基于GC-MS和重量法的土壤中原油挥发性研究.pdf
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1、中国环境科学 2023,43(8):41754182 China Environmental Science 单晓玲,郎梦凡,陈 浩,等.基于 GC-MS 和重量法的土壤中原油挥发性研究 J.中国环境科学,2023,43(8):4175-4182.Shan X L,Lang M F,Chen H,et al.Studies on volatilization of crude oils from three oilfields soils based on GC-MS and gravimetryJ.China Environmental Science,2023,43(8):4175-418
2、2.基于 GC-MS 和重量法的土壤中原油挥发性研究 单晓玲1,2,郎梦凡1,陈 浩1,张世龙1,王铁成1,2,和文祥1,2,郭学涛1,2*(1.西北农林科技大学资源环境学院,陕西 杨凌712100;2.农业农村部西北植物营养与农业环境重点实验室,陕西 杨凌 712100)摘要:以胜利南阳和延长油田原油及周边土壤为研究对象,设计了避光通风可控温挥发试验装置,探究不同温度和土壤含油浓度对石油挥发的影响机制.结果显示:在一定温度范围内,3 种原油的累积挥发率与温度呈正相关,与含油率呈负相关,原油在前 3d 快速挥发,随后挥发率逐渐降低并在 28d 时趋于平衡.胜利油田原油的平衡挥发率为 30%,而
3、延长南阳原油平衡挥发率分别在 55%和 70%以上.3 个地区原油自土壤中的挥发符合一级动力学方程(R20.968).原油自土壤中挥发的平衡挥发率与温度和土壤含油率的关系符合 Parabola2D 曲面模型(R20.972).通过超声萃取-GC-MS 法对土壤残留石油组分的变化进行分析,结果发现,随着时间的延长,原油中轻质组分不断挥发,直链烃及其衍生物种类呈现先增加后减少最后趋于稳定的规律.相关研究结果为石油污染土壤的修复技术研发及生态风险评估提供理论依据.关键词:石油;土壤;挥发;GC-MS 中图分类号:X53 文献标识码:A 文章编号:1000-6923(2023)08-4175-08 S
4、tudies on volatilization of crude oils from three oilfields soils based on GC-MS and gravimetry.SHAN Xiao-ling1,2,LANG Meng-fan1,CHEN Hao1,ZHANG Shi-long1,WANG Tie-cheng1,2,HE Weng-xiang1,2,GUO Xue-tao1,2*(1.College of Natural Resources and Environment,Northwest A&F University,Yangling 712100,China;
5、2.Key Laboratory of Plant Nutrition and the Agri-environment in Northwest China,Ministry of Agriculture and Rural Affairs,Yangling 712100,China).China Environmental Science,2023,43(8):41754182 Abstract:Taking crude oils and surrounding soils from Shengli,Nanyang and Yanchang oilfields as research ob
6、jects,a light-proof volatilization device with controllable temperature was designed to examine the effects of temperature and concentration on the volatilization of oil from polluted soils.a light-proof and ventilated experimental device of volatilization with controllable temperature was built to
7、research the effects of temperature and concentration on oil volatilizing from soils.The results showed that the cumulative volatilization rate of petroleum hydrocarbons was positively correlated with temperature and negatively correlated with oil contents.The crude oil volatilized rapidly in the fi
8、rst three days,followed by gradual volatilization until reaching equilibration at 28days.The equilibrium volatilization percentage of Shengli crude oil was 34%,while above 55%and 70%for Yanchang and Nanyang crude oil,respectively.The volatilization of crude oil from soils fitted well with the first-
9、order reaction kinetic equation(R20.968).The relationship between the equilibrium volatilization rate of crude oil from soils and temperature or oil concentration agreed with the Parabola2D surface model(R20.972).The composition changes of the three crude oils before and after volatilization were th
10、en qualitatively analyzed by GC-MS.The light components in crude oil volatilized continuously,while the varieties of heavy components increased initially and then decreased to a steady state in the end.This study provided a theoretical base for evaluating the environmental behavior of petroleum poll
11、utants in soil and technical support for the remediation of petroleum contaminated soil.Key words:crude oil;soil;volatilization;GC-MS 作为全球重要的自然资源之一,石油的消耗量占全球一次能源消费量的 29%32%1,而陆上油田采油量占全球原油产出的 50%以上,且该占比呈持续增长趋势2.陆上原油在运输、化学加工和分配管理引起的土壤污染3,是原油污染的重点管控类型 4-5.石油进入到土壤中,通过破坏土壤结构、降低土壤通气透水能力、增加土壤有机碳含量、加重土壤盐碱化等
12、方式改变土壤的理化性质6,同时会降低土壤微生物多样性和微生物总数,进而影响土壤养分循环、土壤微生物的自然平衡和生态系统功能 7.土壤和水环境中石油烃污染物的存在不仅对 收稿日期:2023-04-25 基金项目:国家重点研发计划项目(2019YFC1804101)*责任作者,教授, 4176 中 国 环 境 科 学 43 卷 环境造成重大影响,还对受污染环境中的人类和其他形式的生物构成重大危害8.要修复受石油烃污染的土壤或水环境,需了解石油的性质、组成、环境类型及其在环境中的迁移和分布、降解机制等.原油是一类包含饱和物、芳香烃和杂原子等化合物的复杂混合物9,这些组分进入到土壤环境中会发生挥发、对
13、流-弥散等物理迁移和吸附-解吸、溶解及沉淀等化学迁移以及生物降解等过程10.目前国内外学者针对石油在土壤中迁移过程做了大量研究.通过室内土柱淋滤实验、批量平衡实验等方法,探究了石油在土壤中的吸附机理和迁移规律11.通过液面挥发,了解原油暴露环境中短时期内发生的迁移转化对石油污染土的修复有重要影响.挥发是石油在土壤中迁移的一个重要途径,石油的挥发不仅造成空气污染,还会影响石油类物质在其他环境中的归属12.研究较多的有基于海上溢油提出的原油挥发模型13,如一级反应动力学模型,Elovich 模型和抛物线模型等,较多研究发现土壤中原油挥发也有相似特征,但不同地区原油污染土壤中石油的挥发差别鲜有比较,
14、且研究方法多以重量法为主14,对基于 GC-MS 法分析挥发过程中原油组分的变化的研究较少.以往的研究中,讨论影响挥发过程的因素多为单一的温度或含油度等,而多元因素、土壤性质、原油性质对挥发的影响研究尚有一定的探索空间.随着挥发时间的推移,不同油田原油的组分变化规律也值得进一步探讨.本研究以山东胜利油田、河南南阳油田以及陕西延长油田为研究区域,采集原油和对应未受原油污染的土壤,设计挥发实验装置来模拟自然环境中受石油污染土壤中石油污染物的挥发过程,采用重量法探究不同油田区域受污染土壤中原油的挥发特性并进行比较,分别匹配合适的挥发模型,并尝试建立温度和含油率对挥发的多元影响三维模型.同时,结合超声
15、萃取-GC-MS 法分析挥发过程中的原油组分含量变化,希望能更加明确石油烃类污染物在土壤中的迁移转化机理,准确掌握土壤环境中石油烃的行为、归宿,为有效控制土壤原油及其挥发物污染提供更多理论依据.1 材料与方法 1.1 试验材料及装置 1.1.1 样品采集和处理 选取我国山东胜利油田、河南南阳油田和陕西延长油田开采的原油为研究对象,按照 HJ/T166-2004土壤环境监测技术规范规定的样品采集和处理要求,分别在相应油田区采集无原油污染的表层土(采样深度 020cm),自然风干,去除样品中动植物残体、砂砾石块等杂质,研磨后过 2mm 筛,用紫外线灯照射供试土壤薄层(厚约2mm)40min,灭除土
16、壤中细菌待用.分别测定 3 个油田区土壤的理化性质(表 1).表 1 油田区土壤理化性质 Table 1 Physical and chemical properties of soils in each oilfield 油田区域pH 值(0.01mol/L CaCl2)有机质(g/kg)全氮(g/kg)全磷(g/kg)粘粒(%)粉粒(%)砂粒(%)土壤 质地 胜利8.78 7.860.400.56 6.09 60.34 33.54砂土 南阳8.45 15.920.830.47 4.11 57.16 38.73砂土 延长8.72 11.140.700.76 1.64 25.8 72.56 砂
17、质砂土 1.1.2 试验装置 挥发试验装置如图 1 所示.试验装置为不透光的箱体结构,内部有通风装置和加热装置,保证实验箱体和大气相通.加热装置为红外加热灯,置于箱体内中上方,连接温控开关,温度传感器置于箱内,当传感器温度低于设定温度时,加热装置启动,达到设定温度后关闭红外灯,控温精度为0.5.实验时将样品放入挥发试验箱内,设置挥发温度,接通电源,打开换气扇,实现温度可控避光通风的实验环境.图 1 挥发试验装置 Fig.1 Volatilization experiments device 8 期 单晓玲等:基于 GC-MS 和重量法的土壤中原油挥发性研究 4177 1.2 实验步骤 1.2.
18、1 原油在土壤中的挥发实验 分别称取一定质量的胜利南阳和延长油田周边土样,按照不同质量比加入相应油田区原油并混合均匀,制得含油率分别为 1%,2%,3%(w/w)的含油土壤,将含油土壤均匀摊开置于挥发试验装置中,设置挥发温度分别为20,35,45,在挥发 0,1,2,3,4,5,7,10,14,28d 时称重记录,每次称得质量与初始质量之差记为该时间段累积挥发量.每组样品设置 3 个平行,设置不加原油的土壤为空白对照组.1.2.2 原油在挥发中的组分变化 采用超声萃取-GC-MS 法进行挥发组分的分析实验.称取胜利南阳和延长油田含油率为3%的含油土壤各200g,在常温(20)下进行挥发实验,依
19、次在第 0,1,3,7,14,28,56,112,168,280d时取5.00g样品于密封袋中-80保存.将取得的样品用超声萃取法进行预处理,准确称取 2.00g 土样置于玻璃离心管内,加入 2.00g 无水硫酸钠,量取 20mL 二氯甲烷作为萃取剂,拧紧瓶盖,在100%功率下连续超声 15min,然后在 4000r/min 下离心 10min,再将萃取液倒入烧杯中.每组样品用相同方法萃取 2 次,将萃取液全部移至浓缩杯,用少量二氯甲烷冲洗烧杯 2 次,清洗液移至浓缩杯,氮吹浓缩至 20mL.用注射器吸取 1mL 流出液,经过 0.22m 的有机滤膜,注入 1mL 色谱瓶中,进行 GC-MS
20、的测定.GC-MS(Agilent7890B-5977A)测定条件:色谱条件为进样口温度 280,不分流进样,进样量为 1L;升温程序为 50保持 4min,以 6/min 的速率升温至280,保持15min直至所有组分流出.质谱条件的离子源温度 230,四级杆温度 150,电离模式 EI,电子能量 70eV.1.3 数据处理和分析 用质量损失法计算原油的挥发率,计算公式如式(1)所示.c()100%ttMmC tm=(1)式中:C(t)为t d土壤中原油的累积挥发率,%;Mt为空白对照组挥发 t d 的土壤质量,g;mt为样品组挥发 t d的土壤质量,g;mc为土壤中添加原油的初始质量,g.
21、有机物自土中的挥发模型常用到 Elovich 方程(2)和一级反应动力学方程(3)等,C(t)=A+Blnt(2)C(t)=Ce(1-e-kt)(3)式中:A为土壤中原油挥发1d的挥发率,%;B为挥发速率常数;Ce为土壤中原油的饱和挥发率,%;k为挥发速率相关系数.Fingas15引用了Elovich方程模拟石油烃挥发和时间的关系曲线,翁文庆等16研究发现核电安全壳中有机化学品的挥发曲线与一级挥发动力学方程拟合曲线吻合度较高.申圆圆17认为当石油含量为3g/kg 和 7g/kg 时,Elovich 方程能很好地表达原油在粉质壤土中的挥发动力学,而当石油浓度为10g/kg时,挥发速率较符合一级反
22、应动力学方程.尝试建立不同油田区原油污染土壤挥发三维模型,在其他反应条件相同的挥发装置中讨论土壤含油率 W(%)和温度 T()对原油挥发的影响,及挥发至平衡的原油挥发率 Ce(%)和二者之间的关系.用Origin软件中的 Parabola2D曲面公式对数据进行拟合.公式如下:Ce=C0+aW+bT+cW2+dT2(4)式中:C0为0d原油挥发率,等于0;a,b,c,d为公式相关系数,该式可简化为 Ce=aW+bT+cW2+dT2(5)2 结果与讨论 2.1 原油在土壤中的挥发 根据实验挥发数据绘制原油在土壤中的累积挥发曲线,如图 2 所示,其中(b),(c),(d)分别为胜利南阳和延长油田的原
23、油在对应土壤中的挥发过程曲线,原油的累积挥发量随时间变化的趋势基本一致,原油在土壤中的挥发过程可分三个阶段:快速挥发阶段,石油烃以较高速度挥发,累积挥发曲线的斜率较大;挥发稳定阶段,挥发速率逐渐降低,土壤质量减少较慢;挥发平衡阶段,在该阶段原油挥发速率趋于0,挥发趋于平衡.在14d挥发变得缓慢,至28d趋于平衡,整个过程呈现由快到慢再到平衡的趋势.分别用 Elovich 方程和一级反应动力学方程对挥发数据进行拟合分析,结果如表 2 所示,相较于Elovich 模型(R2为 0.8900.994),一级反应动力学方程拟合得到的 Ce和实验测得值 Ceexp的相对标准偏差在 1.05%7.6%之间
24、,相关系数 R2为 0.9680.998,拟合结果与实验数据有较好的相关性,一级反应动力学能更好的拟合石油在土壤中的挥发数据,表明石油在土壤中的挥发速率是由快到慢,最后趋于平4178 中 国 环 境 科 学 43 卷 衡的动力学过程18.随着挥发过程中原油浓度降低,吸附态石油在土壤中占比提高,挥发速率逐渐降低最终趋于挥发平衡.在相同含油率下比较一级反应动力学方程拟合的挥发速率常数 k,可以看出,3 组原油的挥发速率常数 k 随着挥发温度的升高整体呈增长趋势,表明 k 是和挥发温度呈正相关的系数,石油在土壤中的挥发在一定范围内受温度的影响.推断是由于随着温度的升高,原油粘度有所降低,在土壤中的流
25、动性增强,温度的提升增加了石油中挥发性物质的分子动能,使更多的分子能快速穿过滞留的空气边界层而离开介质界面进入大气,降低土壤对石油烃的截留能力19.减弱了土壤对原油的吸附能力20.费瑞银等在研究正丁醇的挥发特性时得出相似规律21.图 2 石油自土壤中的挥发曲线 Fig.2 The volatilization characteristics of crude oil from soils 在相同温度下对比不同含油率时的累积挥发率 Ceexp,可以看出随着含油率的升高,3 组油田原油的累积挥发量均有所增加,而累积挥发率均有所减小,表明土壤中石油的挥发受含油浓度的影响.含油率越高,石油与空气接触相
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