СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПОДЗЕМНЫХ УТЕЧЕК ТОПЛИВА

METHOD FOR DETERMINING UNDERGROUND FUEL LEAKS

Andrey Shchepelev

candidate of technical Sciences, Military educational scientific center of Military and air forces "VVA of a name of professor N.E. Zhukovskogo and Yu.A. Gagarin",

Russia, Voronezh

Dmitry Likhovidov

candidate of technical Sciences, associate Professor, Military educational scientific center of Military and air forces "VVA of a name of professor N.E. Zhukovskogo and Yu.A. Gagarin",

Russia, Voronezh

Nikita Kalinin

cadet, Military educational scientific center of Military and air forces "VVA of a name of professor N.E. Zhukovskogo and Yu.A. Gagarin",

Russia, Voronezh

В ежегодных докладах Министерства чрезвычайных ситуаций отмечается, что в последнее время загрязнение окружающей среды нефтью и нефтепродуктами (НП) приобретает катастрофический характер. Аварийные разливы при добыче, транспортировке, хранении НП могут достигать нескольких тонн, при этом регенерация депонирующих сред (почв, донных отложений) в зависимости от климатических условий достигает десятков лет.

Проблемы загрязнения объектов окружающей среды нефтеуглеводородами диктуют необходимость разработки новых способов их мониторинга [1]. Особенно опасны и трудно диагностируемы «невидимые» загрязнения – подземные динамические скопления нефтяных углеводородов, перемещающихся на большие расстояния и проникающих в грунтовые воды. В настоящее время существует более 30 способов обнаружения утечек нефтепродуктов, основанных на различных физических и физико-химических явлениях. Каждый из методов характеризуется своими преимуществами и недостатками. Основной проблемой их широкого применения является высокая стоимость оборудования, низкая мобильность, сложность его использования в труднодоступных местах. Это диктует необходимость разработки новых способов обнаружения подземных утечек нефтепродуктов.

Целью исследования является повышение эффективности проведения мониторинга подземных утечек топлива.

По мнению авторов, из существующих методов к перспективному развитию относятся методы, использующие пьезосенсорные устройства [2], принцип действия которых основан на явлении обратного пьезоэффекта.

Чувствительным элементом измерительного устройства, определяющего диффузию паров нефтепродуктов, является пьезокварцевая пластина АТ-среза с собственной частотой колебаний (F0, Гц). На пластину напыляются металлические электроды. Для повышения селективности, чувствительности микровзвешивания электроды модифицируют тонкими пленками сорбентов [3]. В основном это стандартные хроматографические фазы, природные и синтетические полимеры, в последнее время широко применяют наноматериалы.

При адсорбции определяемых компонентов на пленочном сорбенте – модификаторе электродов пьезокварца – уменьшается собственная частота его колебаний на величину F = -k∙m (k – константа пьезокварца, зависящая от его конструкционных свойств; m – масса адсорбирующегося на пленке сорбента вещества).

В первую очередь при выборе сорбционного покрытия электродов пьезокварца учитывают следующие факторы:

1. Устойчивость пленки сорбента в парах определяемого компонента, которую можно оценивать по уменьшению ее массы после первых десяти циклов «сорбция–десорбция»;

2. Возможность самопроизвольной регенерации пленки сорбента после измерения (без подачи инертного газа к сенсору, без его нагревания);

3. Относительная чувствительность микровзвешивания (S, Гц∙кг/мг), которая рассчитывается как отношение аналитического сигнала ΔF к концентрации определяемого соединения в анализируемом объекте;

4. Относительная селективность сорбента к исследуемому соединению или группе родственных веществ, определяемая как отношение аналитического сигнала сорбции определяемого компонента к аналитическим сигналам сорбции сопутствующих веществ.

В результате тестирования более 20 различных пленок сорбентов для определения нефтяных углеводородов в почве [3] был выбран Тритон X-100. Тритон Х-100 – это неионное поверхностно активное вещество, которое имеет в составе молекулы гидрофобный (4-третоктилофенол) и гидрофильный (без остатков оксида этилена) фрагменты. Благодаря такому строению, Тритон Х-100 относится к универсальным сорбентам.

Саморегенерация пленки Тритон X-100 на «чистом воздухе» не превышает 10 мин без доступа паров НП в около сенсорное пространство. Относительная чувствительность пленки Тритон X-100 при определении бензина в почвогрунтах составляет 5,2; керосина 5,3 Гц·кг/мг. Наиболее вероятным и значительным фактором, мешающим определению НП в почвах, является влажность. Пары воды интенсивно адсорбируются на пленке Тритон X-100 и мешают определению НП. Поэтому при проведении анализа необходимо параллелью измерять влажность исследуемых грунтов и учитывать ее при проведении расчетов.

Зависимость частоты F колебаний пьезосенсора от влажности супеси (W, %) представлена на рисунке 1. Кроме того влажность грунта, его морфологические характеристики влияют на скорость диффузии НП через его слой.

Рисунок 1. Зависимость частоты колебаний пьезосенсора на основе Тритона Х-100 от влажности супеси

Для оценки скорости диффузии паров НП через слой почвогрунтов авторами была собрана лабораторная установка, представленная на рисунке 2.

С помощью собранной установки измеряли скорость диффузии паров бензина через слой супеси с разной влажностью от момента герметизации установки до установления равновесия в верхней части цилиндра в системе «грунт–воздух». Об установлении равновесия в системе свидетельствует изменение частоты колебаний пьезокварца F до 1 Гц.

1 –анализатор газов на основе пьезосенсора; 2 – воздух;3 – супесь; 4 –топливо

Рисунок 2. Экспериментальная установка для исследования диффузии паров топлива через слой грунта

Установлено, что время диффузии паров бензина через слой предварительно высушенной до постоянной массы супеси составляет 1,5 ч. При этом частота колебаний пьезосенсора плавно уменьшается в течение 6 ч до установления равновесия. Скорость диффузии паров бензина через влажный грунт (W = 62 %) меньше и установление равновесия наступает незначительно быстрее. Это согласуется с известными данными о сорбции паров НП частичками грунта, которая снижается при увеличении содержания воды в порах.

Метод пьезокварцевого микровзвешивания характеризуется высокой абсолютной чувствительностью (Δm/ΔF = 10-12 г/Гц). Его главным недостатком является низкая селективность. Для повышения селективности и сорбционной емкости микровесов на основании экспериментальных данных выбирают различные сорбционные покрытия электродов. Для детектирования агрессивных паров легких нефтепродуктов ранее было предложено использовать покрытие на основе многослойных углеродных нанотрубок, характеризующихся высокой устойчивостью, разветвленной удельной поверхностью (а, следовательно, высокой сорбционной емкостью).

Таким образом, в проведенной работе показана перспективность исследования газонасыщения грунтов соединениями различного состава и генезиса с применением пьезосенсорного датчика.

Чувствительность метода пьезокварцевого микровзвешивания и его точность (относительная погрешность не превышает 4 %), экономичность и мобильность датчика позволяют проводить оценку газонасыщенности грунтов в полевых условиях на разной глубине.

Существует и практическая значимость проведенных исследований. Разработанная экспериментальная установка с пьезосенсорами для проведения исследования диффузии паров топлива через слой грунта может использоваться в деятельности экологических служб.

Список литературы:

1. Методы определения утечек топлива. [Электронный ресурс] // Режим доступа:https://1cert.ru/stati/metody-opredeleniya-utechek-i-nezakonnykh-vrezok-v-nefteprovody/ (дата обращения: 20.04.2022).
2. Малов В.В. Пьезорезонансные датчики: монография. М.: Энергоатомиздат, 1989. 272 с.
3. Изучение диффузии паров нефтепродуктов через слой грунта методом пьезокварцевого микровзвешивания / Н. С. Калинин, С. В. Внукова, Ж. Ю. Кочетова // Экологическая безопасность в техносферном пространстве: сб. мат-лов II Всероссийской НПК молодых ученых и студентов (Екатеринбург, 26 04.19 г.) / Рос. гос. проф.-пед. ун-т. - Екатеринбург : РГППУ, 2019. - С. 149-153.