CC BY
27УДК 551.345:53:624
Влияние загрязнения нефтепродуктами на количество незамерзшей воды
и фильтрационные свойства грунтов
О.Н. Кравцова, А.В. Малышев, Е.Г. Старостин, А.В. Степанов, А.М. Тимофеев
Представлены результаты экспериментальных исследований фазового состава воды в загрязненных нефтепродуктами грунтах при отрицательных температурах. Полученные результаты сопоставляются с данными измерений теплопроводности и коэффициента фильтрации воды через загрязненный грунт.
Results of experimental researches of water phase content at subzero temperatures in polluted by oil soils are submitted The received results are compared to data of measurements of heat conductivity and coefficient of water filtration through the polluted soil.
Введение
Загрязнение окружающей среды при авариях на месторождениях, утечках нефтепродуктов при их транспортировке и хранении представляет собой серьезную экологическую проблему для северных регионов. Загрязнение нефтепродуктами отличается не только пагубным воздействием на всю живую природу, но и характеризуется очень большими затратами на его устранение [1 - 3]. Усиление техногенного давления на окружающую среду предопределяет необходимость проведения целого комплекса научных исследований, направленных на обеспечение устойчивого и безопасного функционирования природных и природнотехнических систем. Исследование процессов, происходящих в дисперсных средах, коими являются и горные породы, при наличии нефтепродуктов является актуальной в плане совершенствования и разработки мероприятий по профилактике, ликвидации, оценке негативных последствий загрязнения нефтепродуктами.
При техногенном загрязнении грунтов нефтепродуктами происходит значительное изменение тепломассопереносных свойств [4 - 6]. Экспериментальное исследование тепломассообменных свойств позволит создать базу данных для математического моделирования процессов те-
КРАВЦОВА Ольга Николаевна - с.н.с. ИФТПС СО РАН; МАЛЫШЕВ Алексей Владимирович - н.с. ИФТПС СО РАН; СТАРОСТИН Егор Гаврильевич -к.т.н., зав. лаб. ИФТПС СО РАН; СТЕПАНОВ Анатолий Викторович - д.т.н., зам. директора ИФТПС СО РАН; ТИМОФЕЕВ Анатолий Михайлович - к.т.н., зав. отд. ИФТПС СО РАН.
пломассопереноса в дисперсных средах, загрязненных нефтепродуктами. Хотя в последнее время появилось значительное количество работ, посвященных исследованиям физико-химических свойств загрязненных нефтепродуктами грунтов, но многие вопросы остаются недостаточно изученными.
Нами экспериментально исследовано влияние загрязнения грунтов дизельным топливом на фазовый состав воды в мерзлых песчано-глинистых грунтах. Фазовый состав воды при отрицательных температурах влияет на формирование всех основных свойств грунта, на протекание процессов тепломассообмена в них. Знание закономерностей изменения фазового состава воды в грунтах позволяет прогнозировать их свойства при отрицательных температурах. Зависимости количества незамерзшей воды от различных факторов используются при моделировании тепломассообмена в грунтах.
Экспериментальные исследования показали, что количество незамерзшей воды в исследованных грунтах зависит от последовательности загрязнения и увлажнения. Поэтому подготовка образцов грунта к исследованию проводилась двумя способами.
В первом способе исследуемые образцы грунта нарушенного сложения - супесь (уск=1569 кг/м3), суглинок (Уск=1497 кг/м3) в воздушно-сухом состоянии после определения гранулометрического состава увлажнялись дистиллированной водой до заданных значений влажности и после суточной выдержки в эксикаторах искусственно загрязнялись дизельным топливом. Для образцов супеси задавались значения влажности 5, 10, 15, 20 %, для
суглинка - 10, 20 %. В качестве загрязнителя использовалось дизельное топливо марки Л-0,2-40 с кинематической вязкостью 3,0-6,0 мм2/с при температуре 20 °С, плотностью 859 кг/м3. Загрязнение дизельным топливом задавалось для супеси 5% и 10%, а для суглинка 5%-м отношением массы нефтепродуктов к сухой массе образца.
Во втором способе грунт в сухом состоянии загрязнялся определенным количеством нефтепродукта. После этого увлажнение проводилось аналогично первому способу.
Для исследования температурной зависимости количества незамерзшей воды и теплопроводности использовался метод непрерывного ввода тепла, разработанный в ИФТПС СО РАН [7]. Метод непрерывного ввода тепла, основываясь, так же как и калориметрический метод, на измерениях баланса тепла, имеет ряд преимуществ по сравнению с ним. С его помощью можно получить температурную зависимость теплофизических свойств и количества незамерзшей воды в широком диапазоне температуры.
Экспериментально получены зависимости количества незамерзшей воды от температуры для грунтов различного гранулометрического и минерального состава, загрязненных дизельным топливом (рис. 1 и 2). При этом количество незамерзшей воды в исследованных грунтах зависит от последовательности загрязнения и увлажнения. При загрязнении влажного грунта количество незамерзшей воды практически не зависит от степени загрязнения (рис. 1 и кривые 1, 2, 3 на рис. 2). Количество незамерзшей воды в загрязненных дизельным топливом грунтах при температуре ниже -10 °С около 1,7 % для образца супеси, а для суглинка - 6 %, что приблизительно соответствует количеству незамерзшей воды для грунтов аналогичного гранулометрического состава, не загрязненных нефтепродуктами. Это можно объяснить тем, что нефтепродукты присутствуют в порах в виде эмульсии или отдельных включений, окруженных водой, или могут быть включены в лед. В этом случае нефтепродукты практически не растворяются в воде и не связаны с минеральными частицами.
Проведены исследования температурной зависимости количества незамерзшей воды в грунтах в случае, когда в сухой образец вводится дизельное топливо, потом образец увлажняется (кривые 4 и 5 на рис. 2). В этом случае количество незамерзшей воды уменьшается при увеличении концентрации нефтепродукта. Такое понижение количества незамерзшей воды объясняется тем, что активные центры на поверхности частиц грунта занимаются час-
тицами нефтепродукта, и количество прочносвязанной воды уменьшается. Это подтверждается также результатами исследования фильтрации воды в загрязненном суглинке.
При очистке горных массивов широко применяется гидродинамическое воздействие, суть которого заключается в удалении загрязнения с фильтрующим потоком жидкости. В настоящее время оно является основным методом очистки подземных вод [1]. Одним из наиболее важных с точки зрения, как распространения загрязнения, так и очистки загрязненных грунтов свойств, является коэффициент фильтрации. При техногенном загрязнении грунтов нефтепродуктами происходит миграция углеводородов и их сорбция породой, в результате чего могут измениться фильтрационные свойства грунтов. Миграция нефтепродуктов в грунтах зависит от плотности, вязкости, температуры, растворимости в воде и сорбции в породе,
'л/нв, %
Рис. 1. Зависимость количества незамерзшей воды в образцах суглинка с влажностью 18,6 % при разной концентрации загрязнения г: 1 - г = 0; при загрязнении влажного образца: 2 - г = 10 %
%
Рис. 2. Зависимость количества незамерзшей воды от температуры в образцах супеси с влажностью 21,5 % при разной концентрации загрязнения г\ 1 - г = 0; при загрязнении влажного образца: 2 - г = 5 %; 3 - г = 10%; при загрязнении сухого образца с последующим увлажнением: 4 - г = 5%; 5 - г = 10%
что во многом определяется компонентным составом нефтепродуктов. Нефтепродукты, такие как бензины и дизельные топлива, имеют плотность и вязкость меньше плотности и вязкости воды, что, возможно, будет способствовать более быстрому передвижению их в пористых грунтах по сравнению с водой. Высокая подвижность данных нефтепродуктов в пористой среде особенно опасна при возникновении утечки (пролива) из объектов их транспортирования и хранения, когда они инфильтрируют с водой и мигрируют к горизонтам грунтовых вод. Это приводит к загрязнению природных вод (рек, водохранилищ, прибрежных зон морских акваторий). С другой стороны, такие нефтепродукты как мазут, обладающие высокой вязкостью, при попадании в горные породы могут значительно уменьшить их влагопроводность. А это, в свою очередь может сыграть отрицательную роль при проведении мероприятий по ликвидации последствий загрязнения.
Эксперименты с песком проводились на образцах с плотностью минерального скелета, равной р =1720 кг/м3, который высушивали при температуре 105 °С, после чего подготавливали раздельно образец песка, загрязненного дизельным топливом и мазутом. Концентрация загрязнения составляла 15 %.
Проведены экспериментальные исследования фильтрации воды через песок, загрязненный дизельным топливом и мазутом. Плотность дизельного топлива равна 813 кг/м3, мазута - 860 кг/м3, кинематическая вязкость - 6,0 и 21,4 мм2/с соответственно. На рис. 3 показаны коэффициенты фильтрации воды через незагрязненный песок, песок, загрязненный дизельным топливом и мазутом. Как видно из рисунка, коэффициенты фильтрации воды в случае загрязнения песка мазутом и дизельным топливом оказываются почти на порядок ниже, чем в отсутствии загрязнения. При загрязнении мазутом, вязкость которого выше, уменьшение коэффициента фильтрации более значительное.
Песок загрязнялся нефтепродуктами в сухом состоянии. Поэтому большая часть свободного порового пространства пор вначале занято нефтью. По мере насыщения водой загрязненного песка происходит вытеснение водой той части нефтепродуктов, которая находится в крупных порах песка. Часть нефтепродуктов образует нефтяные пленки вокруг частиц, которые заполняют узкие поры. Эти пленки препятствуют продвижению фильтрационного потока воды и тем самым способствуют уменьшению коэффици-
ента фильтрации воды. Прямо противоположная картина наблюдается в глинистых грунтах.
Ранее нами были проведены эксперименты по определению коэффициента фильтрации воды в загрязненном дизельным топливом суглинке [4]. Плотность образца суглинка в сухом состоянии была равна 1563 кг/м3. В ходе экспериментов сначала определили коэффициент фильтрации дизельного топлива через данную породу. Затем провели эксперименты по исследованию фильтрации воды через загрязненную дизельным топливом породу. При этом коэффициент фильтрации измеряли многократно с целью установления изменения коэффициента фильтрации в ходе уменьшения загрязнения в результате вытеснения дизельного топлива из породы. Для сравнения определили также коэффициент фильтрации воды в незагрязненной породе. Результаты исследования коэффициента фильтрации воды через чистый и загрязненный суглинок представлены на рис. 4. Коэффициент фильтрации воды в чистом суглинке равен 6,7 • 10"4 м/сут. Низкие значения коэффициента фильтрации воды объясняются тем, что в тонкодисперсных породах (суглинки) с большой удельной поверхностью присутствует адсорбированная минеральными частицами связанная вода, которая занимает значительную часть порового пространства. Фильтрация воды происходит главным образом по трещинам и наиболее крупным порам, не полностью занятым водой.
Коэффициент фильтрации воды через загрязненный суглинок в первых экспериментах значительно выше, чем коэффициент фильтрации воды через чистый грунт, и равен 0,13 м/сут. В последующих многократных повторных определениях значения коэффициента фильтрации медленно уменьшаются до значения 0,01 м/сут. Как видно из рисунка, коэффициент фильтрации воды через загрязненный суглинок намного выше коэффициента фильтрации воды через чистый образец грунта.
“С у, м/сут 0,35 □ Песок чистый
(3 Песок, загр. диз.топливом — МПесок, загр. мазутом
0,0С4
ДМ 0,010
Рис. 3. Коэффициент фильтрации воды в чистом и загрязненном песке
К у, м/сут
Рис. 4. Коэффициент фильтрации воды в чистом и загрязненном суглинке
Одной из причин увеличения коэффициента фильтрации воды через загрязненный суглинок может являться уменьшение количества связанной воды в грунтах при загрязнении, что было зафиксировано при исследовании фазового состава воды при отрицательных температурах. Как было указано выше, в тонкодисперсных породах связанная вода занимает значительную часть порового пространства и препятствует фильтрации воды. При загрязнении суглинка происходит активная сорбция нефтепродуктов мелкозернистыми, глинистыми минеральными частицами. В процессе сорбции образуется гидрофобная поверхность, которая плохо смачивается водой. При насыщении водой такой среды часть нефтепродуктов вытесняется ею, а другая их часть остается связанной с глинистыми частицами. В результате этого количество связанной воды в загрязненном суглинке меньше, чем в чистом суглинке. Как следствие этого, коэффициент фильтрации воды при загрязнении суглинка нефтепродуктами увеличивается. Увеличение коэффициента фильтрации в загрязненном суглинке может происходить и по локальным трещинам, возникающим в результате его усадки в процессе загрязнения.
Коэффициент фильтрации воды в загрязненных грунтах зависит от размера трещин, их густоты, раскрытости, закономерности распределения, размера пор, их сообщаемое™ и, как показывают результаты данных исследований,
вида нефтепродукта, его концентрации. Наличие такого большого количества факторов, влияющих на влагопроводность, обуславливает необходимость продолжения экспериментальных исследований коэффициента фильтрации воды при варьировании этих факторов.
Работа выполнена при финансовой поддержке Российского фонда фундаментальных исследований (проект 03-05-96099).
Литература
1. Королев В. А. Очистка грунтов от загрязнений. - М.: МАИК «Наука / Интерпериодика», 2001.-365 с.
2. Ананьева Г.В., Дроздов Д.С., Инстанес А., Чувилин Е.М. Нефтяное загрязнение слоя сезонного оттаивания и верхних горизонтов многолетнемерзлых пород на опытной площадке «мыс Болванский» в устье р. Печора // Криосфера Земли. - 2003. - Т. VII, № 1. - С. 49 - 59.
3. Гречищев С.Е. Вечная мерзлота и загрязнение территорий // Криосфера Земли. - 2003. - Т. VII, № 1.-С. 89-90.
4. Кравцова О.Н., Малышев А.В., Старостин Е.Г., Тимофеев А.М. Экспериментальное исследование фильтрации в дисперсных средах, загрязненных нефтепродуктами // Труды I Евразийского симпозиума по проблемам прочности материалов и машин для регионов холодного климата (г. Якутск, 16-20 июля, 2002 г.). Ч. IV. -Якутск: ЯФ Изд-ва СО РАН, 2002. - С. 98 - 101.
5. Журавлев И.И. Теплофизические свойства загрязненных нефтью и нефтепродуктами мерзлых дисперсных пород: Автореф. дис. ... канд. геол.-мин. наук. - М.: Изд-во МГУ, 2003. - 24 с.
6. Motenko R.G., Ershov E.D., Chuvilin Е.М. et all. Heat and mass transfer in freezing soils contaminated by oil // Permafrost. Proceedings of the Eighth International Conference on the Permafrost. Zurich. Balkema Publishers. - 2003. - Vol. 2. - P. 795 - 799.
7. Степанов A.B., Тимофеев A.M. Теплофизические свойства дисперсных материалов. -Якутск: Изд-во ЯНЦ СО РАН, 1994. - 124 с.
