以初始放入的油的質(zhì)量為基準(zhǔn)，計算出乳化率。

1.2 消油劑水下試驗方法

相對于消油劑水面試驗來說，消油劑水下試驗方面的文獻極少，所能查到的公開發(fā)表的只有Per Johan Brandvik等人所發(fā)表的文獻[12]。

Per Johan Brandvik等的試驗裝置是一個直徑3 m、高6 m的圓柱形試驗水槽。水槽底部設(shè)有注油嘴和消油劑噴嘴。油樣最大流速1.5 L/min。油溫用熱交換器控制在10～95 ℃。試驗時，消油劑分別從輸油管道和噴嘴上部注射。以油滴粒徑作為測試指標(biāo)。在水槽2 m處設(shè)置3種不同的在線儀器用來檢測油滴的粒徑：LISST-100X激光粒度儀；原位顯微高速相機；在線PVM(粒子視覺顯微鏡)。應(yīng)用這3臺儀器同時測定油滴的粒徑。他們用該套裝置采用一種原油和一種消油劑進行了試驗研究。

2 試驗方法及試驗方法建立的原則

2.1 試驗裝置

前述的消油劑水面試驗裝置大都是采用波浪槽造波形式，在外觀形式上與實際海洋中的波浪相似，其最終的試驗結(jié)果也將與實際海洋中的實際結(jié)果相同或相似，是目前消油劑水面試驗所應(yīng)采納的模擬形式。消油劑水下試驗從全球來講屬于剛剛開始，其試驗裝置形式單一，更多的有實用價值的試驗裝置只能在不斷實踐的基礎(chǔ)上逐步完善。

雖然上述各消油劑水面試驗的試驗裝置形式基本相同，但其規(guī)模有大有小，并且水槽的長、寬和高的比例不一致，難以參照。

人們進行實驗室模擬試驗的主要目的就是要將實驗室的研究結(jié)果與實際海洋中的應(yīng)有的結(jié)果相關(guān)聯(lián)。要想關(guān)聯(lián)必須要滿足兩方面的條件:形式上相同或相似；在相似的基礎(chǔ)上需要知道其相似的程度。在這里，相似的程度與水槽的尺度及比例相關(guān)。但到目前為止，人們還沒有能夠確定出水面溢油及消油劑處理水面溢油過程中試驗裝置與現(xiàn)實海洋中的相似程度。這是因為，傳統(tǒng)的水工試驗裝置之所以能確定出試驗裝置(模型)與實際海洋(原型)之間的相似程度，是因為有“相似理論”的支持。但傳統(tǒng)的“相似理論”實際上是在假設(shè)受力物體小形變基礎(chǔ)上建立的，即要保持“幾何相似”[13]。而由于水面溢油在受力過程中都是大形變，所以傳統(tǒng)的“相似理論”并不能作為水面溢油的試驗理論來應(yīng)用。在這種情況下，就無法評價出實際現(xiàn)有的試驗裝置的規(guī)模的大小與實際海洋的相似程度。在這里，試驗裝置的規(guī)模大小并不重要。

在這現(xiàn)實的情況下，實用做法應(yīng)該是，首先利用小規(guī)模波浪水槽具有的條件多功能實施可行、條件控制精確、項目經(jīng)濟負(fù)擔(dān)小、試驗周期短等特點，進行小規(guī)模波浪水槽試驗，總結(jié)出影響因素條件與處置方式之間的基本規(guī)律及各影響因子對處置方式之間的影響程度，建立相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型；在此基礎(chǔ)上，逐級進行大水槽專項試驗或進行現(xiàn)場調(diào)查，修改模型參數(shù)，以達到逐步逼近海洋現(xiàn)實狀況的目的。從長遠來看，必須在理論上有所突破，即在不斷實踐的基礎(chǔ)上，進行各機理的探索，建立相應(yīng)的試驗研究理論，最終科學(xué)地提高實驗室的模擬能力。

2.2 試驗設(shè)計

從目前的研究現(xiàn)狀來看，除Li Zhengkai等外，其他的研究者并未對“試驗設(shè)計”有所重視，試驗方案是隨意的。實際上，“試驗設(shè)計”對一個試驗研究者來說是十分重要的。一個優(yōu)秀的試驗設(shè)計方案可以科學(xué)快速地得出試驗過程中應(yīng)有的規(guī)律性，并能實現(xiàn)量化，從而能建立相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型。

試驗設(shè)計中的因素選擇應(yīng)該選取對試驗結(jié)果有重要影響的因素。雖然Li Zhengkai等在相應(yīng)的工作中進行過試驗設(shè)計，但在影響因素的選擇上有所缺失，比如溫度條件未被選定。這可能與試驗水槽太大無法進行控溫有關(guān)，但還應(yīng)該進行不同季節(jié)溫度下的補充試驗。

在進行試驗前，首先應(yīng)確定對試驗結(jié)果有顯著影響的影響因素，然后按照“試驗設(shè)計”理論進行試驗設(shè)計，完成試驗，總結(jié)規(guī)律，最終建立數(shù)學(xué)模型。

2.3 評定指標(biāo)、取樣及測試方法

從國內(nèi)研究者所作的工作來看，消油劑水面試驗的評定指標(biāo)就一項，就是乳化率。而國外的研究者所重視的評定指標(biāo)有兩項：乳化率和油滴粒徑。在某種程度上，重視油滴粒徑的程度要高于乳化率。消油劑水下試驗的評定指標(biāo)就油滴粒徑一項。但都缺少消油劑殘存量一項。

張秀芝等的取樣方式只代表水面原油風(fēng)化過程中不同時刻所能被消油劑處理的可能性有多大；其他研究者取樣方式表現(xiàn)為比較重視試驗條件下的乳化率或各水層間油的含量。Ken Trudel等和Don Aurand等主要取的是水面上的浮油，再根據(jù)加入油的量計算出水體中的量，最終計算出實際乳化率。消油劑水下試驗采取的是在線檢測。

國內(nèi)的研究者對乳化率的測定主要依據(jù)是《溢油分散劑 技術(shù)條件》(GB 18188.1—2000)中附錄A的測試方法，這是一種三氯甲烷萃取-可見分光光度法；國外研究者中除Ken Trudel等和Don Aurand等外，所采用的是二氯甲烷萃取-紫外可見分光光度法。而Ken Trudel等和Don Aurand等由于取得是水面浮油，所采取的測試方法是干燥稱重法。水中油滴粒徑主要是采用在線的LISST-100X激光粒度儀、在線的顯微高速相機及在線的PVM測定。對于國外相關(guān)研究者中采用的二氯甲烷萃取-紫外可見分光光度法測定油水中油含量的測試方法，由于紫外分光光度法會檢測出水體中的表面活性劑，所以在實際檢測中會產(chǎn)生正誤差。有相應(yīng)的其它專業(yè)的研究工作可以證實這一點[14-16]。Ken Trudel等和Don Aurand等采取的取水面浮油然后干燥稱重的方法未考慮到對浮油干燥過程中的油的揮發(fā)及操作損耗，會對試驗結(jié)果產(chǎn)生負(fù)誤差。消油劑水面試驗中所用的激光粒度儀由于只能處于水槽中的某一固定位置，在這種情況下其測試結(jié)果只能代表某一點的油滴粒徑。如要用這點的結(jié)果來描述整個水槽中的實際結(jié)果，其前提必須是整個水槽中油滴分布均勻。消油劑水下試驗雖然用了三種測試儀器來測定油滴粒徑，但其只能對小油滴進行測定。水下溢油過程中小油滴產(chǎn)生的前提是原油從水底霧化噴出或消油劑能完美地將溢油乳化成小油滴，但這兩種情況在實際中可能只是個例。

3 結(jié)論

在實際試驗過程中，應(yīng)首先確定評定指標(biāo)。在目前的認(rèn)知能力下，消油劑水面試驗應(yīng)設(shè)置乳化率、油滴粒徑和消油劑殘存量為檢測指標(biāo)。乳化率測定應(yīng)采用多點采取水樣的方式，油滴粒徑的測試應(yīng)采取多點外部高速相機在線檢測，但應(yīng)確保油滴在水槽試驗段水體中混合較均勻。消油劑水下試驗應(yīng)設(shè)置油滴粒徑和消油劑殘存量為檢測指標(biāo)。油滴粒徑的測試應(yīng)采取多臺高速相機在線檢測，以保證大小粒徑的油滴都能被檢測到。目前還沒有相應(yīng)的消油劑殘存量的檢測方法所依據(jù)，應(yīng)注重該方法的建立。

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