Многоцелевая технология получения и обработки экспертной информации при идентификации нефтяного загрязнения в сложных природных и техногенных системах (16.03.2009)

Автор: Шарапов Сергей Владимирович

Объем и структура работы. Работа состоит из введения, четырех глав и заключения общим объемом 247 стр., включая список литературы из 218 наименований, 98 рисунков, 49 таблиц.

Введение.

Во введении изложены актуальность проблемы исследований, сформулированы цель и основные задачи исследований, научная новизна и практическая значимость работы.

Глава I. КОНЦЕПЦИЯ ПРОВЕДЕНИЯ ИССЛЕДОВАНИЯ НЕФТЕПРОДУКТОВ В СЛОЖНЫХ ПРИРОДНЫХ И ТЕХНОГЕННЫХ СИСТЕМАХ

Для правильной постановки и решения задач обнаружения, диагностики и идентификации нефтепродуктов и нефтяных загрязнений, содержащихся в окружающей среде, необходимо ясно представлять себе какие процессы могут происходить в природных и антропогенных системах после попадания в них нефтяного загрязнения.

После попадания в природные условия нефтепродукты или другие углеводородные флюиды, в первую очередь, образуют слой на поверхности водоема или почвы (рис. 1). Легкие компоненты начинают быстро испаряться, часть из них просачивается в почвенный слой. Одновременно с этим начинается химическое или биохимическое разложение органических компонентов. Окисленные продукты являются, как правило, более токсичными, чем исходные. Тяжелые компоненты сорбируются грунтом, частично при этом растворяясь в подземных водах. Совокупность среды, в которой рассеяны нефтепродукты и самих нефтепродуктов представляет собой систему, то есть множество элементов, находящихся в отношениях и связях друг с другом и образующих определенную целостность. Рассматриваемые в настоящей работе природные и техногенные системы относятся к динамичным вероятностным (стохастическим).

Углеводородное (нефтяное) загрязнение окружающей среды является наиболее опасным по сравнению с прочими химическими загрязнениями, что связано с высокой токсичностью и миграционной способностью отдельных компонентов нефти. Наиболее интенсивное и опасное загрязнение происходит за счет разливов нефти из нефтепроводов и технологических аппаратов.

Рисунок 1 - Схема функционирования системы: воздух – почва – почвенный раствор

Проблема идентификации источников нефтяных загрязнений усложняется неизбежными процессами трансформации (деградации) нефтяных углеводородов при попадании их в окружающую природную среду (процессы испарения, окисления, деструкции и т.п.). Данные процессы делают идентификацию источника загрязнения сложной, и требует разработки таких методов, которые были бы свободны от влияний временного, сезонного (температуры) и прочих факторов пребывания («выветривания») нефтяных углеводородов в воздухе, на почве или в воде.

Перечень видов контроля загрязнения почв в отечественной и зарубежной литературе к постоянным характеристикам относит такой показатель, как присутствие загрязняющих веществ в сопредельных средах. Этим показателем подчеркивается роль почвы как депонирующей среды в экосистеме, характеризующаяся так называемой проточностью.

В настоящей работе изучены переходы нефтепродуктов из почвы в почвенный раствор, из почвы в приземный слой атмосферы и из почвы в биоту. Общая схема оценки содержания нефтепродуктов в почве при их переходах в сопредельных средах представлена на рисунке 2.

Оценка взаимного перехода нефтепродуктов между сопредельными средами почва – почвенный раствор проведена по результатам лабораторных экспериментов. Соотношение между количеством органических компонентов в почвенном растворе и сухом грунте отражает подвижность нефтепродуктов в почве, то есть их способность переходить из твердых фаз почвы в почвенный раствор. Этот показатель назван коэффициентом межфазового перехода:

Кмфз = ЭОСпочв.р-р/ЭОСгрунт (1)

Общая тенденция заключается в том, что валовое содержание органических компонентов в грунтах почти всегда выше, чем в почвенных растворах. Средние значения Кмфз для начальной концентрации нефтепродуктов 0,1 % составили 0,38, для концентрации 1 % - 0,46, для концентрации 10 % - 0,56, то есть чем выше начальная концентрация нефтепродуктов в почвах, тем большая его доля способна переходить в почвенный раствор. Проведенные исследования показали, что активность почвенного раствора влияет, в основном, не на количественное содержание техногенного нефтяного загрязнения, а на его качественный состав.

Рисунок 2 - Постановка решения экспертной задачи по оценке уровня содержания нефтяного загрязнения в почве

Изучение нефтяных компонентов между почвой и приземным слоем атмосферы в настоящей работе проводился в двух вариантах. Первый из них – отбор паровой фазы из воздуха непосредственно на месте контроля с концентрированием на пористых сорбентах. Второй – дегазация объектов носителей, отобранных на местах контроля, в лабораторной установке анализа равновесного пара (АРП). Для этого были разработаны: полевой пробоотборник на базе газоанализатора VX - 500 и установка для анализа равновесного пара.

Оба варианта показали свою полную работоспособность и дали сопоставимые результаты. Выбор того или иного варианта анализа определяется конкретными условиями на месте контроля, наличием соответствующей аппаратуры и остается на усмотрении эксперта.

Взаимный переход между почвой и биотой оценивался путем проведния экспериментов по определению фитотоксичности по международному стандарту ИСО 11269-2, с последующим определением количества и состава нефтепродуктов в сопредельных средах почва – биомасса растений. Для выявления зон чрезвычайных ситуаций разработана методика оценки негативного воздействия нефтяного загрязнения на почву, основанная на прямом измерении содержания и состава нефтепродуктов в сопредельной с почвой среде биомассы растений.

Для того чтобы методическая система могла претендовать на значение комплексной, в ней мало предусмотреть конкретные методы физико-химического исследования, а также подготовительные и промежуточные операции. Не менее важно выработать иерархию применения методов анализа с четкими целевыми установками и оценками ожидаемых результатов на каждой стадии. Сложные условия, возникающие на местах чрезвычайных ситуаций, разнообразие в количестве и состоянии отобранных проб заставляют разрабатывать также возможные альтернативные пути их исследования. В настоящем исследовании помимо дублирования информационных потоков, уделено повышенное внимание многоуровневости системы сбора информации. Принципиальная информационная аналитическая система, а также концепция проведения исследований в соответствии с этой системой, представлены на рисунках 3, 4.

Рисунок 3 - Принципиальная информационная аналитическая система

Рисунок 4 - Концепция проведения измерений в соответствии с принципиальной информационной аналитической системой.

Глава II. СИСТЕМА ПОЛУЧЕНИЯ ИНФОРМАЦИИ ПРИ ЭКСПЕРТНОМ ИССЛЕДОВАНИИ НЕФТЕЙ И НЕФТЯНЫХ ЗАГРЯЗНЕНИЙ

Привлечение методов системного анализа для решения проблем идентификации необходимо, прежде всего, потому, что в процессе принятия решений приходится осуществлять выбор в условиях неопределённости, которая обусловлена наличием факторов, не поддающихся строгой количественной оценке. Процедуры и методы системного анализа направлены на выдвижение альтернативных вариантов решения проблемы, выявление масштабов неопределённости по каждому из вариантов и сопоставление вариантов по тем или иным критериям эффективности. Специалисты по системному анализу готовят или рекомендуют варианты решения, принятие же решения остаётся в компетенции соответствующего должностного лица (или органа). Центральной процедурой в системном анализе является построение обобщённой модели (или моделей), отображающей все факторы и взаимосвязи реальной ситуации, которые могут проявиться в процессе осуществления решения.

Система экспертного исследования любых объектов должна включать в себя два основных блока: блок получения информации и блок обработки информации. Для получения информации о количестве и составе нефтепродуктов, содержащихся в исследуемых объектах, применяется различные аналитические методы. Для диагностики класса, типа, вида, групповой принадлежности, нефтепродуктов и их идентификации в приводимой в первой главе комплексной аналитической системе предлагается использовать методы молекулярной люминесценции, инфракрасной спектроскопии и газожидкостной хроматографии. В настоящее время эти методы являются наиболее употребительными при проведении массовых анализов сложных органических смесей, в том числе и нефтепродуктов.

В качестве относительно несложного в реализации метода, который рекомендуется применять на начальной стадии исследования, является метод молекулярной люминесценции (флуоресценции). Итоговый результат измерений люминесценции рассчитывается по формуле:

где J – итоговый результат измерений в условных (приборных) единицах; Jлюм – результат измерений по каналу регистрации люминесценции; Jоп – результат измерений по опорному каналу; n – число усредняемых измерений.

В настоящей работе была установлена связь между наличием тех или иных характерных максимумов в спектрах люминесценции с содержанием в нефтепродуктах различных индивидуальных люминесцирующих компонентов.

Сложность и многообразие состава нефтепродуктов предопределяет сложный вид их электронных спектров и изменение спектральных характеристик при смене рабочих режимов съемки спектров или при изменении товарных показателей нефтепродуктов. Применение синхронной люминесценции позволяет анализировать достаточно сложные по составу смеси. Люминесцирующие свойства нефтепродуктов, в основном, определяют содержащиеся в них полициклические ароматические углеводороды, так как интенсивность люминесценции ПАУ в десятки, а иногда и в сотни раз превышает интенсивность люминесценции других компонентов.

В качестве примера приводится спектр фенантрена. Обработка спектров проводилась с использованием набора лоренцианов (рисунок 5)

Рисунок 5 – Обработанный спектр люминесценции фенантрена

- смещение.

Таблица 1 Результаты обработки спектра люминесценции фенантрена

1. 6,12 288 6,50 0,60

2. 20,72 303 16,98 0,78

3. 29,82 339 21,56 0,88

4. 7,28 361 10,10 0,46

5. 7,33 377 9,30 0,50

Данные по обработке всех изученных индивидуальных ПАУ сведены в таблице 2. На основании установленных характерных длин волн максимумов люминесценции индивидуальных ПАУ разработан метод анализа группового состава автомобильных бензинов по их спектрам люминесценции. Для этой цели выбраны следующие интервалы длин волн люминесценции и соответствующие им группы доминирующих компонентов: 280-480 нм (общее содержание техногенных нефтепродуктов); 280-330 нм (содержание моноароматических углеводородов); 330-400 нм (содержание полиароматических углеводородов); 400-430 нм (содержание окисленных структур); 430-480 нм (содержание смолисто-асфальтеновых структур).

Таблица 2 - Характерные длины волн максимумов люминесценции и значимость пиков полициклических ароматических углеводородов

Длина волны, нм


загрузка...