Oljedispergeringsmidler - Oil dispersants

Et oljedispergeringsmiddel er en blanding av emulgatorer og løsemidler som hjelper til med å bryte olje i små dråper etter et oljesøl . Små dråper er lettere å spre seg gjennom et vannvolum, og små dråper kan lettere nedbrytes av mikrober i vannet. Dispergeringsbruk innebærer en avveining mellom å utsette kystliv for overflateolje og utsette akvatisk liv for spredt olje. Mens nedsenking av oljen med dispergeringsmiddel kan redusere eksponeringen for marint liv på overflaten, øker eksponeringen for dyr som bor under vann, som kan bli skadet av toksisitet for både spredt olje og dispergeringsmiddel. Selv om dispergeringsmiddel reduserer mengden olje som lander på land, kan det muliggjøre raskere og dypere inntrengning av olje i kystterreng, der det ikke lett biologisk nedbrytes.

Historie

Torrey Canyon

I 1967 lekket supertankeren Torrey Canyon olje til den engelske kystlinjen. Alkylfenol- overflateaktive stoffer ble primært brukt til å bryte opp oljen, men viste seg å være meget giftige i det marine miljøet. alle typer marine liv ble drept. Dette førte til en omformulering av dispergeringsmidler for å være mer miljøfølsom. Etter Torrey Canyon- utslippet ble det utviklet nye båtsprayingsystemer. Senere omformuleringer tillot aerosolisering av mer dispergeringsmiddel (i en høyere konsentrasjon) .

Exxon Valdez

Alaska hadde færre enn 4000 liter dispergeringsmidler tilgjengelig på tidspunktet for oljeutslippet i Exxon Valdez , og ingen fly å dispensere dem med. Dispergeringsmidlene som ble introdusert var relativt ineffektive på grunn av utilstrekkelig bølgevirkning for å blande olje og vann, og bruken av dem ble kort tid forlatt.

En rapport av David Kirby for TakePart fant at hovedkomponenten i Corexit 9527- formuleringen som ble brukt under Exxon Valdez-opprydding, 2-butoksyetanol , ble identifisert som "et av midlene som forårsaket lever-, nyre-, lunge-, nervesystem- og blodproblemer blant oppryddingsmannskaper i Alaska etter Exxon Valdez- utslippet i 1989. "

Tidlig bruk (i volum)

Dispergeringsmidler ble påført en rekke oljesøl mellom årene 1967 og 1989.

År	Søle	Land	Oljevolum (L)	Dispergeringsvolum (L)
1967	Torrey Canyon	England	119.000.000	10.000.000
1968	Ocean Eagle	Puerto Rico	12.000.000	6000
1969	Santa barbara	USA	1.000.000	3200
1970	Pil	Canada	5.000.000	1200
1970	Pacific Glory	England	6.300.000
1975	Showa Maru	Singapore	15.000.000	500.000
1975	Jakob Maersk	Portugal	88.000.000	110.000
1976	Urquiola	Spania	100.000.000	2.400.000
1978	Amoco Cadiz	Frankrike	200.000.000	2500 000
1978	Eleni V.	England	7.500.000	900.000
1978	Christos Bitas	England	3.000.000	280.000
1979	Betelgeuse	Irland	10.000.000	35.000
1979	Ixtoc I	Mexico	500.000.000	5.000.000
1983	Sivand	England	6.000.000	110.000
1984	SS Puerto Ricansk	USA		7.570
1989	Exxon Valdez	USA	50.000.000	8.000

Deepwater Horizon

Under Deepwater Horizon oljesøl ble anslagsvis 1,84 millioner liter Corexit brukt i et forsøk på å redusere mengden overflateolje og redusere skaden på kystnære habitater. BP kjøpte en tredjedel av verdens forsyning av Corexit kort tid etter at utslippet startet. Nesten halvparten (771.000 liter) av dispergeringsmidlene ble påført direkte på brønnhodet. Det primære dispergeringsmidlet som ble brukt var Corexit 9527 og 9500 , som var kontroversielle på grunn av toksisitet .

I 2012 fant en studie at Corexit gjorde oljen opptil 52 ganger mer giftig enn olje alene, og at dispergeringsmiddelets emulgerende effekt gjør oljedråper mer biotilgjengelige for plankton . Den Georgia Institute of Technology fant at "Mixing olje med dispergeringsmiddel økt toksisitet på økosystemer " og gjort gulf oljeutslipp verre.

I 2013, som svar på den voksende mengden av laboratorieavledede toksisitetsdata, adresserer noen forskere undersøkelsen som skal brukes når de vurderer laboratorietestresultater som er ekstrapolert ved hjelp av prosedyrer som ikke er helt pålitelige for miljøvurderinger. Siden da har det blitt publisert veiledning som forbedrer sammenlignbarheten og relevansen av oljetoksisitetstester.

Rena oljesøl

Maritime New Zealand brukte oljedispergeringsmidlet Corexit 9500 for å hjelpe til med oppryddingsprosessen. Dispergeringsmidlet ble påført i bare en uke, etter at resultatene viste seg å være usikker.

Teori

Oversikt

Surfaktanter reduserer spenningen mellom olje og vann , noe som hjelper bølger å bryte olje i små dråper. En blanding av olje og vann er normalt ustabil, men kan stabiliseres med tilsetning av overflateaktive stoffer; disse overflateaktive stoffene kan forhindre sammenfall av spredte oljedråper. Effektiviteten til dispergeringsmidlet avhenger av forvitringen av oljen, sjøenergi (bølger), saltinnholdet i vannet, temperaturen og typen olje. Det vil neppe oppstå spredning hvis oljen sprer seg i et tynt lag, fordi dispergeringsmidlet krever en spesiell tykkelse for å virke; ellers vil dispergeringsmidlet samhandle med både vannet og oljen. Mer dispergeringsmiddel kan være nødvendig hvis sjøenergien er lav. Vannets saltholdighet er viktigere for dispergeringsmidler med ionisk overflateaktivt middel, ettersom salt skjermer elektrostatiske interaksjoner mellom molekyler. Den viskositeten av oljen er en annen viktig faktor; viskositet kan forsinke migrering av dispergeringsmiddel til olje-vann-grensesnittet og også øke energien som kreves for å skjære en dråpe fra glatt. Viskositeter under 2000 centi poise er optimale for dispergeringsmidler. Hvis viskositeten er over 10 000 centipoise, er ingen dispersjon mulig.

Krav

Det er fem krav til overflateaktive stoffer for å kunne spre olje:

• Dispergeringsmiddel må være på oljens overflate i riktig konsentrasjon
• Dispergeringsmiddel må trenge gjennom (blande med) oljen
• Overflateaktive molekyler må orientere seg ved olje-vann-grensesnittet (hydrofob i olje og hydrofil i vann)
• Grensespenningen mellom olje og vann må senkes (slik at oljen kan brytes opp).
• Energi må tilføres blandingen (for eksempel av bølger)

Effektivitet

Effektiviteten til et dispergeringsmiddel kan analyseres med følgende ligninger. Området refererer til området under absorbansen / bølgelengdekurven, som bestemmes ved hjelp av den trapesformede regelen. Absorbansene måles ved 340, 370 og 400 nm.

Areal = 30 (Abs ₃₄₀ + Abs ₃₇₀ ) / 2 + 30 (Abs ₃₄₀ + Abs ₄₀₀ ) / 2 (1)

Dispergeringseffektiviteten kan deretter beregnes ved hjelp av ligningen nedenfor.

Effektivitet (%) = Total olje dispergert x 100 / (ρ _olje V _olje )

• ρ _olje = tetthet av testoljen (g / l)
• V _olje = volum olje tilsatt i testkolben (L)
• Total spredt olje = masse olje x 120 ml / 30 ml
• Masse av olje = konsentrasjonsolje x V _DCM
• V _DCM = sluttvolum av DCM-ekstrakt av vannprøve (0,020 L)
• Konsentrasjon av olje = areal bestemt ved ligning (1) / skråning av kalibreringskurven

Dispersjonsmodeller

Det er nødvendig å utvikle velkonstruerte modeller (som tar hensyn til variabler som oljetype, saltinnhold og overflateaktivt middel) for å velge riktig dispergeringsmiddel i en gitt situasjon. Det finnes to modeller som integrerer bruken av dispergeringsmidler: Mackays modell og Johansens modell. Det er flere parametere som må tas i betraktning når du lager en dispersjonsmodell, inkludert oljeglatt tykkelse, fremføring , overflatebehandling og bølgehandling. Et generelt problem i modellering av dispergeringsmidler er at de endrer flere av disse parametrene; overflateaktive stoffer senker tykkelsen på filmen, øker diffusjonsmengden i vannsøylen og øker mengden brudd forårsaket av bølgefunksjon. Dette fører til at oljefleiens oppførsel blir mer dominert av vertikal diffusjon enn horisontal fremføring.

En ligning for modellering av oljesøl er:

${\ displaystyle {\ frac {\ partial h} {\ partial t}} + {\ vec {\ nabla}} \ left (h \ left ({\ vec {U}} + {\ frac {\ vec {\ tau }} {f}} \ right) \ right) - {\ vec {\ nabla}} (E {\ vec {\ nabla}} h) = R}$

hvor

• h er den oljeglatte tykkelsen
• ${\ displaystyle {\ vec {U}}}$ er hastigheten på havstrømmene i blandingslaget i vannsøylen (der olje og vann blandes sammen)
• ${\ displaystyle {\ vec {\ tau}}}$ er den vinddrevne skjærspenningen
• f er friksjonskoeffisienten olje-vann
• E er den relative forskjellen i tetthet mellom olje og vann
• R er hastigheten på spredning

Mackays modell forutsier en økende spredningshastighet, ettersom glatt blir tynnere i en dimensjon. Modellen forutsier at tynne fliser vil spre seg raskere enn tykke fliser av flere grunner. Tynne slikker er mindre effektive for å dempe bølger og andre uklarheter. I tillegg forventes dråper dannet ved dispersjon å være mindre i en tynn glatt og dermed lettere å spre seg i vann. Modellen inkluderer også:

• Et uttrykk for diameteren på oljedråpen
• Temperaturavhengighet av oljebevegelse
• Et uttrykk for overflatebehandling av olje
• Kalibreringer basert på data fra eksperimentelt søl

Modellen mangler på flere områder: den tar ikke hensyn til fordampning, havbunnens topografi eller geografi i utslippssonen.

Johansens modell er mer kompleks enn Mackays modell. Det anser partikler for å være i en av tre tilstander: på overflaten, innblandet i vannsøylen eller fordampet. Den empirisk baserte modellen bruker sannsynlighetsvariabler for å bestemme hvor dispergeringsmidlet vil bevege seg og hvor det vil gå etter at det har brutt opp oljeflekker. Driften av hver partikkel bestemmes av tilstanden til den partikkelen; dette betyr at en partikkel i damptilstand vil bevege seg mye lenger enn en partikkel på havets overflate (eller under overflaten). Denne modellen forbedrer Mackays modell på flere viktige områder, inkludert vilkår for:

• Sannsynlighet for medriving - avhenger av vind
• Sannsynlighet for overflatebehandling - avhenger av tetthet, dråpestørrelse, nedsenket tid og vind
• Sannsynlighet for fordampning - matchet med empiriske data

Oljedispergeringsmidler er modellert av Johansen ved hjelp av et annet sett med innflytelses- og overflateparametere for behandlet versus ubehandlet olje. Dette gjør at områder av oljeglasset kan modelleres annerledes, for å bedre forstå hvordan olje sprer seg langs vannoverflaten.

Surfaktanter

Surfaktanter er klassifisert i fire hovedtyper, hver med forskjellige egenskaper og anvendelser: anioniske , kationiske, ikke-ioniske og zwitterioniske (eller amfotere). Anioniske overflateaktive stoffer er forbindelser som inneholder en anionisk polar gruppe. Eksempler på anioniske overflateaktive midler inkluderer natriumdodecylsulfat og dioktylnatriumsulfosuccinat . Inkludert i denne klassen av overflateaktive stoffer er natriumalkylkarboksylater (såper). Kationiske overflateaktive stoffer er av samme art som anioniske overflateaktive midler, bortsett fra at overflateaktive molekyler bærer en positiv ladning ved den hydrofile delen. Mange av disse forbindelsene er kvaternære ammoniumsalter , så vel som cetrimoniumbromid (CTAB). Ikke-ioniske overflateaktive stoffer er ikke-ladede og utgjør sammen med anioniske overflateaktive stoffer flertallet av oljedispergerende formuleringer. Den hydrofile delen av det overflateaktive middel inneholder polære funksjonelle grupper , slik som -OH eller -NH. Zwitterioniske overflateaktive stoffer er de dyreste og brukes til spesifikke applikasjoner. Disse forbindelsene har både positivt og negativt ladede komponenter. Et eksempel på en zwitterionisk forbindelse er fosfatidylkolin , som som lipid stort sett er uoppløselig i vann.

HLB-verdier

Surfaktant atferd er sterkt avhengig av den hydrofile-lipofile balansen (HLB) -verdien. HLB er en kodende skala fra 0 til 20 for ikke- ioniske overflateaktive stoffer, og tar hensyn til den kjemiske strukturen til det overflateaktive molekylet. En nullverdi tilsvarer den mest lipofile og en verdi på 20 er den mest hydrofile for et ikke-ionisk overflateaktivt middel. Generelt vil forbindelser med en HLB mellom en og fire ikke blande seg med vann. Forbindelser med en HLB-verdi over 13 vil danne en klar løsning i vann. Oljedispergeringsmidler har vanligvis HLB-verdier fra 8–18.

HLB-verdier for forskjellige overflateaktive stoffer

Surfaktant	Struktur	Gj.sn. mol. Vekt	HLB
Arkopal N-300	C 9 H 19 C 6 H 4 O (CH 2 CH 2 O) 30 H	1.550	17.0
Brij 30	polyoksyetylenert rettkjedelig alkohol	362	9.7
Brij 35	C 12 H 25 O (CH 2 CH 2 O) 23 H	1200	17.0
Brij 56	C 16 H 33 O (CH 2 CH 2 O) 10 H	682	12.9
Brij 58	C 16 H 33 O (CH 2 CH 2 O) 20 H	1122	15.7
EGE Coco	etylglukosid	415	10.6
EGE-nr. 10	etylglukosid	362	12.5
Genapol X-150	C 13 H 27 O (CH 2 CH 2 O) 15 H	860	15.0
Tergitol NP-10	nonylfenoletoksylat	682	13.6
Marlipal 013/90	C 13 H 27 O (CH 2 CH 2 O) 9 H	596	13.3
Pluronic PE6400	HO (CH 2 CH 2 O) x (C 2 H 4 CH 2 O) 30 (CH 2 CH 2 O) 28-X H	3000	NA
Sapogenat T-300	(C 4 H 9 ) 3- C 6 H 2 O (CH 2 CH 2 O) 30 H	1600	17.0
T-Maz 60K	etoksylert sorbitanmonostearat	1310	14.9
T-Maz 20	etoksylert sorbitanmonolaurat	1226	16.7
Triton X-45	C 8 H 17 C 6 H 4 O (CH 2 CH 2 O) 5 H	427	10.4
Triton X-100	C 8 H 17 C 6 H 4 (OC 2 H 4 ) 10 OH	625	13.6
Triton X-102	C 8 H 17 C 6 H 4 O (CH 2 CH 2 O) 12 H	756	14.6
Triton X-114	C 8 H 17 C 6 H 4 O (CH 2 CH 2 O) 7,5 H	537	12.4
Triton X-165	C 8 H 17 C 6 H 4 O (CH 2 CH 2 O) 16 H	911	15.8
Mellom 80	C 18 H 37- C 6 H 9 O 5 - (OC 2 H 4 ) 20 OH	1309	13.4

Sammenlignende industrielle formuleringer

To formuleringer av forskjellige dispergeringsmidler for oljesøl, Dispersit og Omni-Clean, er vist nedenfor. En nøkkelforskjell mellom de to er at Omni-Clean bruker ioniske overflateaktive stoffer og Dispersit bruker helt ikke-ioniske overflateaktive stoffer. Omni-Clean ble formulert for liten eller ingen toksisitet mot miljøet. Dispersit ble imidlertid designet som en konkurrent med Corexit. Dispersit inneholder ikke-ioniske overflateaktive stoffer, som tillater både primært oljeoppløselige og primært vannløselige overflateaktive stoffer. Oppdelingen av overflateaktive stoffer mellom fasene muliggjør effektiv spredning.

Omni-Clean OSD				Dispersit
Kategori	Ingrediens		Funksjon	Kategori	Ingrediens		Funksjon
Surfaktant		Sodium lauryl sulfate	Ladet ionisk overflateaktivt middel og fortykningsmiddel	Emulgeringsmiddel		Oljesyre sorbitan monoester	Emulgeringsmiddel
Surfaktant		Cocamidopropyl betain	Emulgeringsmiddel	Surfaktant		Kokosolje monoetanolamid	Løser opp olje og vann i hverandre
Surfaktant		Etoksylert nonylfenol	Petroleumsemulgator og fuktemiddel	Surfaktant		Poly (etylenglykol) monooleat	Oljeoppløselig overflateaktivt middel
Dispergering		Laurinsyre dietanolamid	Ikke-ionisk viskositetsforsterker og emulgator	Surfaktant		Polyetoksylert talgamin	Oljeoppløselig overflateaktivt middel
Vaskemiddel		Dietanolamin	Vannløselig vaskemiddel for kutting av olje	Surfaktant		Polyetoksylert lineær sekundæralkohol	Oljeoppløselig overflateaktivt middel
Emulgator		Propylenglykol	Løsemiddel for oljer, fuktemiddel, emulgator	Løsemiddel		Dipropylenglykolmetyleter	Forbedrer løseligheten av overflateaktive stoffer i vann og olje.
Løsemiddel	H 2 O	Vann	Reduserer viskositet	Løsemiddel	H 2 O	Vann	Reduserer viskositet

Nedbrytning og toksisitet

Bekymringer angående utholdenhet i miljøet og toksisitet for forskjellige flora og fauna av oljedispergeringsmidler dateres tilbake til deres tidlige bruk på 1960- og 1970-tallet. Både nedbrytningen og toksisiteten til dispergeringsmidler avhenger av kjemikaliene som er valgt i formuleringen. Forbindelser som samhandler for hardt med oljedispergeringsmidler, bør testes for å sikre at de oppfyller tre kriterier:

• De skal være biologisk nedbrytbare.
• I nærvær av olje, må de ikke fortrinnsvis brukes som karbonkilde.
• De må ikke være giftige for urfolks bakterier.

Metoder for bruk

Dispergeringsmidler kan leveres i aerosolisert form av et fly eller en båt. Tilstrekkelig dispergeringsmiddel med dråper i riktig størrelse er nødvendig; dette kan oppnås med en passende pumpehastighet. Dråper større enn 1000 µm foretrekkes for å sikre at de ikke blåses bort av vinden. Forholdet mellom dispergeringsmiddel og olje er typisk 1:20.

Se også

• Nokomis 3

Referanser

Videre lesning

• National Academies of Sciences, Engineering, and Medicine (2019). Bruk av dispergeringsmidler i marint oljevern . Washington, DC: The National Academies Press. doi : 10.17226 / 25161 . ISBN   978-0-309-47818-2 . CS1 maint: flere navn: forfatterliste ( lenke )