موزع الزيت

المشتت النفطي هو مزيج من المستحلبات والمذيبات التي تساعد على تفتيت النفط إلى قطرات صغيرة بعد انسكاب النفط . يسهل تشتيت القطرات الصغيرة في جميع أنحاء حجم المياه، وقد تتحلل القطرات الصغيرة بيولوجيًا بسهولة أكبر بواسطة الميكروبات الموجودة في الماء. يتضمن استخدام المشتت مقايضة بين تعريض الحياة الساحلية للنفط السطحي وتعريض الحياة المائية للنفط المشتت. في حين أن غمر النفط بالمشتت قد يقلل من التعرض للحياة البحرية على السطح، إلا أنه يزيد من تعرض الحيوانات التي تعيش تحت الماء، والتي قد تتضرر من سمية كل من النفط المشتت والمشتت. ^{[1] [2] [3]} على الرغم من أن المشتت يقلل من كمية النفط التي تهبط على الشاطئ، إلا أنه قد يسمح باختراق أسرع وأعمق للنفط في التضاريس الساحلية، حيث لا يتحلل بيولوجيًا بسهولة. ^[4]

في عام 1967، تسرب النفط من ناقلة النفط العملاقة توري كانيون على الساحل الإنجليزي. ^[5] تم استخدام عوامل التوتر السطحي ألكيلفينول في المقام الأول لتفتيت النفط، ولكن ثبت أنها سامة للغاية في البيئة البحرية؛ حيث تم قتل جميع أنواع الحياة البحرية. أدى هذا إلى إعادة صياغة المشتتات لتكون أكثر حساسية للبيئة. ^{[ متى؟ ]} بعد تسرب توري كانيون ، تم تطوير أنظمة رش القوارب الجديدة. ^[5] سمحت عمليات إعادة الصياغة اللاحقة باحتواء المزيد من المشتتات (بتركيز أعلى) ليتم رذاذها.

كان لدى ألاسكا أقل من 4000 جالون من المواد المشتتة المتاحة في وقت تسرب النفط من ناقلة إكسون فالديز ، ولم تكن هناك طائرات لتوزيعها. كانت المواد المشتتة التي تم إدخالها غير فعالة نسبيًا بسبب عدم كفاية حركة الأمواج لخلط النفط والماء، وتم التخلي عن استخدامها بعد فترة وجيزة. ^[6]

وجد تقرير كتبه ديفيد كيربي لموقع TakePart أن المكون الرئيسي لتركيبة Corexit 9527 المستخدمة أثناء تنظيف إكسون فالديز، وهو 2-بوتوكسي إيثانول ، تم تحديده على أنه "أحد العوامل التي تسببت في اضطرابات الكبد والكلى والرئة والجهاز العصبي والدم بين أطقم التنظيف في ألاسكا بعد تسرب إكسون فالديز عام 1989 ". ^[7]

تم استخدام المواد المشتتة في عدد من الانسكابات النفطية بين عامي 1967 و1989. ^[8]

سنة	انسكاب	دولة	حجم الزيت (لتر)	حجم المشتت (لتر)
1967	وادي توري	انجلترا	119,000,000	10,000,000
1968	النسر المحيط	بورتوريكو	12,000,000	6000
1969	سانتا باربرا	الولايات المتحدة الأمريكية	1,000,000	3,200
1970	سهم	كندا	5,000,000	1200
1970	المجد الهادئ	انجلترا	6,300,000
1975	شووا مارو	سنغافورة	15,000,000	500000
1975	جاكوب ميرسك	البرتغال	88,000,000	110,000
1976	أوركويولا	إسبانيا	100,000,000	2,400,000
1978	أموكو كاديز	فرنسا	200,000,000	2,500,000
1978	إيليني الخامس	انجلترا	7,500,000	900,000
1978	كريستوس بيتاس	انجلترا	3,000,000	280,000
1979	بيتلجوز	أيرلندا	10,000,000	35000
1979	إكستوك الأول	المكسيك	500,000,000	5,000,000
1983	سيواند	انجلترا	6,000,000	110,000
1984	إس إس بورتوريكو	الولايات المتحدة الأمريكية		7,570 [9]
1989	إكسون فالديز	الولايات المتحدة الأمريكية	50,000,000	8000

خلال تسرب النفط في ديب ووتر هورايزون، تم استخدام ما يقدر بنحو 1.84 مليون جالون من كوريكست في محاولة لزيادة كمية النفط السطحي والتخفيف من الضرر الذي يلحق بالموائل الساحلية. اشترت شركة بي بي كل إمدادات العالم من كوريكست بعد وقت قصير من بدء التسرب. ^[10] تم تطبيق ما يقرب من نصف (771000 جالون) من المشتتات مباشرة على رأس البئر. ^[11] كان المشتت الأساسي المستخدم هو كوريكست 9527 و 9500 ، والتي كانت مثيرة للجدل بسبب السمية .

في عام 2012، وجدت دراسة أن كوريكسيت جعل النفط أكثر سمية بما يصل إلى 52 مرة من النفط وحده، ^[12] وأن تأثير المستحلب للمشتت يجعل قطرات النفط أكثر توفرًا بيولوجيًا للعوالق . ^[13] وجد معهد جورجيا للتكنولوجيا أن "خلط النفط بالمشتت يزيد من السمية للنظم البيئية " ويجعل تسرب النفط في الخليج أسوأ. ^[14]

في عام 2013، واستجابةً للكم المتزايد من بيانات السمية المستمدة من المختبرات، تناول بعض الباحثين التدقيق الذي ينبغي استخدامه عند تقييم نتائج الاختبارات المعملية التي تم استقراءها باستخدام إجراءات غير موثوقة تمامًا للتقييمات البيئية. ^{[15] [16]} ومنذ ذلك الحين، تم نشر إرشادات تعمل على تحسين قابلية المقارنة وأهمية اختبارات سمية الزيت. ^[17]

استخدمت شركة Maritime New Zealand مادة تشتيت النفط Corexit 9500 للمساعدة في عملية التنظيف. ^[18] تم تطبيق المادة المشتتة لمدة أسبوع واحد فقط، بعد أن أثبتت النتائج عدم جدواها. ^[19]

تقلل المواد الخافضة للتوتر السطحي من التوتر السطحي بين الزيت والماء ، مما يساعد الأمواج على تقسيم الزيت إلى قطرات صغيرة. عادةً ما يكون خليط الزيت والماء غير مستقر، ولكن يمكن تثبيته بإضافة المواد الخافضة للتوتر السطحي؛ يمكن لهذه المواد الخافضة للتوتر السطحي منع اندماج قطرات الزيت المشتتة. تعتمد فعالية المادة المشتتة على تجوية الزيت وطاقة البحر (الأمواج) وملوحة الماء ودرجة الحرارة ونوع الزيت. ^[20] من غير المرجح أن يحدث التشتت إذا انتشر الزيت في طبقة رقيقة، لأن المادة المشتتة تتطلب سمكًا معينًا للعمل؛ وإلا، فسوف تتفاعل المادة المشتتة مع كل من الماء والزيت. قد تكون هناك حاجة إلى المزيد من المادة المشتتة إذا كانت طاقة البحر منخفضة. تعتبر ملوحة الماء أكثر أهمية بالنسبة لمشتتات المواد المشتتة الأيونية، حيث تعمل الملح على حجب التفاعلات الكهروستاتيكية بين الجزيئات. تعد لزوجة الزيت عاملاً مهمًا آخر؛ يمكن أن تؤدي اللزوجة إلى تأخير انتقال المشتت إلى واجهة الزيت والماء كما تزيد من الطاقة المطلوبة لقص قطرة من البقعة. اللزوجة التي تقل عن 2000 سنتي بواز هي اللزوجة المثالية للمشتتات. إذا كانت اللزوجة أعلى من 10000 سنتي بواز، فلا يمكن حدوث أي تشتت. ^[21]

هناك خمسة متطلبات للمواد الخافضة للتوتر السطحي لتشتيت الزيت بنجاح: ^[5]

• يجب أن يكون المشتت على سطح الزيت بالتركيز المناسب
• يجب أن يخترق المشتت الزيت (يختلط به)
• يجب أن تتجه جزيئات المادة الخافضة للتوتر السطحي عند واجهة الزيت والماء (كارهة للماء في الزيت ومحبة للماء في الماء)
• يجب خفض التوتر السطحي بين الزيت والماء (حتى يتمكن الزيت من التفكك).
• يجب تطبيق الطاقة على الخليط (على سبيل المثال، عن طريق الموجات)

يمكن تحليل فعالية المشتت بالمعادلات التالية. ^[22] تشير المساحة إلى المساحة الواقعة أسفل منحنى الامتصاص/الطول الموجي، والتي يتم تحديدها باستخدام قاعدة شبه المنحرف. يتم قياس الامتصاص عند 340 و370 و400 نانومتر.

المساحة = 30 (العضلات المقطوعة ₃₄₀ + العضلات المقطوعة ₃₇₀ )/2 + 30 (العضلات المقطوعة ₃₄₀ + العضلات المقطوعة ₄₀₀ )/2 (1)

ومن الممكن بعد ذلك حساب فعالية التشتيت باستخدام المعادلة أدناه.

الفعالية (%) = إجمالي الزيت المشتت × 100/(ρ _زيت V _زيت )

• ρ _الزيت = كثافة الزيت الاختباري (جم/لتر)
• V _الزيت = حجم الزيت المضاف إلى قارورة الاختبار (لتر)
• إجمالي الزيت المشتت = كتلة الزيت × 120 مل/30 مل
• كتلة الزيت = تركيز الزيت × V _DCM
• V _DCM = الحجم النهائي لمستخلص DCM لعينة الماء (0.020 لتر)
• تركيز الزيت = المساحة المحددة بالمعادلة (1) / ميل منحنى المعايرة

إن تطوير نماذج جيدة البناء (تأخذ في الاعتبار متغيرات مثل نوع الزيت والملوحة والمادة الخافضة للتوتر السطحي) ضروري لاختيار المادة المشتتة المناسبة في موقف معين. يوجد نموذجان يدمجان استخدام المواد المشتتة: نموذج ماكاي ونموذج جوهانسن. ^[23] هناك العديد من المعلمات التي يجب مراعاتها عند إنشاء نموذج التشتت، بما في ذلك سمك البقعة النفطية، والحمل الحراري ، وإعادة الظهور، وحركة الأمواج. ^[23] تتمثل المشكلة العامة في نمذجة المواد المشتتة في أنها تغير العديد من هذه المعلمات؛ حيث تعمل المواد الخافضة للتوتر السطحي على خفض سمك الفيلم، وزيادة كمية الانتشار في عمود الماء وزيادة كمية التفكك الناجم عن حركة الأمواج. وهذا يتسبب في أن يكون سلوك البقعة النفطية أكثر هيمنة من خلال الانتشار الرأسي من الحمل الحراري الأفقي. ^[23]

إحدى المعادلات المستخدمة في نمذجة الانسكابات النفطية هي: ^[24]

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

أين

• h هو سمك البقعة الزيتية
• ${\displaystyle {\vec {U}}}$هي سرعة التيارات المحيطية في الطبقة المختلطة لعمود الماء (حيث يختلط الزيت والماء معًا)
• ${\displaystyle {\vec {\tau }}}$هو إجهاد القص الناتج عن الرياح
• f هو معامل احتكاك الزيت والماء
• E هو الفرق النسبي في الكثافة بين الزيت والماء
• R هو معدل انتشار الانسكاب

يتنبأ نموذج ماكاي بمعدل تشتت متزايد، حيث تصبح البقعة الزيتية أرق في بعد واحد. ويتوقع النموذج أن البقع الزيتية الرقيقة سوف تتشتت بشكل أسرع من البقع الزيتية السميكة لعدة أسباب. البقع الزيتية الرقيقة أقل فعالية في تخفيف الأمواج وغيرها من مصادر العكارة. بالإضافة إلى ذلك، من المتوقع أن تكون القطرات المتكونة عند التشتت أصغر في البقعة الزيتية الرقيقة وبالتالي أسهل في التشتت في الماء. يتضمن النموذج أيضًا: ^[23]

• عبارة عن قطر قطرة الزيت
• اعتماد حركة الزيت على درجة الحرارة
• تعبير عن تجديد سطح النفط
• المعايرة بناءً على البيانات المستمدة من الانسكابات التجريبية

يفتقر النموذج إلى العديد من المجالات: فهو لا يأخذ في الاعتبار التبخر، أو تضاريس قاع المحيط أو جغرافية منطقة الانسكاب. ^[23]

إن نموذج يوهانسن أكثر تعقيدًا من نموذج ماكاي. فهو يعتبر الجسيمات في إحدى ثلاث حالات: على السطح، أو محصورة في عمود الماء، أو متبخرة. ويستخدم النموذج القائم على التجربة متغيرات احتمالية لتحديد المكان الذي سيتحرك إليه المشتت والمكان الذي سيذهب إليه بعد تفتيت البقع النفطية. ويتم تحديد انجراف كل جسيم من خلال حالة ذلك الجسيم؛ وهذا يعني أن الجسيم في حالة البخار سوف يسافر لمسافة أبعد بكثير من الجسيم الموجود على سطح المحيط (أو تحته). ^[23] ويحسن هذا النموذج من نموذج ماكاي في عدة مجالات رئيسية، بما في ذلك المصطلحات الخاصة بما يلي: ^[23]

• احتمالية الانجراف – تعتمد على الرياح
• احتمالية إعادة الظهور - تعتمد على الكثافة وحجم القطرات والوقت الذي غمرت فيه والرياح
• احتمال التبخر - مطابقًا للبيانات التجريبية

يقوم يوهانسن بإنشاء نماذج لمشتتات النفط باستخدام مجموعة مختلفة من معلمات السحب وإعادة السطح للنفط المعالج وغير المعالج. وهذا يسمح بإنشاء نماذج مختلفة لمناطق البقعة النفطية، لفهم كيفية انتشار النفط على طول سطح الماء بشكل أفضل.

تصنف المواد الخافضة للتوتر السطحي إلى أربعة أنواع رئيسية، ولكل منها خصائص وتطبيقات مختلفة: أنيونية وكاتيونية وغير أيونية وزويتيريونية (أو أمفوتيرية). المواد الخافضة للتوتر السطحي الأنيونية هي مركبات تحتوي على مجموعة قطبية أنيونية. تشمل أمثلة المواد الخافضة للتوتر السطحي الأنيونية كبريتات دوديسيل الصوديوم وسلفوسوكسينات ثنائي أوكتيل الصوديوم . ^[25] تشتمل هذه الفئة من المواد الخافضة للتوتر السطحي على ألكيل كربوكسيلات الصوديوم (الصابون). ^[26] المواد الخافضة للتوتر السطحي الكاتيونية مماثلة في طبيعتها للمواد الخافضة للتوتر السطحي الأنيونية، باستثناء أن جزيئات المادة الخافضة للتوتر السطحي تحمل شحنة موجبة في الجزء المحب للماء. العديد من هذه المركبات هي أملاح أمونيوم رباعية ، بالإضافة إلى بروميد سيتريمونيوم (CTAB). ^[26] المواد الخافضة للتوتر السطحي غير الأيونية غير مشحونة وتشكل مع المواد الخافضة للتوتر السطحي الأنيونية غالبية تركيبات تشتت الزيت. ^[25] يحتوي الجزء المحب للماء من المادة الخافضة للتوتر السطحي على مجموعات وظيفية قطبية ، مثل -OH أو -NH. ^[26] تعتبر المواد الخافضة للتوتر السطحي الزويترويونية هي الأكثر تكلفة، وتُستخدم في تطبيقات محددة. ^[26] تحتوي هذه المركبات على مكونات مشحونة إيجابيا وسلبيا. ومن الأمثلة على المركبات الزويترويونية الفوسفاتيديل كولين ، والذي يكون غير قابل للذوبان في الماء إلى حد كبير باعتباره دهونًا. ^[26]

يعتمد سلوك المادة الخافضة للتوتر السطحي بشكل كبير على قيمة التوازن المحب للماء والمحب للدهون (HLB). HLB هو مقياس ترميز من 0 إلى 20 للمواد الخافضة للتوتر السطحي غير الأيونية ، ويأخذ في الاعتبار التركيب الكيميائي لجزيء المادة الخافضة للتوتر السطحي. تتوافق القيمة الصفرية مع الأكثر محبة للدهون والقيمة 20 هي الأكثر محبة للماء للمادة الخافضة للتوتر السطحي غير الأيونية. ^[5] بشكل عام، لن تختلط المركبات ذات HLB بين واحد وأربعة مع الماء. المركبات ذات قيمة HLB أعلى من 13 ستشكل محلولًا صافًا في الماء. ^[25] عادةً ما يكون لمشتتات الزيت قيم HLB من 8 إلى 18. ^[25]

قيم HLB لمختلف المواد الخافضة للتوتر السطحي

مادة فعالة سطحية	بناء	متوسط ​​الوزن الجزيئي	إتش إل بي
أركوبال N-300	ج 9 ح 19 ج 6 ح 4 أو (CH 2 CH 2 O) 30 ح	1,550	17.0 [27]
بريج 30	كحول سلسلة مستقيمة متعدد الأوكسي إيثيلين	362	9.7 [28]
بريج 35	ج 12 ح 25 غ(CH 2 CH 2 O) 23 غ	1200	17.0 [27]
بريج 56	ج 16 ح 33 أوم (CH 2 CH 2 O) 10 هـ	682	12.9 [29]
بريج 58	ج 16 ح 33 أوم (CH 2 CH 2 O) 20 أوم	1122	15.7 [29]
إي جي إي كوكو	إيثيل جلوكوزيد	415	10.6 [28]
إيجي رقم 10	إيثيل جلوكوزيد	362	12.5 [28]
جينابول X-150	ج 13 ح 27 O(CH 2 CH 2 O) 15 H	860	15.0 [27]
تيرجيتول NP-10	نونيلفينوليثوكسيلات	682	13.6 [28]
مارليبال 013/90	ج 13 ح 27 O(CH 2 CH 2 O) 9 H	596	13.3 [27]
بلورونيك PE6400	H2O(CH 2 CH 2 O) × (C 2 H 4 CH 2 O) 30 (CH 2 CH 2 O) 28-x H	3000	نأ [27]
سابوجينات T-300	(C 4 H 9 ) 3 C 6 H 2 O (CH 2 CH 2 O) 30 H	1600	17.0 [27]
تي ماز 60 ألف	أحادي ستيرات السوربيتان الإيثوكسيلي	1310	14.9 [28]
تي ماز 20	مونو لورات السوربيتان الإيثوكسيلية	1226	16.7 [28]
تريتون اكس-45	ج 8 ح 17 ج 6 ح 4 أو (CH 2 CH 2 O) 5 ح	427	10.4 [29]
تريتون اكس-100	ج 8 ح 17 ج 6 ح 4 (OC 2 ح 4 ) 10 أوه	625	13.6 [30]
تريتون اكس-102	ج 8 ح 17 ج 6 ح 4 أو (CH 2 CH 2 O) 12 ح	756	14.6 [27]
تريتون اكس-114	ج 8 ح 17 ج 6 ح 4 أو (CH 2 CH 2 O) 7.5 ح	537	12.4 [29]
تريتون X-165	ج 8 ح 17 ج 6 ح 4 أو (CH 2 CH 2 O) 16 ح	911	15.8 [29]
توين 80	C 18 H 37 -C 6 H 9 O 5 -(OC 2 H 4 ) 20 OH	1309	13.4 [30]

فيما يلي تركيبتان لعوامل تشتيت مختلفة للانسكابات النفطية، Dispersit وOmni-Clean. والفرق الرئيسي بين الاثنين هو أن Omni-Clean يستخدم عوامل التوتر السطحي الأيونية ويستخدم Dispersit عوامل التوتر السطحي غير الأيونية بالكامل. تم تصميم Omni-Clean بحيث يكون قليل السمية تجاه البيئة أو لا يسبب أي سمية على الإطلاق. ومع ذلك، تم تصميم Dispersit كمنافس لـ Corexit. يحتوي Dispersit على عوامل التوتر السطحي غير الأيونية، والتي تسمح باستخدام عوامل التوتر السطحي القابلة للذوبان في الزيت بشكل أساسي وعوامل التوتر السطحي القابلة للذوبان في الماء بشكل أساسي. يسمح تقسيم عوامل التوتر السطحي بين المراحل بالتشتت الفعال.

نظام التشغيل أومني كلين OSD [31]				تشتت [32]
فئة	المكونات		وظيفة	فئة	المكونات		وظيفة
مادة فعالة سطحية		كبريتات لوريل الصوديوم	مادة فعّالة سطحية أيونية مشحونة ومكثفة	عامل مستحلب		حمض الأوليك أحادي إستر السوربيتان	عامل مستحلب
مادة فعالة سطحية		كوكاميدوبروبيل بيتاين	عامل مستحلب	مادة فعالة سطحية		مونو إيثانولاميد زيت جوز الهند	يذيب الزيت والماء في بعضهما البعض
مادة فعالة سطحية		نونيلفينول إيثوكسيلاتيد	مستحلب البترول وعامل الترطيب	مادة فعالة سطحية		بولي إيثيلين جليكول أحادي أوليات	مادة فعالة سطحية قابلة للذوبان في الزيت
المشتت		حمض اللوريك ثنائي إيثانولاميد	معزز اللزوجة والمستحلب غير الأيوني	مادة فعالة سطحية		أمين شحم البقر متعدد الإيثوكسيلات	مادة فعالة سطحية قابلة للذوبان في الزيت
المنظفات		ثنائي إيثانولامين	منظف ​​قابل للذوبان في الماء لقطع الزيت	مادة فعالة سطحية		الكحول الثانوي الخطي متعدد الإيثوكسيلات	مادة فعالة سطحية قابلة للذوبان في الزيت
مستحلب		البروبيلين جليكول	مذيب للزيوت، عامل ترطيب، مستحلب	مذيب		ثنائي بروبيلين جليكول ميثيل إيثر	يعزز ذوبان المواد الخافضة للتوتر السطحي في الماء والزيت.
مذيب	ماء 2 أوم	ماء	يقلل اللزوجة	مذيب	ماء 2 أوم	ماء	يقلل اللزوجة

تعود المخاوف بشأن استمرارية المواد المشتتة للزيت في البيئة وسُميتها لمختلف النباتات والحيوانات إلى استخدامها المبكر في الستينيات والسبعينيات. ^[33] يعتمد كل من تحلل المواد المشتتة للزيت وسميتها على المواد الكيميائية المختارة داخل التركيبة. يجب اختبار المركبات التي تتفاعل بشدة مع المواد المشتتة للزيت للتأكد من أنها تلبي ثلاثة معايير: ^[34]

• ينبغي أن تكون قابلة للتحلل البيولوجي.
• وفي وجود النفط، لا ينبغي استخدامها بشكل تفضيلي كمصدر للكربون.
• يجب أن تكون غير سامة للبكتيريا الأصلية.

يمكن توصيل المواد المشتتة في صورة رذاذ بواسطة طائرة أو قارب. ومن الضروري وجود كمية كافية من المواد المشتتة ذات القطرات ذات الحجم المناسب؛ ويمكن تحقيق ذلك بمعدل ضخ مناسب. ويفضل استخدام القطرات التي يزيد حجمها عن 1000 ميكرومتر، لضمان عدم تطايرها بفعل الرياح. وتكون نسبة المواد المشتتة إلى الزيت عادة 1:20. ^[20]

• نوكوميس 3

• الأكاديميات الوطنية للعلوم والهندسة والطب (2019). استخدام المشتتات في الاستجابة لتسرب النفط البحري . واشنطن العاصمة: مطبعة الأكاديميات الوطنية. doi :10.17226/25161. ISBN 978-0-309-47818-2. PMID  32379406. S2CID  133873607.{{cite book}}:CS1 maint: أسماء متعددة: قائمة المؤلفين ( الرابط )