2. Основные физико-химические процессы, происходящие с нефтяной пленкой, образовавшейся на поверхности воды при разливе нефти.

При разливе нефти (или нефтепродуктов) в результате аварии на поверхности воды образуется нефтяная пленка, с которой могут происходить различные процессы, представленные на рис.1

Рис.1 Распространения пленки нефти (нефтепродуктов)

1. Испарение

Скорость испарения зависит от скорости ветра, от площади поверхности, парциального давления паров нефтепродуктов в воздухе, от молекулярной массы нефтепродуктов. Например, при начальном объеме нефтяного пятна в 1000 м³, площадью 2*10⁴ м² и при скорости ветра (на высоте 10м), равной 7 м/с, наибольшая часть нефти испаряется в первые 30 минут, при этом скорость испарения составляет ~ 7м³/мин. Далее скорость падает и через 2-2,5 часа процесс практически прекращается. К этому моменту может испариться до 30% начального объема легкой нефти. Если пятно образовано бензином (наиболее легким нефтепродуктом (С₆ - С₁₁), то в первые 10 минут скорость испарения составляет ~60м³/мин, затем падает до 15м³/мин. В течение 35-40 минут практически весь бензин испаряется.

2. Растворимость нефти и нефтепродуктов

Хотя растворимость нефти и нефтепродуктов в воде считается очень низкой, отдельные компоненты заметно растворимы. Так высоколетучие углеводороды растворяются в воде в количестве 40-60 мг/л, а тяжелые - 0,66 мг/л. Самая высокая растворимость у ненасыщенных углеводородов (у бензола - 1750 мг/л).

Ниже приведены примеры значений растворимости ряда нефтепродуктов:

бензины - 28-129 мг/л;

топливо на основе керосиновых фракций - 3-10 мг/л;

дизельное топливо - 17 мг/л;

циклогексан - 60 мг/л;

н-гексан - 138 мг/л;

толуол - 511 мг/л.

Процесс растворения нефти в воде может продолжаться от одной до трех недель.

3. Диспергирование нефти (нефтепродуктов)

Диспергирование в значительной мере определяет наличие нефти в толще воды, следовательно, опасность воздействия нефти на морскую биоту.

Совместно с процессом испарения диспергирование влияет на время существования нефтяного пятна на поверхности воды и границы его распространения в толщу.

Основное сопротивление процессам образования капель нефти в воде оказывает межфазное натяжение (), которое составляет =20-30 мДж/м².

Пример

Пятно нефти площадью 1 м² толщиной 0,1 мм имеет объем . Если это пятно разбивается на капли диаметром d=50 мкм (радиусом r=2,5*10^-5 м), площадь поверхности каждой (s) составляет:

,то общее их число () равно:

, а площадь их поверхности ( ): ,что в 12 раз больше площади контакта пятна с водой.

Величину суммарной площади можно найти без промежуточных вычислений:

Для того, чтобы разбить пятно на капли таких размеров, т.е. увеличить поверхность контакта с водой в 12 раз, требуется . Эта энергия мала по сравнению с энергией ветровых волн, однако ее передача пятну затруднена. Химические дисперганты, введенные в нефтяное пятно, уменьшают значение поверхностного натяжения (примерно в 10 раз и более). Это делает возможным диспергирование нефти в толще воды даже при отсутствии частичного обрушения гребней волн.

Капли могут разбиваться на меньшие до тех пор, пока не достигнут диаметра, при котором энергия, требуемая на разбивание капли, не превысит ту, которая может быть передана капле потоком; принято считать, что этот диаметр примерно равен 50 мкм.

Глубины, на которые могут проникать капли в толщу воды, зависят от характеристики нефти и от потока, в котором она находится. В условиях моря нефть частично обнаруживается на глубине 1 м и редко - на глубинах более 10 м.

Таким образом, часть нефтепродуктов в виде капель попадает в толщу воды. Размеры капель разные, соответственно неодинаковы скорости их всплывания, следовательно, и время нахождения в воде. Под действием ветра и волн нефтяное пятно движется в определенном направлении, а всплывающие капли отстают от основного пятна, образуя «шлейф» с разной толщиной пленки (см. рис.2).

Рис.2 Трансформация нефтяного пятна под действием ветровых волн

 - толщина нефтяного пятна