影响石油污染物挥发行为的因素

生态环境 2007, 16(2): 327-331 http://www.jeesci.com Ecology and Environment E-mail: [email protected]

影响石油污染物挥发行为的因素

李玉瑛，李 冰

五邑大学化学与环境工程系，广东 江门 529020

摘要：进行了4种不同石油制品在不同温度时的挥发试验，并对其挥发量与挥发时间的关系进行了模拟，试验结果表明，柴油和煤油的挥发量与挥发时间呈二次多项式关系，而90＃汽油的挥发量与挥发时间呈对数关系，混合芳烃的挥发量与挥发时间呈线性关系。柴油经过不同程度的挥发后，其物理性质如粘度和比重发生了改变，其中柴油粘度随着挥发而增加，并且柴油的粘度与挥发质量分数有很好的正相关性，相关系数为0.988。 关键词：石油污染物；挥发；柴油

中图分类号：X502 文献标识码：A 文章编号：1672-2175（2007）02-0327-05

直至21世纪的今天，石油的使用依然是经济发展的支柱，可以说我们现处于石油时代，即我们人类的文明是建立在对石油的不断消费的基础上。在石油为人类文明带来巨大利益的同时，在石油的开采、炼制、集贮、运输和使用过程中，一方面会有大量的原油和石油制品抛酒或泄漏，使油体直接进入地表水体、土壤和地下水体，另一方面是石油的开采、加工过程会产生大量的含油污水，直接地排放和灌溉也会对地表水体、土壤、地下水和农作物产生影响。同时石油、天然气本身就含有对人和动物有害的物质，一旦发生井喷或泄漏，将对生活在油气田附近的人和动物构成致命威胁。石油管道的泄漏也会严重破坏生态[1]。因此，石油污染物的发生及其在环境中的归属得到了国内外许多学者的关注[2-3]。

石油污染物的挥发的理论基础是基于对水蒸发的研究，而水的蒸发量与时间呈正比[4, 5]，但有研究表明，多组分物质如原油及其产品的挥发损失量与时间并不呈线性关系[6, 7]。尽管对多组分物质的挥发动力学的研究已有过报道，但对多组分物质挥发的研究还处于起步阶段[8-10]。并且对用量日增的石油制品柴油挥发的研究很少[11]。

本文将讨论不同石油制品在不同温度下的挥发行为，并分析由于柴油挥发造成的粘度、表面张力和密度等物理性质的改变。

质为：粘度2.87 mPa·s，表面张力26.8 mN·m-1，比重0.8392 mg·cm-3。混合芳烃中含有4种等重量的苯、甲苯、二甲苯和乙苯成分。 1.2 实验方法

为研究柴油的挥发特性，本实验对比分析了4种油品（柴油、90＃汽油、煤油和混合芳烃）的挥发量随时间的变化关系。对不同油品的挥发实验分别在温度为20 ℃、25 ℃和30 ℃进行。在各种温度下，分别将适量的油品置于已知重量的玻璃表面皿中，然后隔一定时间间隔后，用精度为0.0001 g的电子天平测定其重量，计算其损失量即为挥发量。实验中所采用的玻璃表面皿（皮氏培养皿）规格为直径9.4 cm，高度1.1 cm。其中在柴油的挥发试验过程中，每隔一定时间，测定其挥发量及其物理性质如粘度、表面张力和密度。

2 结果与讨论

对4种油品（柴油、煤油、90＃汽油和混合芳烃）进行了不同温度下的挥发试验研究，并对其挥发量与时间所呈的最佳关系进行了对比。 2.1 柴油挥发实验结果

柴油挥发实验结果见表1，在不同温度时分别采用二次多项式和幂指数来拟合挥发量随时间的变化趋势。挥发量与挥发时间呈幂指数曲线关系

时，幂指数方程表达式为w = c ×t e ，其中w 为柴油挥发质量分数，c 为实验常数，t 为挥发时间（单位, min ），e 为幂指数；当挥发量与挥发时间采用二次多项式曲线拟合时，二次多项式方程为w = a×t 2 + b t +c，式中w 为柴油挥发质量分数，a 、b 和c 为实验常数，t 为挥发时间（单位, min）。20 ℃时的挥发

1 实验材料与方法

1.1 实验材料

实验所用油品包括柴油、煤油、90＃汽油和混合芳烃，均由齐鲁石化公司提供。其中柴油物理性

基金项目：高等学校博士点基金项目（[1**********]）

作者简介：李玉瑛（1971－），女，讲师，博士，研究方向为环境污染控制。E-mail ：[email protected]; [email protected] 收稿日期：2006-08-18

328 生态环境 第16卷第2期（2007年3月）

表1 油品挥发实验结果

Table 1 The volatilization results of pure petroleum products

油品

温度/℃

挥发时间/min

挥发量/％

拟合趋势线类型

最佳拟合方程

w = -2E-08 t 2 + 0.0009 t + 0.3058 w = -2E-08 t 2 + 0.0012 t + 0.3159 w = -8E-08 t 2 + 0.0022 t + 0.5479 w = -1E-7 t 2 + 0.0035 t + 1.1429 w = -2E-7t 2 + 0.0051 t + 0.7029 w = -3E-7 t + 0.0075 t + 2.0556 w = 15.803 Ln(t) – 20.884 w = 19.988 Ln(t) – 32.919 w = 0.0321 t + 3.6739 w = 0.0357 t + 4.1177 2

拟合度 0.9973 0.9975 0.9961 0.9895 0.9985 0.9928 0.9769 0.9896 0.9914 0.99

柴油 20 柴油 25 柴油 25 柴油 30 煤油 20 煤油 25 煤油 30 90＃汽油 20 90＃汽油 30 混合芳烃 20 混合芳烃 25 14345 8.15 二次多项式

12223 12.31 二次多项式 12223 12.31 幂指数 11541 16.41 二次多项式 14328 31.64 二次多项式 12223 40.26 二次多项式 11672 51.96 二次多项式 2861 880 3127 2867 98.42 99.94 98.99 99.89 对数 对数 线性 线性 w = 0.0057 t 0.8135 0.9972

挥发时间关系的趋势线均可采用二次多项式来拟合（表1），只是挥发程度要大于相应温度下柴油

图2 柴油挥发结果（25℃）

Fig. 2 The diesel volatilization data at 25 ℃

图3 柴油挥发结果（30℃）

图1 柴油挥发结果（20℃）

Fig. 1 The diesel volatilization data at 20 ℃

Fig. 3 The diesel volatilization data at 30 ℃

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图4 汽油挥发结果

图5 混合芳烃挥发结果

Fig. 4 The gasoline volatilization data

的挥发。

2.3 90＃汽油挥发实验结果

汽油的蒸汽压高，而沸点低，是很容易挥发的一种石油制品。不同温度下，90＃汽油挥发量与挥发时间关系的趋势线呈对数关系，见图4。对数关系可用方程w = a ×ln(t ) - b , 其中w 为油挥发质量分数，a 和b 为实验常数，t 为挥发时间（单位min ）。 90＃汽油挥发很快，在短短8 h内可挥发80％，90＃汽油挥发的模式明显不同于柴油和煤油的挥发，见表1。

2.4 混合芳烃挥发实验结果

混合芳烃在20 ℃、25 ℃和30 ℃时的挥发实验结果见图5和表1。混合芳烃中含有苯、甲苯、乙苯和二甲苯4种组分，每个组分的蒸汽压都很高，由这4种物质组成的混合芳烃挥发很快，其挥发量与挥发时间呈线性关系，可用线性方程w = a ×t + b 来表达，其中w 为油挥发质量分数，t 为挥发时间（单位, min），a 和b 为实验常数。

实验结果（见表1）表明，90＃汽油挥发量与挥发时间呈对数曲线关系，挥发速度很快，挥发500 min 时挥发量达80％左右；而柴油和煤油的挥发量均与挥发时间呈二次多项式曲线关系，挥发速度较慢，挥发500 min时柴油和煤油挥发量分别为1％和4％左右；混合芳烃的挥发量与挥发时间呈线性关系，挥发速度较快，挥发500 min时挥发量为20%左右。造成上述几种油品不同的挥发强度，是由于各油品所含石油烃组分不同造成的。汽油为轻质馏

Fig. 5 The aromatic mixture volatilization data

分，碳原子数范围为C 5 ~ C10；混合芳烃中含有苯、甲苯、乙苯和二甲苯；煤油为中等馏分，碳原子数范围为C 10 ~ C15；柴油为中等馏分，碳原子数范围为C 9 ~ C23。柴油和煤油具有相似的挥发行为，这是由于柴油与煤油均为原油的中等馏分；虽然柴油和煤油都属于中等馏分，但可挥发组分在两种油品中的含量有很大差距，柴油中可挥发组分C 9 ~ C13含量低，其主要组分为C 14 ~ C17；而煤油中可挥发性组分C 9 ~ C13含量高达80% ~ 90％，结果煤油的挥发程度高于柴油，这进一步说明油品的挥发量与其所含石油烃组分有关。另外，油品的挥发行为还与所含组分的多少有关，混合芳烃只含有4种组分，结果其挥发量与时间呈线性关系，而其它三种油品所含组分较多（几十种至上百种），结果其挥发量与时间的关系不能以简单的线性关系来描述。总之，柴油作为半挥发性原油馏分其挥发行为不同于汽油，而与煤油有相似的挥发规律，但柴油挥发量低于煤油挥发量。

2.5 柴油挥发对其物理性质的影响

挥发实验中采用柴油的物理性质为：粘度2.87 mPa·s，表面张力26.8 mN·m-1，比重为0.8392 mg·cm-3。

柴油在挥发时，其中的轻质石油烃成分优先挥发掉，剩余的成分是较为重质的成分，结果柴油经不同程度挥发后，粘度和比重都有所增加，而对表

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面张力的影响不大，详见表2。当柴油挥发8.2%后，粘度从2.88 mPa·s增加到3.54 mPa·s，增加了24.8%；柴油挥发15.7%后，粘度增加至4.22 mPa·s，增加了46.5％；柴油挥发20.4%后，粘度增加至4.83 mPa·s，增加了67.6%。

表2 不同挥发程度对柴油物理性质的影响

3 小结

（1）通过对柴油、煤油、汽油和混合芳烃4种石油制品的挥发研究，结果表明石油制品中所含石油烃组分是影响其挥发的主要因素。作为原油的中等馏分，柴油和煤油的挥发性小，其挥发量随着挥发时间延长而增加缓慢，二者之间的拟合曲线呈二次多项式关系；而90＃汽油挥发性大，挥发量与挥发时间呈对数关系，混合芳烃（由4种易挥发芳香烃组成）的挥发量与挥发时间呈线性关系。

（2）柴油挥发造成了其物理性质的改变，最明显的是柴油粘度的增加，柴油的粘度与挥发后残余量有很好的相关性，二者关系可用方程方程y =

0.0909 w + 2.8531来表达，其中y 为粘度（单位mPa·s），w 为柴油挥发质量分数，其相关系数为0.988。

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Table 2 The effect of volatilizationon the physical properties of diesel 挥发比例/％

粘度/(mPa·s)

表面张力/(mN·m-1)

比重/(mg·cm-3)

0 2.87 26.8 0.8392 8.2 3.54 15.7 4.22 20.4 4.83

27.1 27.5 27.7

0.8426 0.8457 0.8474

柴油挥发对其物理性质影响最大的是粘度的变化，而粘度的改变进而影响柴油在环境中的最终归属行为。柴油粘度的增加会影响柴油在环境中的其它行为，例如粘度高时，其流动性减小，结果使柴油在土壤中的淋溶性降低，同时其被生物降解的难度也增加。所以有必要对粘度的变化趋势做进一步的分析研究。柴油挥发不同比例时，测定其粘度。以粘度为纵坐标，以w (柴油挥发量)/%”为横坐标（其中w 为柴油挥发质量分数），作图见6。图中离散点为实验所实际测定数据，实线为根据实验结果

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图6 柴油挥发对粘度的影响

Fig. 6 The effect of volatilization on the viscosity of diesel oil

所作的趋势线。由图可见柴油粘度与柴油挥发质量分数呈线性关系，可用方程y = 0.0909 w + 2.8531来拟合，其中y 为粘度（单位mPa·s），相关系数为0.988。

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李玉瑛等：影响石油污染物挥发行为的因素 331

Effects of factors on volatilization of petroleum contaminants

LI Yuying, LI Bing

Department of Chemistry and Environmental Engineering, Wuyi University, Jiangmen, Guangdong 529020, China

Abstract: The volatilization tests of four different of petroleum products at different temperatures were conducted, and the relationship between the volatilization amount and the time were simulated. And the results indicated that diesel oil and kerosene evaporated in an quatric polynomial manner, where the loss of diesel amount were approximately quatric polynomial with time, 90# gasoline evaporated in a logarithmic with time, and the aromatic mixture volatilize at linear with time. The physical properties of diesel such as viscosity and density changed after the different content of volatilization, and the viscosity of diesel increased with the volatilization carried out. And there was positive relativity between the viscosity and the content of diesel oil volatilization, the correlation coefficient was 0.988.

Key words: petroleum contaminants; volatilization; diesel oil