Мұнайдың физика-химиялық қасиеті және оның экожүйеге әсері

Мұнайдың батпақ топырақ  қабатында таралуы жер асты суларының  деңгейімен анықталады. Жер асты суларының мезгіл бойына теңселу амплитудасы мен торф қабатының тығыздығына байланысты. Батпақтардың экологиялық жағдайды тұрақтандыруда маңызы зор. Олар мұнай және мұнай өнімдерінің, улы заттардың «қоймасы» ролін атқарады /11/.

 

1.7. Мұнай және мұнай өнімдерінің топырақта таралуы

Табиғи экожүйеге ұңғымалардан түскен шикі мұнай және мұнай компоненттерінен басқа, мұнаймен әртүрлі қатынастағы  технологиялық препараттар мен  ақаба суларынан тұрады. Осыған байланысты топыраққа әсер етуі мөлшерімен, құрамымен және қасиеттерімен анықталатын кешенді ластағыш зат түзіледі.

Топырақ гетерогендік жүйе болғандықтан оның қасиеттері бұл күрделі  ластағыштың фракционды бөліктерге бөліну сипатын анықтайды. Топырақтың жоғарғы қабатында мұнай қалдықтары қалса, минералды сулар ауыр және тұтқырлығы төмен болғандықтан топырақ горизонтының төменгі бөлігіне жиналады. Мұнай компонеттерінің топырақ қабаты бойымен қозғалысы шайырлы асфальтендердің сорбциясына әкеледі. Топырақтың төменгі горизонтында мұнай компоненттерінің мөлшерімен бірге молекулалық салмағы да кемиді /11, 12/.

Мұнайдың терең горизонтқа дейін ену механизімі гравитациялық  ағумен жүреді.

Мұнаймен ластанған  кезде топырақтың барлық қабатында  органикалық көміртек мөлшері мен  битумдық компоненттердің мөлшері  көбейеді.

1.8. Мұнайдың  топырақтағы табиғи трансформациясы

Тасымалдау немесе сақтау кезінде тасыған және топыраққа  аққан мұнай өзгерісін зерттеу  өздігінен тазалану және қайта қалпына  келу механизімін түсіну үшін керек. Мұнай өзгерісінің сатысын білу мұнаймен ластану ескілігі мен топырақтың қайта қалпына келуін анықтау, ортаның мұнай және мұнай өнімдерімен ластануды бақылау тиімділігін арттырады.  Мұнай құрамына кіретін дербес топ өкілдерінің тотығуы, соның ішінде микробиологиялық тотығу қазіргі таңда жете қаралуда.

Биодеградация кезеңіне байланысты биоценоздың регенерациясы жүреді. Экожүйенің әртүлі бөлігінде  процестер қарқындылығы да әртүрлі болады. Толық қайтымдылық процесі байқалмайды.  Микробиологиялық белсенділіктің күшті тұтануы мұнай биодеградациясының екінші кезеңіне келеді.  Барлық микроорганизмдер тобының бақылау мәніне дейін төмендесе де, көмірсутегі тотықтырғыш организмдер санының көп жылға дейін бақылау мәніне қарағанда ауытқуы сақталады /14/.

Ю.И. Пиковский (1988)  айтуы  бойынша мұнаймен ластанған кезде үш экологиялық фактор әсер етеді: а) әрдайым өзгерісте болатын мұнай құрамының әр қилы компоненттік бірегейлігі, күрелілігі; б) әрдайым даму және өзгеріс процесіндегі кез келген экожүйе құрылысы мен құрамының гетерогендігі, күрделілігі; в) экожүйе тәуелді сыртқы факторлардың өзгерісі мен әртүрлілігі (температура, қысым, ылғалдылық, атмосфера мен гидросфера күйіне және т.б.). Осыған байланысты ластанған топырақ күйін тек осы үш факторларды бірге қарастырып қана бағалауға болады. /14/

Топырақтағы мұнайдың толық өзгеру заңдылығын  зерттей келе  Ю.И. Пиковский (1988) мұнай – көптеген әртүрлі компоненттерден тұратын жоғары ұйымдасқан субстанция екендігін айтады. Ол топырақта өте баяу деградацияланады.

Жер бетінде мұнай  басқа жағдайда – ауа ортасында  болады. Әртүрлі кластың  көмірсутектері негізгі аэробты ортада тотығу механизмі – молекулаларға оттегіні енгізу, төменгі энергиялы байланыстардың жоғарғы энергиялы байланыстармен алмасуы. Осыған байланысты процесс өздігінен жүреді.

Ультракүлгін сәулелену  трансформацияның ең маңызды абиотикалық факторы болып табылады.  Фотохимиялық процестер  ең тұрақты полициклдық көмірсутектерді де бірнеше сағатта ыдыратады.

Топырақтағы мұнайдың ең соңғы метаболиттік өнімі:

1. Карбонат түзетін көмір қышқылы және су.

2. Топырақ гумусына жарым-жартылай кіретін, жартылай суда еритін және топырақ қатпарынан жойылатын оттекті қосылыстар (спирттер, қышқылдар, альдегидтер, кетондар).

3. Жоғары молекулалы өнімдердің тығыздалуының немесе олардың органо-минералды кешендерге байланысуының нәтижесі – қатты, ерімейтін метаболизм өнімдері.
4. Топырақ бетіндегі  мұнайдың жоғары минералды компоненттерінің қатты қабыршағы.

Мұнайдың ыдырау жылдамдығы әртүрлі авторлардың мәліметтерінде бес немесе одан да көп есе айырмашылықтар бар. Белсенді рекультивациялау барысында топырақтың бастапқы өнімділігінің қайта қалпына келуі бір аймақтарда жыл ішінде өтсе, келесі жер топырағында бірнеше жылға дейін созылған.  Мұндай айырмашылық топырақтың климаттық жағдайымен  түсіндіріледі. Яғни, барлық мұнай өндіру, өңдеу және тасымалдау кезінде ластанған топырақ үшін бірыңғай  қорғау және рекультивациялау әдісін ұсынуға болмайды.

Дәлел ретінде, мысалы, мұнайды  жағу  әдісін келтіруге болады. Егер бір аймақ қоршаған ортасы  үшін бұл әдіс аппатты болса, енді біреулерінде жүргізілген мұндай жұмыстар қоршаған ортаны қорғау және қайта қалпына келтіру үшін ғылыми негізделген әдіс болып табылады. Бұл шараның тиімділігін арттыру үшін әрбір ландшафтты аймақтың өздігінен тазарту механизімін, осы процестердің жылдамдығын арттыратын факторларды, мұнайдың, топырақтың өзгеруінің әртүрлі сатыларын сипаттайтын шарттарды және өсімдіктердің қайта қалпына келу жылдамдығын білу қажет. 

Бір мезгілде мұнайда  шайырлы заттар мөлшері өседі. Бұл  басқа компоненттердің мөлшері  азайғандықтан ғана емес, сонымен қатар мұнайдың трансформация процесі кезінде жаңадан түзілу есебінен де жүреді.

Мұнайдың жеке топтық компоненттерінің құрамының өзгерісін  қарастыра отырып,  үш айдан соң  метан-нафтенді фракцияларға  микробиологиялық әсер нышандары байқала бастайды. Изопренді құрылымды қанықпаған көмірсутектер мөлшері көбейеді. Уақыт өте келе осы фракция ішіндегі (С₂₀-С₂₄) көмірсутектер кеміп, ауыр (С₂₇-С₃₁) көмірсутектер саны көбейеді /15/.

Зерттелген көптеген мұнайдың нафтенді-ароматикалық фракциясы  құрамында бірдей полициклды ароматикалық көмірсутек жиынтығы анықталған.  Бұл кең диапазонды алкилді орынбасу құрылысқа ие көмірсутектер. Бақылау жұмыстары мұнайды инкубациялау кезінде топырақ қабатында полициклды ароматикалық көмірсутектердің барлық топтарының фракцияларының төмендеуін көрсеткен. Құрылысында аз ядролы көмірсутектер – нафталин, бензфлоурен, фенантрен, хризен мөлшері тез төмендейді.Тек осы көмірсутектер тобы ішіндегі ең тұрақты пирен мөлшері баяу кемиді /15/.

Сонымен, биосфераның  мұнай және мұнай өнімдерімен ластану проблемасы дүние жүзінің негізгі экологиялық проблемаларының бірі.  Мұнай және мұнай өнімдері жай және қауіпсіз заттарға дейін ыдырай алса да, қажетті шараларсыз бұл процесс өте ұзақ уақытқа созылады.

 

1.9. Мұнай және  мұнай өнімдерімен ластанған топырақтың биодинамикасы

Топырақтағы мұнай өзгерісінің  деградация жылдамдығы мен бағыты негізгі  үш факторға тәуелді: микробиологиялық, физикалық және химиялық. Бұл процестер  бастапқы мұнай  қасиеті мен сапасының  толық өзгерісіне әкеледі /16/.

Микробиологиялық процестер мұнайдың минералдануына және тотығуын қамтамасыз етеді. Метанды көмірсутектер бактериологиялық ыдырау өнімі болып гидрофильді, органикалық еріткіштерде жақсы еритін жаңа өнімдер болуы мүмкін.

Физикалық процестер  жеңіл фракциялардың булануымен, кейбір көмірсутектер бөліктерінің шайылуымен жүреді. 

Химиялық процестер  негізгі үш өнімнің түзілуі арқылы жүзеге асады. Олар – суда еритін қосылыстар, асфальтенді-шайырлы қосылыстар және органикалық еріткіштерде аз еритін немесе ерімейтін өнімдер, мысалы оксикериттер және гуминокериттер /14/.

Мұнайдың топырақта  биодеградациялануы ең бірінші микроорганизмдер қатысында жүреді. Топыраққа түскен мұнай көмірсутектерімен жүретін  күрделі микробиологиялық процестерді  зерттеу бұл процестерді бақылап, келесі ластанудың аладын алуға себебін тигізеді.

Мұнаймен ластану нитрификация процесін тежейді. Мұнаймен ластанған  топырақта минералдану процесі  белсенді жүреді. Оны органикалық  азотты утилизациялайтын бактериялар  санына қарағанда азоттың минералды  формасын пайдаланатын бактериялар санының көбеюі дәлелдейді.

Топырақта өзіндік биохимиялық  процестерді автоматты түрде  реттейтін компенсациялау механизімі қалыптаса бастайды. Мысалы, ластанған топырақта  C:N қатынасының өсуін  азот айналымының қысқа тұйықталған циклмен  өтуі компенсациялайды.

Кейбір зерттеу жұмыстары  ластанған топырақта көп ферменттер белсенділігінің төмендегенін көрсетті. Ластану дәрежесіне қарамастан каталаза, уреаза, гидролаза, протеаза, нитратредуктаза  ферменттерінің белсенділігі төмендейді. Дегидрогеназа белсенділігі артады. Егер нитратредуктаза белсенділігі төмендесе, оның тазарту жұмыстарынан кейін екі жылдан соң да қайта қалпына келмеуі мүмкін /17/.

Топырақтық ферменттердің  белсенділігінің төмендеуі мұнай  әсерінен мезофауна мен микрофлораның  жойылуымен байланысты /18/.

Топырақтың дем алуы да мұнай және мұнай өнімдерімен  ластануға тез әсер етеді. Бірінші  периодта микрофлора көп мөлшердегі көмірсутектермен тежелгенде, топырақ  дем алуы төмендейді. Микроорганизмдер саны көбейген сайын дем алу қарқындылығы жоғарылайды.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

II. МАТЕРИАЛДАР МЕН ӘДІСТЕР

 

2.1. Материалдар

Топырақ. Зерттеуге алынған топырақ сынамалары Ақтөбе облысы Темір ауданында орналасқан Кенкияқ кен орнының аумағында №6 цехынан екі шақырым оңтүстікке қарай №1621 ұңғыма маңынан (1-сынама), осы ұңғымадан 1 км қашықтықтан (2-сынама), 3 км қашықтықтан (3-сынама) және осы ұңғымаға жақын орналасқан тұрғын ауыл маңынан (4-сынама) күз мезгілі, қырқүйек айында алынды.

 

Мұнай. Микроорганизмдерді өсіру кезінде пайдаланылған мұнай Ақтөбе облысы Темір ауданында орналасқан Кенкияқ кен орнының аумағында №6 цехынан екі шақырым оңтүстікке қарай №1621 ұңғымадан алынды. r_20ºС =0,9158 г/см3, тұтқырлығы 96,5 сСТ,  механикалық қоспа         0, 67%, парафиндер 0,98%

 

2.2. Зерттеу  әдістері

Топырақтағы мұнай және мұнай өнімдерінің мөлшерін анықтау гравиметриялық әдіспен анықтау. Мұнайды топырақтан хлороформмен экстракциялайды, содан соң хлороформды сығындыдан гексанмен экстракциялайды.

Ол үшін 30 г тұрақты  массаға дейін кептірілген топырақты 150 мл колбаға салып хлороформмен ылғалдайды. Содан соң бірнеше рет 10-15 мл хлороформмен түссіз экстракт пайда болғанша экстракциялайды. Алынған сығындыны сулы моншада кептіреді. Экстрактты тазарту үшін биіктігі 12-15 см, диаметрі 1 см бағана дайындайды.  Бағана түбіне қалыңдығы 1см шыныталшық қойып, бағананы 600⁰С 4 сағат ішінде сусыздандырылған  алюминий оксидімен толтырады. Мұнайдың мөлшеріне қарай 2-8 см биіктікте орналастырады. Дайын бағананы штативке орнатып, ішіндегісін 3-5 мл гексанмен ылғалдайды. Бағананың астына алдын ала өлшенген 50 мл стакан қояды.

Хлороформы ұшып кеткен тұнбаны 5-10 мл гександа ерітіп, бағанаға көшіреді. Сүзу біткен соң 2-3 мөлшер гексанмен (2-3 мл) шаяды. Гександы мұнайдың ерітіндісін  полярлық қосылыстардан тазартқан  соң, бөлме температурасында ауа ағынымен кептіреді. Гексан толық ұшқан соң стаканды аналитикалық таразыда өлшеп, мұнай және мұнай өнімдерінің топырақтағы мөлшерін келесі формуламен анықтайды:

 

мұндағы С – топырақтағы мұнай концентрациясы, мг/кг;

   а – мұнайы бар стакан массасы, мг;

   b – бос стакан массасы, мг;

  с – зерттеуге алынған сынама массасы, г;

 

1. Хлорид иондардың эквиваленттік мөлшері, ммоль/100 г:

 

с – AgNO₃ концентрациясы, н;

V –  титрлеуге кеткен AgNO₃ көлемі, мл;

500 – ммольді 100 г топыраққа есептегендегі коэффициент;

V₁ – сулы сығынды көлемі, мл.

Хлорид-иондардың топырақтағы  проценттік мөлшері:

 

X₁=C·0,0355

С  - топырақтағы хлорид-иондардың  эквиваленттік мөлшері, ммоль/100 г;

0,0355 – процентке аударғандағы  коэффициент.

 

Топырақтың  сулы сығындысындағы сульфат ионы мөлшерін анықтау. Сулы сығынды  МЕСТ 26423-85 бойынша дайындалады. 1 мл сығындыны 10 мл BaCl₂ – мен тұндырып КФК-3 калориметрінде толқын ұзындығы l=315 нм өлшейді. SO₄^-2 мөлшерін градуирлік график                  (2-қосымша) арқылы табады, мг/дм³ /35/.

 

Топырақтың  сулы сығындысындағы кальций және магний иондары мөлшерін кешен түзу әдісі  бойынша  анықтау. Сулы сығынды  МЕСТ 26423-85 бойынша дайындалады.

Жұмыс барысы

Пипеткамен  10 мл сулы сығындыны  құйып, үстіне араластыра отырып 50 мл дистельденген су құяды. 0,5 мл 5% гидрохлоридтің гидроксаламин ерітіндісін, 2 мл 2 н NaOH, натрийдің диэтилтиокарбоматының бірнеше кристалдарын және 5 тамшы 0,5% көк хром қышқылы ерітіндісін қосады.  Бюретканы 0,05 н Трилон Б толтырып, ерітінді түсі ашық қызыл түстен ашық күлгін түске өткенше титрлейді. 

Содан соң титрленген ерітіндіні 1:4 сұйылтылған тұз қышқылымен   бастапқы ашық қызыл түске келгенше нейтралдайды. 5 мл хлоридті аммиакты буферлік ерітінді қосып, магнийді трилон Б ашық қызыл түстен көк түске өткенше титрлейді /36/.

Дәл осылай бос сынаманы титрлейді.

Нәтижелерді өңдеу:

1. Сa⁺², Mg⁺² иондардың эквиваленттік мөлшері, ммоль/100 г: