Аспекти використання газоподібних сорбованих вуглеводнів в еколого-гідрогеологічному моніторингу

К. Е. питна, Московський державний університет

Вступ

Одна з істотних завдань еколого-гідрогеологічного моніторингу - виявлення універсального індикатора вогнищ техногенного впливу на природні середовища. Для районів нафтогазових родовищ в якості індикаторів техногенних навантажень на природні середовища нами досліджуються газоподібні сорбованих вуглеводні та "інші" гази.

Вперше запропоновано використовувати разом з сорбованих газами порід також і сорбованих вуглеводневі гази водних середовищ - підземних, поверхневих вод, стоків.

Вибір сорбованих вуглеводневих газів обумовлений: меншою, в порівнянні з іншими компонентами, трудомісткістю їх аналізу (використовується метод хроматографії); економічністю транспортування проб (водні проби транспортуються у вигляді сухих залишків); геохімічної інертністю, що визначає збереження техногенного складу проб.

Закономірності розповсюдження сорбованих вуглеводневих газів вивчені для порід і не досліджені для водних середовищ.

Вуглицеводневі гази безпосередньо у водних середовищах сорбуються колоїдами (гідроксиди заліза, алюмінію і нафтових компонентів), вуглисті речовинами, бітумами. При отриманні сухого залишку додатково відбувається сорбція розчинених у воді вуглеводнів мінеральними твердими з'єднаннями. Температурні умови випарювання (+800 С) забезпечують збереження сорбованих вуглеводнів в сухому залишку, що дозволяє використовувати при екологогідрогеологіческом моніторингу сорбованих форму вуглеводневих газів, приурочену до літосфері, гідросфері, техносфери.

Наявність адсорбованих вуглеводнів у водних середовищах обумовлено фізичної сорбції за допомогою сил міжмолекулярної взаємодії, при якому відбувається компенсація сорбіруемимі вуглеводневим молекулами вільних зв'язків заряду сорбенту, що володіє значними поглинаючими властивостями. Механізм процесу фізичної сорбції за моделлю Ван дер Вальсу пояснюється орієнтаційний, індукційним і дисперсійним ефектами, які призводять неполярні молекули вуглеводнів (їх дипольний момент дорівнює нулю) до поляризації. Остання забезпечує притягання молекул вуглеводнів до поверхневого шару породи, колоїдів, сухого залишку. При орієнтаційного ефекті поляризація молекули вуглеводню виникає в результаті неспівпадіння центрів ваги позитивних та негативних зарядів, і молекули, у разі близькості один до одного різнойменних зарядів, притягуються, а однойменних - відштовхуються. Молекули мають обертальними ступенями свободи. При їх обертанні диполі утримуються в паралельних положеннях з орієнтацією на мінімальну потенційну енергію, достатню для притягання молекули до сорбенту.

Індукційний ефект сили тяжіння полягає в поляризації молекули вуглеводню, індукований іншим зарядженим тілом. У молекулі вуглеводню виникає дипольний момент, що обумовлює її тяжіння до сорбенту. Виник дипольний момент індукує наступні, чим і забезпечується процес сорбції.

Дисперсійний ефект заснований на миттєвої поляризації молекули вуглеводню, постійно коливається за величиною і напрямком випромінюванням світла.

Адсорбція зростає:

-- зі збільшенням дипольного моменту молекул вуглеводнів, тобто - ступеня їх поляризації;

-- в міру подовження ланцюга вуглецевих атомів;

-- в міру збільшення молекулярної ваги і діаметра молекул вуглеводнів;

-- зі збільшенням температури кипіння.

Досліджувані вуглеводні представлені метаном (CH4) і його граничними (Етан - С2Н6, пропан - С3Н8, бутан - С4Н10, пентан - С5Н12 тощо) і ненасичених (етилен - С2Н4, пропилен - С3Н6, бутилен - С4Н8 та ін) гомологами. Всі вони неполярні молекули; неграничні відрізняються від граничних наявністю однієї подвійного зв'язку між атомами вуглецю в їх молекулах.

При подовженні ланцюга вуглецевих атомів зростають молекулярна вага, діаметр молекул граничних і ненасичених вуглеводнів, їх температури кипіння і плавлення.

Всі вуглеводні володіють сорбционной здатністю, пропорційної температурі їх кипіння, 0С: n-C5H12> n-C4H10> C4H8> C3H8> C3H6> C2H6> C2H4> CH4 +36.07 -0.5 -6.3 -42.1 -47.7 -88.6 -103.8 -164 Розчинність граничних вуглеводнів більше ніж ненасичених; серед граничних вона найменша у метану; в цілому максимальна в неполярних рідинах; в дистильованої води і нафтах більше, ніж у водних розчинах.

Вуглеводні геохімічних інертні; їх реакційна здатність збільшується при підвищених тисках, температурах і на світлі. Найбільш відчутними є наступні процеси:

-- Процеси приєднання до ненасичених вуглеводнів хлору, брому та інших компонентів, обумовлені наявністю в них неміцною подвійного зв'язку.

-- Процеси заміщення атомів водню граничних вуглеводнів.

-- Окислення граничних і ненасичених вуглеводнів з утворенням вуглекислого газу і води.

-- Процеси полімеризації молекул ненасичених вуглеводнів внаслідок розриву подвійного зв'язку.

-- Процеси ізомеризації молекул граничних вуглеводнів в молекули розгалуженої будови.

-- Процеси дегідратації граничних вуглеводнів з утворенням молекул ненасичених вуглеводнів і водню.

-- Процеси розкладу метану під впливом водяної пари або вуглекислого газу з утворенням водню та окису вуглецю.

-- Процеси окислення вуглеводнів і відновлення мінералів при взаємодії вуглеводнів з мінералами, що містять пов'язаний кисень.

В цілому, швидкості протікання процесів, що вимірюються концентрацією вуглеводнів за час t (V dC dt =) незначні. Константа розпаду K (для вуглеводню, розпадається за 1 секунду при 5000С):

С4Н10 (1