Эффективность дисперсантов для устранения разливов нефти снизилась за четыре дня

Американские ученые разобрались, как меняется со временем эффективность устранения нефтяных разливов с помощью дисперсантов. Оказывается, нефтяная пленка на поверхности воды постепенно становится более вязкой (главным образом под действием солнечного света), поэтому использование дисперсантов эффективно только в первые четыре дня после образования пленки. Результаты исследования опубликованы в журнале Environmental Science & Technology.

Использование дисперсантов — один из самых популярных методов устранения морских нефтяных аварий. Дисперсант представляют собой смесь поверхностно-активных веществ и растворителей. Дисперсанты разбивают нефтяную пленку, превращая ее в агрегаты, которые затем опускаются в толщу воды. Таким образом, использование дисперсантов защищает экосистемы побережья, не давая нефтяной пленке добраться до них, но в то же время повышает нагрузку на глубоководные экосистемы.

Дисперсанты активно применяются для устранения нефтяных аварий — например, их использовали в 2010 году после взрыва нефтяной платформы Deepwater Horizon. Тем не менее, у ученых до сих пор не было полного понимания, насколько эффективен этот метод, особенно если дисперсант распыляют на нефтяное пятно не сразу. Дело в том, что со временем более легкие фракции нефти испаряются, а более тяжелые образуют эмульсию с водой, из-за чего пленка становится более плотной и толстой. Кроме того, под воздействием солнечного света непредельные углеводороды, входящие в состав нефти, вступают в реакцию с кислородом воздуха — из-за этого вязкость нефтяной пленки также увеличивается, и дробить ее на части становится труднее. 

В то же время дисперсанты не только сами по себе создают дополнительную нагрузку на экосистему, но и в некоторых случаях могут замедлять естественную деградацию нефти под действием микроорганизмов. Поэтому необходимо четко понимать, когда их использование оправдано, а когда — нет. Разобраться в вопросе решили американские ученые под руководством Кристофа Эппли (Christoph Aeppli) из Лаборатории Океанологии имени Бигелоу.

Ученые взяли шесть пластиковых емкостей, наполнили морской водой и добавили сырую нефть из расчета полграмма на литр воды. Нефть распределилась по поверхности, образовав пленку толщиной около 200 микрометров. Чтобы имитировать движение воды в океане, через емкости пропускали поток морской воды со скоростью два литра в минуту. 

Три емкости выставили под естественный солнечный свет (средняя суточная освещенность составила 6,6 киловатт-час на квадратный метр), а три других оставили в темноте.

За одиннадцать дней вязкость нефти в емкостях на свету увеличилась до 2,5 × 10⁶ сантипуаз. В то же время вязкость нефти, которая оставалась в темноте, в конце эксперимента была в три тысячи раз ниже — 8,0 × 10² сантипуаз. Похожим образом менялась и толщина пленок — в контейнерах, облученных светом она увеличилась до 350 микрометров уже за первые восемь дней, а в контейнерах, хранившихся в темноте, осталась на начальном уровне.

Эти результаты указывают, что именно облучение нефти солнечным светом — главная причина увеличения вязкости, а испарение играет в этом процессе второстепенную роль. Данные элементного анализа подтверждают эту гипотезу. За одиннадцать дней содержание кислорода в облученных нефтяных пленках повысилось до шести процентов, а карбонильный индекс — до десяти процентов. Кислород-содержащие органические вещества (кислоты, спирты и кетоны) образуют друг с другом водородные связи, из-за чего вязкость нефти увеличивается. В необлученных пленках окисление шло значительно медленнее — содержание кислорода в конце эксперимента составляло менее двух процентов, карбонильный индекс — менее трех процентов.

Ученые экспериментировали с коммерчески доступным дисперсантами Corexit EC9500A и Corexit EC9500B на основе дегидратированного сорбитола с добавками янтарной кислоты. Для оценки эффективности диспергирования использовали стандартный Baffled Flask Test. Круглодонную колбу заполняли морской водой, добавляли исследуемую нефть и дисперсант и помещали в орбитальный шейкер на десять минут. После этого колбу оставляли в покое еще на десять минут, чтобы все недеспергированные капли нефти всплыли на поверхность. Затем из нижней части колбы отбирали пробу, экстрагировали из нее нефть с помощью дихлорметана, и определяли ее количество методом спектрофотометрии.

Для нефти, которую облучали солнечным светом, эффективность дисперсантов снизилась за одиннадцать дней с 83 процентов до всего лишь 3 процентов. В то же время для необлученной нефти, эффективность дисперсантов менялась незначительно — на одиннадцатый день она составляла 80 процентов.

Результаты Эппли и его коллег показывают, что дисперсанты эффективно работают против нефтяных пленок только в первые два-четыре дня после образования пленки. При этом размер временного окна зависит в том числе и от погодных условий в районе аварии. В ясную погоду с длинным световым днем оно может быть меньше, а в пасмурную погоду с коротким световым днем — больше.

Использование дисперсантов — не единственный способ устранения разливов нефти. В 2020 году американские материаловеды разработали материал для сбора нефти на основе обыкновенных полиуретановых губок. Благодаря гидрофобному и липофильному покрытию такие губки эффективно впитывали нефть, а добавка магнитных частиц помогла снизить вязкость собранной нефти, чтобы ее можно было регенерировать.

О других способах борьбы с нефтяными разливами можно почитать в нашем материале «Сжечь, утопить, впитать или съесть».

Наталия Самойлова