消油剂在水面和水下使用效果试验方法评述

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(1.中海石油环保服务(天津)有限公司,天津 300452；2.国家海洋局第一海洋研究所,山东青岛 266061)

消油剂处理海上溢油是海上溢油应急处置的重要方式之一，在以往的实践当中，人们已经采用消油剂对水面溢油和水下溢油进行过处置，取得了良好的溢油处置效果。然而，现有的消油剂具有毒性[1-2]，会对海洋环境产生次生危害，所以，在溢油过程中有必要重视合理使用消油剂，在最大程度消除溢油的基础上，使得水体中的剩余消油剂量最少。

为了合理准确地评定消油剂对水面溢油和水下溢油的使用效果，需要好的试验方法来支持，试验方法的选择极为重要。多年以来，国内外相关研究人员在这方面作了大量的工作，取得了显著的成果。就目前来说，水面消油剂使用效果试验方法大体分为两类[3]：一是室内测试法；二是波浪槽试验法。结合项目要求，文中探讨波浪槽试验法。

由于研究时段的局限性，相关的试验方法难于统一，各试验方法同时存在着优点和缺陷，目前尚不能采用某一种独立的试验方法作为项目研究内容。

在参考了国内外相关的试验研究文献的基础上，结合实践经验，对各试验方法进行评述并提出合理的试验方法。

1 试验方法概述

1.1 消油剂水面试验方法

国内学者张秀芝等[4]利用波浪槽(长25 m、宽0.6 m、高1.2 m)进行了波浪槽消油剂水面试验。在调节波长和波周期的波浪条件下，选用一种消油剂和一种原油油样进行试验，设计一定的取样时间间隔将油样取出进行测试指标的测试，测试指标为粘度、水含量和乳化率。乳化率的测试参照了国标乳化率测定法。

赵云英等[5]也利用波浪槽(长15 m、宽1.0 m、工作水深0.5 m)进行了波浪槽消油剂水面试验。在铺设不同厚度油膜条件下，变换波数，选用了一种消油剂和一种原油油样进行了试验。按照20%比例喷洒消油剂，采用自制“抽气式”取样器在不同水层取得油水样品，样品送往实验室测定油含量，最后计算出乳化率。

国外文献上Li Zhengkai等[6]利用波浪槽(长16 m、宽0.6 m、高2 m)进行了波浪槽消油剂水面试验。调节造波机以产生不同波高和波长的非破碎波和破碎波对一种原油油样和消油剂进行了试验。试验设计采用“两因素混合水平完全析因设计”。在不同波浪条件下，用1∶25的剂油比向水面上的原油油样喷洒消油剂，分别在5、30、60、120 min时刻在水槽的1.5和4.0 m处的5、20、40、60和110 cm处采取水样。水样采用二氯甲烷萃取-紫外可见比色分析法测定水样中油的含量，以便计算出乳化率。同时，在水槽的4.5 m处设置一台LISST-100X激光粒度仪测定水体中油滴的粒径。

此后，Li Zhengkai等[7]利用波浪槽(长32 m、宽0.6 m、高2 m，工作水深1.5 m)进行了波浪槽消油剂水面试验。调节不同的波高和波长，分别采用两种原油油样和两种消油剂进行了试验。试验设计应用“三因素三水平正交试验设计”，三因素为消油剂、油样和波浪条件，对这三因素分别设置了2、2和3个水平。在不同波浪条件下，用1∶25的剂油比向水面上的原油油样喷洒消油剂，分别在1、10、30、60 min时刻在水槽的8、16和20 m处的5、75和140 cm处采取水样。水样采用二氯甲烷萃取-紫外可见比色分析法测定水样中油的含量，以便计算出乳化率。同时，在水槽中设置激光粒度仪测定水体中油滴的粒径。

在上述工作的基础上，Li Zhengkai等[8]利用波浪槽，分别在波浪槽的两端开孔，通入一定流量的水流，以模拟浪流耦合条件下的消油剂使用效果。调节不同的波高和波长及水流流速，分别采用两种原油油样和两种消油剂进行试验。在不同波浪及水流条件下，用1∶25的剂油比向水面上的原油油样喷洒消油剂，共进行1 h的试验。分别在2、5、15、30和60 min时刻在水槽的8、16和20 m处的5、75和140 cm处采取水样。水样采用二氯甲烷萃取-紫外可见比色分析法测定水样中油的含量，以便计算出乳化率。在水槽中设置一台LISST-100X激光粒度仪以测定水体中油滴的粒径。

Ken Trudel等[9]利用大型波浪槽(长203 m、宽20 m、深3.3 m)进行了大型波浪槽消油剂水面试验。在每次试验前，调节造波机的造波波长和波高。加入大约75 L的原油。前后几年的时间内，共进行了一种消油剂对15种原油的试验。乳化率的测定采用取浮油的方法进行，即试验过后，仔细捞取水面上及池壁上的油，称重，然后再根据油样的初始加入量来计算最后的水体中的油量，由此计算出乳化率。

Alun Lewis等[10]利用大型波浪槽(长203 m、宽20 m、深3.3 m)进行了消油剂水面试验。不过，他们不是进行造波试验，而是在平静水面下进行的试验。具体做法是将40和100 L原油油样与消油剂混合，然后放到一个直径5 m圆形的一定孔径的网上，再放到水槽的水面上。每次都经过6 d的浸泡试验。定期取油样然后回实验室用摇瓶法测试乳化率。试验期间用相机拍照以进行油的视觉评估。同时，在水深1.5 m处设置一台LISST-100X激光粒度仪测定水体中油滴的粒径。

Don Aurand等[11]利用波浪槽(长10 m、宽1.2 m、深1.2 m)进行了消油剂水面试验。用造波机造波，试验区用空气围油栏阻挡油膜的漂移及沾壁，分别进行了一种原油和9种消油剂的试验。试验中采用不同的剂油比，混合20 min。试验结束后，采集水面浮油，经空气干燥后，称得浮油的质量。以初始放入的油的质量为基准，计算出乳化率。

1.2 消油剂水下试验方法

相对于消油剂水面试验来说，消油剂水下试验方面的文献极少，所能查到的公开发表的只有Per Johan Brandvik等人所发表的文献[12]。

Per Johan Brandvik等的试验装置是一个直径3 m、高6 m的圆柱形试验水槽。水槽底部设有注油嘴和消油剂喷嘴。油样最大流速1.5 L/min。油温用热交换器控制在10～95 ℃。试验时，消油剂分别从输油管道和喷嘴上部注射。以油滴粒径作为测试指标。在水槽2 m处设置3种不同的在线仪器用来检测油滴的粒径：LISST-100X激光粒度仪；原位显微高速相机；在线PVM(粒子视觉显微镜)。应用这3台仪器同时测定油滴的粒径。他们用该套装置采用一种原油和一种消油剂进行了试验研究。

2 试验方法及试验方法建立的原则

2.1 试验装置

前述的消油剂水面试验装置大都是采用波浪槽造波形式，在外观形式上与实际海洋中的波浪相似，其最终的试验结果也将与实际海洋中的实际结果相同或相似，是目前消油剂水面试验所应采纳的模拟形式。消油剂水下试验从全球来讲属于刚刚开始，其试验装置形式单一，更多的有实用价值的试验装置只能在不断实践的基础上逐步完善。

虽然上述各消油剂水面试验的试验装置形式基本相同，但其规模有大有小，并且水槽的长、宽和高的比例不一致，难以参照。

人们进行实验室模拟试验的主要目的就是要将实验室的研究结果与实际海洋中的应有的结果相关联。要想关联必须要满足两方面的条件:形式上相同或相似；在相似的基础上需要知道其相似的程度。在这里，相似的程度与水槽的尺度及比例相关。但到目前为止，人们还没有能够确定出水面溢油及消油剂处理水面溢油过程中试验装置与现实海洋中的相似程度。这是因为，传统的水工试验装置之所以能确定出试验装置(模型)与实际海洋(原型)之间的相似程度，是因为有“相似理论”的支持。但传统的“相似理论”实际上是在假设受力物体小形变基础上建立的，即要保持“几何相似”[13]。而由于水面溢油在受力过程中都是大形变，所以传统的“相似理论”并不能作为水面溢油的试验理论来应用。在这种情况下，就无法评价出实际现有的试验装置的规模的大小与实际海洋的相似程度。在这里，试验装置的规模大小并不重要。

在这现实的情况下，实用做法应该是，首先利用小规模波浪水槽具有的条件多功能实施可行、条件控制精确、项目经济负担小、试验周期短等特点，进行小规模波浪水槽试验，总结出影响因素条件与处置方式之间的基本规律及各影响因子对处置方式之间的影响程度，建立相应的数学模型；在此基础上，逐级进行大水槽专项试验或进行现场调查，修改模型参数，以达到逐步逼近海洋现实状况的目的。从长远来看，必须在理论上有所突破，即在不断实践的基础上，进行各机理的探索，建立相应的试验研究理论，最终科学地提高实验室的模拟能力。

2.2 试验设计

从目前的研究现状来看，除Li Zhengkai等外，其他的研究者并未对“试验设计”有所重视，试验方案是随意的。实际上，“试验设计”对一个试验研究者来说是十分重要的。一个优秀的试验设计方案可以科学快速地得出试验过程中应有的规律性，并能实现量化，从而能建立相应的数学模型。

试验设计中的因素选择应该选取对试验结果有重要影响的因素。虽然Li Zhengkai等在相应的工作中进行过试验设计，但在影响因素的选择上有所缺失，比如温度条件未被选定。这可能与试验水槽太大无法进行控温有关，但还应该进行不同季节温度下的补充试验。

在进行试验前，首先应确定对试验结果有显著影响的影响因素，然后按照“试验设计”理论进行试验设计，完成试验，总结规律，最终建立数学模型。

2.3 评定指标、取样及测试方法

从国内研究者所作的工作来看，消油剂水面试验的评定指标就一项，就是乳化率。而国外的研究者所重视的评定指标有两项：乳化率和油滴粒径。在某种程度上，重视油滴粒径的程度要高于乳化率。消油剂水下试验的评定指标就油滴粒径一项。但都缺少消油剂残存量一项。

张秀芝等的取样方式只代表水面原油风化过程中不同时刻所能被消油剂处理的可能性有多大；其他研究者取样方式表现为比较重视试验条件下的乳化率或各水层间油的含量。Ken Trudel等和Don Aurand等主要取的是水面上的浮油，再根据加入油的量计算出水体中的量，最终计算出实际乳化率。消油剂水下试验采取的是在线检测。

国内的研究者对乳化率的测定主要依据是《溢油分散剂 技术条件》(GB 18188.1—2000)中附录A的测试方法，这是一种三氯甲烷萃取-可见分光光度法；国外研究者中除Ken Trudel等和Don Aurand等外，所采用的是二氯甲烷萃取-紫外可见分光光度法。而Ken Trudel等和Don Aurand等由于取得是水面浮油，所采取的测试方法是干燥称重法。水中油滴粒径主要是采用在线的LISST-100X激光粒度仪、在线的显微高速相机及在线的PVM测定。对于国外相关研究者中采用的二氯甲烷萃取-紫外可见分光光度法测定油水中油含量的测试方法，由于紫外分光光度法会检测出水体中的表面活性剂，所以在实际检测中会产生正误差。有相应的其它专业的研究工作可以证实这一点[14-16]。Ken Trudel等和Don Aurand等采取的取水面浮油然后干燥称重的方法未考虑到对浮油干燥过程中的油的挥发及操作损耗，会对试验结果产生负误差。消油剂水面试验中所用的激光粒度仪由于只能处于水槽中的某一固定位置，在这种情况下其测试结果只能代表某一点的油滴粒径。如要用这点的结果来描述整个水槽中的实际结果，其前提必须是整个水槽中油滴分布均匀。消油剂水下试验虽然用了三种测试仪器来测定油滴粒径，但其只能对小油滴进行测定。水下溢油过程中小油滴产生的前提是原油从水底雾化喷出或消油剂能完美地将溢油乳化成小油滴，但这两种情况在实际中可能只是个例。

3 结论

在实际试验过程中，应首先确定评定指标。在目前的认知能力下，消油剂水面试验应设置乳化率、油滴粒径和消油剂残存量为检测指标。乳化率测定应采用多点采取水样的方式，油滴粒径的测试应采取多点外部高速相机在线检测，但应确保油滴在水槽试验段水体中混合较均匀。消油剂水下试验应设置油滴粒径和消油剂残存量为检测指标。油滴粒径的测试应采取多台高速相机在线检测，以保证大小粒径的油滴都能被检测到。目前还没有相应的消油剂残存量的检测方法所依据，应注重该方法的建立。

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