к / 3.1

3.1.1 Углеводороды как загрязнитель природной среды

В нефти установлено более 450 индивидуальных соединений, основными из которых являются углеводороды, составляющие 90 – 95 % массы нефти. Число углеродных атомов в молекулах колеблется от 1 до 60. Элементный состав нефти характеризуется следующими данными: углерод – 8485 %; водород – 1214 %; кислород – 0,10,3 %; азот – 0,021,7 %; сера – 0,015,5 %. Важными характеристиками углеводородного сырья является содержание серы, температура застывания масляной фракции и содержание парафинов. По этим признакам выделяют нефти:

• малосернистые (до 0,5 об. % серы), сернистые (0,512,0 об. % серы) и высокосернистые (более 2,0 об. % серы);

• застывающие при температуре – 16 С и ниже; при – 15 С- +20 С; выше 20 С;

• малопарафинистые (не более 1.5 об. % парафиновых углеводородов), парафинистые (1, 51 – 6 об. % парафиновых углеводородов) и высокопарафинистые (более 6 об. % парафиновых углеводородов) (Хаустов А. П., Редина М. М. Охрана окружающей среды при добычи нефти. 2006).

В состав нефти входят следующие группы углеводородов:

Алканы или парафины (15-55% масс. в нефти). В парафинистых нефтях содержание алканов достигает 60%; в нефтях малопарафинястых их содержание может упасть до 1 – 2%. Алканы подразделяются на n-алканы и изоалканы, общая формула C_nH_2n+2.

Температура плавления n – алканов повышается с увеличением числа углеродных атомов в молекуле. При переходе от углеводорода с нечетным числом атомов углерода к углеводороду с четным числом атомов увеличение температур плавления больше, чем при переходе от четного числа атомов углерода к нечетному.

Температуры плавления изоалканов зависят от их строения. Изоалканы несимметричного строения имеют меньшую температуру плавления, чем соответствующие n – алканы.

Низшие нефтяные углеводороды до бутана – газообразные, входят в состав природного газа и растворены в нефти. Газообразные алканы составляют основную часть природных и попутных газов, газов газоконденсатных месторождений, а также газов переработки нефти.

Углеводороды состава C₅ – C₁₀ – жидкости с характерным «бензиновым» запахом. Высшие углеводороды – твердые вещества, кипящие выше 300.

Содержание твердых метановых углеводородов (парафинов) в нефти – важная характеристика при изучении нефтяных разливов на почвах. Твердые парафины не токсичны для живых организмов, но в условиях земной поверхности они переходят в твердое состояние, лишая нефть подвижности вследствие высоких температур застывания (+18C и выше) и растворимости в нефти (при +40C). Твердые парафины тяжело разрушается, с трудом окисляется на воздухе, препятствуя свободному влагообмену и дыханию, «запечатывая» поры почвенного покрова, что приводит к деградации биоценоза.

Циклоалканы (30-55% масс.) – нафтеновые углеводороды; входят в состав углеводородного сырья, присутствуют во всех нефтяных фракциях. В наибольших количествах присутствуют метилциклогексан, циклогексан, метилциклопентан.

Циклические углеводороды с насыщенными связями окисляются трудно, а их биодеградация затрудняется из-за их малой растворимости. Биодеградация полярных циклоалканов происходит легче, т.к. многие штаммы микроорганизмов растут на углеводородах с функциональными группами.

Ароматические углеводороды (арены) (5-55% масс.) – непредельные циклические соединения ряда бензола. Ароматические углеводороды обладают повышенной устойчивостью структуры и более инертны к химическому окислению, чем алканы; хорошо растворимы в воде. Это наиболее токсичные компоненты углеводородного сырья: при концентрации 1% в воде они убивают все водные низшие растения. При содержании 38% ароматических углеводородов угнетается рост высших растений.

В зависимости от распределения ароматических углеводородов по фракциям нефти можно подразделить на три группы:

1. Нефти, ароматические углеводороды которых концентрируются в высших фракциях. Это тяжелые смолистые нефти с плотностью >0.9 г/см³;

2. Нефти, ароматические углеводороды которых концентрируются в средних фракциях. Плотность таких нефтей 0,85 – 0,9 г/см³; нефти этих двух классов относятся к нафтеновым и нафтено-ароматическим;

3. Нефти, ароматические углеводороды которых сконцентрированы в легких фракциях. Это парафинистые нефти.

Асфальтены и смолы (2-15%) – гетероциклические и алифатические соединения, высокомолекулярные неуглеводородные компоненты нефти. Они играют важную роль, определяя её физические свойства и химическую активность. Смолы – вязкие, мазеподобные вещества; асфальтены – твердые вещества, нерастворимы в низкомолекулярных углеводородах. На воздухе происходит загустение смолистой нефти, она теряет подвижность. В случае если нефть просачивается сверху, её смолисто-асфальтеновые компоненты сорбируются в верхнем, гумусовом горизонте, прочно цементируя его. В результате уменьшается поровое пространство почв. Смолисто-асфальтеновые компоненты гидрофобны, обволакивая корни растений, они ухудшают поступление влаги к ним.

К нефтепродуктам относятся углеводородные фракции, получаемые из нефтей. Понятие «нефтепродукты» трактуется в двух значениях – техническом и аналитическом. В техническом значении - это сырая нефть, прошедшая первичную подготовку на промысле, и продукты переработки нефти, использующиеся в различных видах хозяйственной деятельности. В аналитическом понимании нефтепродукты – это неполярные и малополярные соединения, растворимые в гексане. К ним относятся все растворители, смазочные масла и топливо.

Легкая фракция нефти включает низкомолекулярные метановые, нафтеновые и ароматические углеводороды. Метановые углеводороды легкой фракции, присутствующие в загрязненных почвах, водной и воздушной средах, оказывают наркотическое и токсическое воздействие на живые организмы.

Легкая фракция способна оказывать сильное токсическое действие на микробные сообщества и почвенных животных. Она перемещается по почвенному профилю и водоносному горизонту, увеличивая ореол первоначального загрязнения.

С уменьшением содержания легкой фракции токсичность нефти снижается, но возрастает токсичность ароматических соединений. Легкая фракция нефти разлагается и улетучивается на поверхности почвы или смывается водными потоками. Испарением из почвы удаляется 20 – 40% легкой фракции.

Углеводородное загрязнение природной среды является наиболее опасным по сравнению с прочими химическими загрязнениями, что связано с высокой токсичностью и миграционной способностью отдельных компонентов нефти. Углеводородное загрязнение может происходить как с поверхности земли, так и в результате межпластовых перетоков. Наиболее интенсивное и опасное загрязнение происходит за счет разливов нефти из нефтепроводов.

34