Особенности ликвидации аварийных разливов нефти на водной поверхности Арктических морей

С первых же секунд контакта нефти и ее продуктов с морской средой развивается сложнейшая картина их превращений, ход, длительность и результаты которых зависят от свойств и состава самой нефти, а также от условий окружающей среды. При этом различают две группы взаимосвязанных процессов:
– процессы переноса нефти на поверхности и в толще воды (растекание, дрейф, седиментация, затопление);
– процессы выветривания, в ходе которых меняются физические и химические свойства нефти (испарение, растворение, диспергирование, эмульгирование, окисление, биодеградация).
Главными особенностями этих процессов являются динамизм (особенно на первых стадиях) и сочетание физических, химических и биологических процессов рассеяния и трансформации компонентов нефти, вплоть до их полного исчезновения как исходных субстратов. Протекание указанных процессов приводит к изменению структуры и свойств слоя разлитых нефтепродуктов. В процессе испарения из пятна разлива улетучиваются легкие составляющие нефти или нефтепродуктов и остаются более тяжелые. В течение первых суток испаряются почти все углеводороды, которые в данных условиях аварийного разлива могут испаритьсяИспарение части нефти приводит к изменению ее свойств в пятне разлива, оказывая влияние на его последующее поведение. Содержание нефти в воде в результате таких природных процессов, как испарение и растворение, изменяется.
Происходит образование эмульсий, часть нефти усваивается живыми организмами и выпадает в осадок. Состав нефти, находящейся в воде, постоянно меняется. Все эти процессы негативно влияют на эффективность проведения операций по ликвидации аварийных разливов нефти (ЛАРН).
Рассмотрим кратко основные процессы переноса и трансформации нефти в морской среде. Растекание – процесс, в котором поведение разлитой на поверхности моря нефти происходит вначале под действием сил тяжести, а затем контролируется ее вязкостью и силами поверхностного натяжения. На водной поверхности нефть способна к обширному растеканию – увеличению площади поверхности за счет положительной плавучести, поверхностного натяжения и турбулентной диффузии. Способность нефти растекаться по поверхности воды проявляется только в начальный период ее нахождения на воде и на распространение по акватории существенного влияния не оказывает. Скорость растекания нефтепродуктов из легких фракций (бензина, керосина) ниже, чем нефтепродуктов, содержащих тяжелые фракции (мазут, масло), так как поверхностное натяжение на границе с водой первых выше, чем у нефтепродуктов, содержащих тяжелые фракции. В частности, 1 т сырой иранской нефти за 10 мин образует пятно диаметром 48 м и толщиной 0,1 мм. При разливе большого количества нефти или тяжелых нефтепродуктов толщина пленки увеличивается. Экспериментальные исследования показали, что при наличии течения или ветра распространение нефти по поверхности моря происходит неравномерно. Как правило, пятно имеет форму овала с соотношением осей от 4:1 до 10:1.
Перенос – изменение положения нефтяного пятна под влиянием ветра и течений. Нефть, как и поверхностная вода, дрейфует со скоростью, составляющей несколько процентов от скорости ветра, что позволяет предсказать ее дрейф. По приблизительным оценкам, скорость перемещения нефтяных пятен составляет 60 % скорости течения и 2 – 4 % от скорости ветра. От места разлива нефть перемещается по поверхности воды в направлении равнодействующей сил ветра и течения.
Направление движения определяет вектор скорости перемещения нефтяного пятна, который определяется соотношением

ν = νт + 0,03 νв, (1)

где νт – вектор скорости течения;
νв – вектор скорости ветра.
При интенсивном поступлении нефти из поврежденного судна образуется нефтяное пятно в виде широкой полосы, толщина которой в средней части больше, чем по краям. При постепенном поступлении нефти из судна нефтяное пятно имеет вид узкой полосы. При сильном ветре пятно разрушается и в слое ветрового перемешивания возникает нефтяная эмульсия.
Испарение – физико-химический процесс, приводящий к массопереносу углеводородов с морской поверхности в атмосферу. Испарение является начальным процессом удаления нефти с поверхности моря. При разливе нефти на поверхности моря сразу же начинается улетучивание в атмосферу наиболее легких нефтяных фракций. Скорость испарения зависит от природы нефти, температуры, ветровой и волновой деятельности, она является функцией давления насыщенного пара каждого компонента нефти, его концентрации, толщины пленки нефти, скорости ветра и температуры. Наиболее интенсивно процесс испарения происходит в течение первых нескольких часов после разлива. Летучие компоненты, составляющие от 20 до 50 % состава сырой нефти, испаряются вначале весьма интенсивно, а затем более медленно в течение всего периода пребывания в воде. В среднем лишь 1 – 3 % (иногда до 15%) сырой нефти растворяется в воде, тогда как испаряется от 10 до 40 % от ее первоначального количества.
При этом сырая нефть может отдавать в атмосферу до 50 % своих компонентов, дизельное топливо – до 75 %, а тяжелые нефтепродукты – менее 10 %. В первые несколько суток после разлива нефти, соответственно, до 75 %, 40 % и 5 % легких, средних и тяжелых фракций нефти переходит в газовую фазу. Легкие сырые виды нефти в течение нескольких суток могут испариться на 66 %, более тяжелые – на 20 – 40 % [5]. Процесс испарения ускоряется при сильном ветре, волнении и при повышенной температуре. Требуется менее 12 ч, чтобы улетучилось 25 % легких фракций нефти. При температуре выше 15 ºС все углеводороды до С15 испаряются в течение десяти суток. Бензин испаряется быстро, полностью исчезая с поверхности воды, а мазут практически не испаряется. Наиболее токсичные ароматические соединения не испаряются. Эмульгирование – процесс образования нефтяных эмульсий в морской среде, приводящий к увеличению вязкости нефти. Образование эмульсий является результатом того, что полярные и асфальтовые соединения ведут себя как поверхностно-активные вещества. В сырой нефти эти соединения находятся в стабилизированной форме за счет естественных ароматических соединений нефти. По мере того как эти растворители истощаются под влиянием атмосферных воздействий, асфальтены начинают выпадать в осадок, уменьшая поверхностное натяжение на поверхности раздела нефть – вода и инициируя процесс эмульгирования.
Диспергирование – перенос нефти с морской поверхности в водную толщу, вызванный образованием эмульсии типа нефть в воде. Диспергирование представляет собой процесс, при котором макроскопические частицы нефти переносятся с морской поверхности в водную толщу воды вследствие разрушения ее волнами. Диспергированная нефть распространяется и диффундирует в толщу воды. Отдельные муссоподобные сгустки высококонцентрированной эмульсии размером до 1 мм могут быть обнаружены на глубине свыше 80 м спустя три недели после аварии танкера. На стабильность диспергирования влияют такие факторы, как размер капель, их плавучесть и турбулентность. Основными источниками энергии диспергирования являются разрушающиеся волны, образующиеся под действием ветра на поверхности моря.
Растворение – физико-химический процесс, в результате которого компоненты нефти с низкой молекулярной массой переходят в водную толщу. Скорость растворения нефти зависит от скорости ветра, температуры воды и силы волнения. Растворению в основном подвержены легкие фракции. В растворенное состояние переходит ~1 – 3 % (иногда до 15 %) сырой нефти. Растворимость углеводородов в воде падает с увеличением их молекулярной массы и солености и возрастает с повышением температуры.
Растворимость низших парафинов в первом приближении пропорциональна упругости их пара. Растворимость достигает заметных значений для неразветвленных предельных углеводородов с числом атомов углерода не более восьми и некоторых жидких углеводородов ароматического ряда. Ароматические нефтеуглероды (НУ) наиболее растворимы и активно переходят в водную среду. После попадания НУ в водную среду она обогащается наиболее растворимыми низкомолекулярными ароматическими и алифатическими НУ. Нафтеновые НУ практически в воде не растворяются. Растворимость алканов уменьшается при 25 °С от 1,3  102 мкг/л для н-С17 до 7,57  10-5мкг/л для н-С35.
Для изомерных пар полиаренов – фенантрен/антрацен; хризен/трифенилен; перилен/бенз(а) пирен – существенным является отношение максимальной длины к максимальной ширине при прямоугольном охвате молекулы, характеризующее ее форму. Растворимость полиаренов уменьшается от фенантрена до бенз(а)пирена на шесть порядков. Поэтому низкомолекулярные ароматические соединения (особенно такие, как бензол, нафталин) могут довольно легко переходить в водную фазу. Содержание растворенных углеводородов в поверхностном слое значительно больше, чем в нижележащих слоях воды. Под пленкой нефти в море содержание растворенных НУ составляет от 0,1 мг/л до 0,3 – 0,4 мг/л. Осаждение и седиментация – процесс осаждения нефти на дно. В тех случаях, когда труднорастворимые остатки нефти по своему удельному весу начинают превышать плотность воды, они тонут. Это происходит тогда, когда нефть теряет легкие фракции и принимает воду. Часто нефть тонет, когда до 10 – 30 % НУ сорбируется на взвеси. Некоторые виды сырой нефти имеют удельный вес, близкий к единице, поэтому для их осаждения достаточно лишь небольшого количества взвешенных частиц. Минеральное вещество, которое может ассоциироваться с этими остатками нефти, увеличивает плотность взвешенных продуктов, в результате они вымываются на берег или оседают на дне моря. Нефть, сорбированная взвесью, быстрее всего погружается в пресной воде, увеличение солености снижает способность нефтепродуктов к осаждению.
Образование донных отложений связано с погружением высококипящих фракций нефти после сорбции их твердыми частицами и взвешенными веществами, содержащимися в воде водоема. Донные отложения нефти отличаются большой стойкостью и особенно опасны для водоемов. Нефть, попавшая на дно, очень медленно подвергается биохимическому окислению из-за низкой температуры воды и слабого проникновения света. Окисление – процесс фотохимического разложения под воздействием ультрафиолетовой части солнечного спектра в водной среде. Окисление нефтяных пленок на поверхности океана растворенным в воде кислородом одновременно с фотоокислением солнечной радиацией имеют свои особенности по отношению к пресным водам, так как морская вода является электролитом (рН – 7,8).
Биоразложение – биохимический процесс, изменяющий или превращающий углеводороды нефти благодаря жизнедеятельности микроорганизмов и (или) поглощающий и удерживающий их внутри микроорганизмов. В настоящее время выявлено свыше 100 разновидностей микроорганизмов, представляющих около 700 родов бактерий, грибков, дрожжей, разлагающих один или несколько отдельных углеводородов. При благоприятных условиях нефтеокисляющие микроорганизмы разрушают практически все углеводороды от метана до самых тяжелых. Все рассмотренные ранее процессы, оказывающие влияние на специфику проведения операций по ЛАРН, приведены в следующей таблице 3.

Таблица 3 - Процессы, оказывающие влияние на специфику проведения операций по ЛАРН
Название процесса Суть процесса Влияние на ход операции по ЛАРН
Растекание Способствует увеличению площа- ди нефтяного пятна и уменьше- нию толщины нефтяной пленки Увеличивает зону реагирования, вызывает необходимость привлечения большего количества личного состава, средств локализации, увеличивает время проведения операции, сни- жает эффективность работы нефтесборщиков
Перенос Постоянно изменяет положение нефтяного пятна, возможен вынос его на берег Необходимость постоянного отслеживания местонахождения нефтяного пятна
Испарение Приводит к потере массы разли- той нефти, особенно к уменьше- нию массы легких фракций и из- менению исходных свойств нефти При выборе средств ЛАРН необходимо учитывать постоянно меняющиеся свойства нефти. Увеличивает вероятность воз- никновения пожара и отравления личного состава
Диспергирование При разливе нефти в открытом море оказывает положительное влияние, так как при этом умень- шается количество нефти на по- верхности моря Осложняет процесс по ЛАРН и увеличивает время в случае разлива во внутренних водоемах, в прибрежных зонах и мес- тах с глубинами менее 150 м, так как в этом случае наносит серьезный ущерб флоре и фауне, а также служит источником вторичного загрязнения
Эмульгирование Значительно увеличивает объем нефтезагрязнения, изменяет плот- ность и температуру вспышки нефти Необходимо учитывать при расчете средств сбора нефти,
а также количества емкостей временного хранения собран- ной нефти
Осаждение Приводит к накоплению на дне водоема тяжелых фракций нефти, которые служат источником вто- ричного загрязнения, оказывая негативное влияние на флору и фауну водоема Удалять сложно, а часто невозможно
Окисление Незначительно влияет на свойства и поведение разлитой нефти значительно
Растворение Приводит к токсическому зараже- нию воды Усложняет операции по ЛАРН, так как имеет значительные экологические последствия
Биоразложение Медленный процесс, который может использоваться в качестве метода доочистки водоемов от нефти Оказывает незначительное влияние на ЛАРН

3.3 Разливы нефти в ледовых условиях. Анализ и характеристики возможных разливов нефти в северных морях. Процессы, происходящие с нефтью при низких температурах и льдах

Арктические условия характеризуются рядом особенностей, которые необходимо учитывать при выработке подходов к ликвидации разливов нефти. Главными и очевидными среди них являются наличие постоянного или присутствующего продолжительное время обширного ледяного покрова, низкие, в том числе отрицательные, температуры воздуха и низкие температуры воды, продолжительные периоды полярных ночей, удаленность от береговой инфраструктуры. Эти факторы затрудняют развертывание и эксплуатацию надводных технических средств в арктических условиях или препятствуют им.
Вместе с тем низкие температуры и ледяной покров затрудняют распространение нефти. В условиях низких температур разлитая в морской воде нефть имеет увеличенную вязкость, вследствие чего может быть существенно ограничена ее возможность растекаться подо льдом.
Некоторые виды нефти очень быстро абсорбируют воду в количестве, превышающем 50 % своего объема, и формируют так называемый