Влияние паров нефти на рост и развитие растений

Ежегодно по различным оценкам в атмосферу планеты выбрасывается 50. 90 млн. т углеводородов. Значительная часть этих выбросов приходится на предприятия нефтеперерабатывающей и нефтегазодобывающей отраслей промышленности. Удельные потери углеводорода за счет их испарения на нефтеперерабатывающих заводах (НПЗ) различных стран мира составляют 1,1. 1,5 кг на 1 т продукта. Только в России в 1998 г. выбросы углеводородов в атмосферу при добыче и переработке нефти составили 1168 тыс. т.

Значительное загрязнение атмосферного воздуха парами нефтепродуктов происходит при заполнении и опорожнении резервуаров нефтехранилищ при так называемых "дыханиях" резервуаров. С момента добычи до непосредственного использования нефтепродукты подвергаются более чем 20 перевалкам, при этом 75 % потерь происходит от испарений и только 25 % — от аварий и утечек. Основная масса "дышащих" резервуаров сосредоточена на нефтепромыслах, нефтеперекачивающих станциях и в резервуарных парках нефтеперерабатывающих заводов. Па долю резервуарных парков приходится примерно 70 % всех потерь нефтепродуктов на НПЗ. В 1998 г. потери нефтепродуктов за счет "больших дыханий" составили по нефтеперерабатывающей отрасли России примерно 270 тыс. т.

Загрязнение атмосферы парами нефти и нефтепродуктов происходит также при наливе автомобильных и железнодорожных цистерн на эстакадах и при заправке автомашин на АЗС. Удельные потери нефтепродуктов при наливе железнодорожных цистерн в несколько раз превышает потери из резервуаров. Суммарная резервуарная емкость автозаправочных станций по данным на 1998 г. составляет около 240 млн. м3. За год через эти мощности реализуется около 130 млн. т различных нефтепродуктов. По расчетным данным автозаправочные станции России выбрасывают в атмосферу в течение года более 140 тыс. т паров углеводородов, автозаправочные станции Германии — 145 тыс. т, Англии — 120 тыс. т. Потери углеводородов при "больших дыханиях" вызваны сжатием паровоздушной смеси (ПВС) в газовом пространстве (ГП) резервуара поступающим в него жидким нефтепродуктом. Когда давление в ГП достигнет некоторого предельного значения, происходит выброс части ПВС в атмосферу через специальный "дыхательный" клапан.

Потери от "больших дыханий" определяются рядом факторов: объемом, температурой и газонасыщенностью закачиваемого в резервуар нефтепродукта, концентрацией паров нефтепродукта в ПВС, давлением в ГП. Содержание паров в ГП повышается в процессе заполнения резервуара, однако основная масса паров углеводородов накапливается в ГП в период хранения нефтепродукта в резервуаре. Среднегодовые потери от "больших дыханий" составляют около 0,14 % от объема хранимого нефтепродукта.

В связи с выше изложенным, изучение влияние нефтяных паров на растения наиболее актуально. Поэтому целью нашей работы было выявить степень влияния нефтяных паров на рост и развитее растений.

Нефть – горючая, маслянистая жидкость, Преимущественно темного цвета, представляет собой сложную смесь различных углеводородов.

Фракционный состав нефти:

Это важный показатель качества нефти, он определяется при промышленной перегонке нефти, где используют схемы с однократным испарением и дальнейшей ректификацией.

Фракции, выкипающие до 350 ос – светлые фракции (отгоняются при атмосферном давлении)

Н. к. – 140 ос - бензиновая фракция

140 – 180 ос – лигроиновая фракция (тяжелая нефть)

140 – 220 ос (180 – 240 ос) – керосиновая фракция

180 – 350 ос (220 – 350 ос, 240 – 350 ос) – дизельная фракция

Остаток после вскипания светлых фракций, выше 350 ос называется мазутом (разгоняют под вакуумом) с получением следующих фракций:

1. для получения топлив

350 – 500 ос – вакуумный газойль

Выше 500 ос – гудрон

Мазут и полученные из него фракции, называют темными.

Химический состав нефти:

Основные химические элементы входящие в состав нефти: в нефти содержится 82 – 87% углерода, 11 – 14% водорода (по весу), кислород (0,05 – 1,8%), углекислый газ, сера ( 0,1 – 7,0%), в небольших количествах хлор, йод, фосфор, мышьяк, никель, железо, натрий, калий.

В нефти встречаются следующие группы углеводородов:

Алканы (30-50%) – с общей формулой СnH2n+2. Преобладают углеводороды метанового ряда (метан CH4, этан C2H6, пропан C3H8 и бутан C4H10), находящийся при атмосферном давлении и нормальной температуре в газообразном состоянии. Пентан С5Н12 , гексан С6Н14 и гептан С7Н16 неустойчивы, легко переходят из газообразного состояние в жидкое и обратно. Углеводороды от С8Н18 до С17Н36 – жидкие вещества (С5 - С15 – содержатся в бензиновых и средних дистиллятных фракциях). Углеводороды, содержащие больше 17 атомов углерода – твердые вещества (парафины) (содержатся в тяжелых фракциях). С повыщением средней молекулярной массы фракций нефти, содержание алканов в них уменьшается.

Олефины (алкены) содержатся в небольшом количестве, их формула СnH2n.

Циклоалканы (25-75%) содержатся во всех нефтях, входят в состав всех фракций. Циклопропан и циклобутан – в нефтях не обнаружены. Моноциклические циклоалканы - гомологи циклопентана и циклогексана – входят в состав бензиновой и керосиновой фракций;

Ароматические углеводороды (арены) (10 – 20%) содержаться в нефти в меньшем количестве, чем алканы и циклоалканы, формула Аренов CnH2n-6. Чем тяжелее нефть, тем больше аренов.

Циклоалканоарены (нафтеноароматические углеводороды)

Кислородсодержащие соединения представлены фенолами (0,01-0,05%), кислотами (0,01-4,0%), кетонами и эфирами, их много в высококипящих фракциях.

Азотистые соединения (3%) – содержание азота в нефтяных фракциях увеличивается с повышением их температуры кипения. Наибольшее количество азота находиться в тяжелых остатках.

Сернистые соединения 70 - 90% в остатках – мазуте и гудроне.

Асфальто–смолистые вещества – асфальтены 1,4-4,2%, смолы 10 – 12%.

Свойства нефти и нефтепродуктов: нефть и нефтепродукты характеризуются показателями следующих физических свойств:

Плотность – является параметром, характеризующим химическую природу входящих в нее веществ, товарного качества нефти и колеблется от 0,820 до 0,900 г/см3. Плотность нефти зависит от глубины залегания (уменьшается с увеличением глубины залегания). Плотность – масса единицы объема тела, т. е. отношение массы тела в состоянии покоя к его объему. Единица измерения плотности в системе СИ выражается в кг/м3. Измеряется плотность ареометром. Ареометр – прибор для определения плотности жидкости по глубине погружения поплавка (трубка с делениями и грузом внизу). На шкале ареометра нанесены деления, показывающие плотность исследуемой нефти.

Вязкость – Свойство жидкости оказывать сопротивление перемещению одних ее частиц относительно других и характеризует она прокачиваемость нефти при транспортировании ее по трубопроводам и зависит от химического и фракционного состава.

Чем выше температура вскипания нефтяной фракции, тем выше ее вязкость. Различают условную, динамическую и кинематическую вязкость Условная вязкость – величина, которая выражается отношением времен вытекания определенного объема воды и нефтепродуктов из стандартного прибора. Кинематическая вязкость – отношение динамической вязкости к плотности жидкости при температуре определения. Вязкость очень сильно зависит к плотности от температуре определения. Вязкость очень сильно зависит от температуры ее определения.

Молекулярная масса нефти – широко используется при определении химического состава узких нефтяных фракций. Она зависит от соотношения отдельных углеводородов, температуры и фракций. Средняя молекулярная масса большинства нефтей равна 200 – 300. Молекулярная масса нефтяных фракций тем больше, выше их температура кипения.

Давление насыщенных паров – давление, развиваемое парами при данной температуре в условиях равновесия с жидкостью. ДНП нефти характеризует их испаряемость, наличие в них легких компонентов, растворенных газов. ДНП резко увеличивается с увеличением температуры. Большое значение при транспорте и хранении нефти в зимних условиях имеет подвижность при низких температурах. Температура, при которой нефть в стандартных условиях испытания теряет подвижность, называется температурой застывания. Потеря подвижности может быть вызвана повышением вязкости нефти, или образованием множества парафинов и загустеванием всей системы.

Температура плавления – Температура, при которой нефть из твердого состояния переходит в жидкое.

Температура вспышки – называется температура, при которой нефть, нагреваемая в стандартных условиях, выделяет такое количество паров, которое образует с окружающим воздухом горючую нефть, вспыхивающую при поднесении к ней пламени. Температура вспышки нефти тесно связана с температурой ее кипения. Чем легче фракция нефти, тем ниже ее температура вспышки. Для определения температуры вспышки характерно, что смесь вспыхивает и сейчас же гаснет. Если продолжить нагревание нефти, можно вновь наблюдать вспышку паров, при этом вспыхнувший продукт будет гореть в течение некоторого времени. Соответствующая этому температура называется температурой воспламенения.

Если нефть нагреть до высокой температуры, а затем привести соприкосновение с воздухом, то она может самопроизвольно воспламеняться (температура самовоспламенения). Температура самовоспламенения зависит от химического состава.

Оптические свойства, по этим свойствам можно судить о содержании в них асфальто–смолистых веществ. К оптическим свойствам относят цвет, лучепреломление и оптическая активность. Нефти встречаются от светло – желтого до темно – коричневого и черного цвета. Легкие нефти (плотность 0,79-0,82 г/см3) имеют желтую окраску, нефти средней плотности (0,79-0,82)- янтарного цвета и тяжелые нефти – темно-коричневые и черные. Цвет нефти и нефтепродуктам придают асфальто-смолистые вещества и некоторые непредельные ароматические углеводороды.

Токсичность и санитарно – гигиенические характеристики алкеновых алкадиеновых и алкиновых углеводородов.

Алкены- токсичные для человека и животных веществ. При этом их действие сказывается не сразу, а через некоторое время. Алкены проявляют сильные наркотические свойства (но менее сильнее, чем алканы). Их действие увеличивается с ростом углеродной цепи. Высшие алкены (гексен, гептилен) наряду с наркотическим обладают и судорожным действием; слабо раздражаю дыхательные пути. Акены, имеющие разветвленную углеродную цепь (изо строение), обладают более слабым действием.

Алкадиены, как наркотики, действуют несколько сильнее, чем алкены с тем же числом углеродом атомов. При увеличении числа углеродных атомов их действие усиливается, а при разветвлении цепи - ослабевает.

В газообразном и парообразном состоянии алкадиены раздражают слизистые оболочки гораздо сильнее, чем алкены и алканы. При высокой концентрации в воздухе дивинила ощущается головокружение, общая слабость, наблюдается бледность кожных покровах, частый пульс (тахирардия). Возможно рвота. В более тяжелых случаях – потеря сознания. Аналогично действие изопрена.

Алкины по токсическому действию изомерные с ними алкадиены. Наркотическое действие также усиливается с увеличением числа углеводородных атомов. Средние члены гомологического ряда алкинов сказывают заметное судорожное действие. Например, ацетилен- слабый наркотик. В смеси с воздухом он вызывает удушье, вследствие уменьшения содержания кислорода во вдыхаемом воздухе. При значительной концентрации ацетилена возможно потеря сознания и паралич дыхания.

Санитарно-токсические характеристики этих углеводородов приведены в таблице.

Санитарно- токсические характеристики непредельных углеводородов (алкенов, алкадиенов, алкинов).

алканы а г/л ПДКр3 мг/м3 ПДКМ. Р ПДКв АД50

мг/м3 мг/л мг/кг

Этилен (Этен) 0,32 (0 0с) 100 3 0,5 -

Пропилен (пропен) 0,84 100 3 0,5 -

Бутилен П. р* 150 3 0,2 -

Изобутилен (2метилбутадиен) Н. р. ** 100 - 0,5 -

Дивинил (бутадиен 1. 3) 3,76 (20 0с) 100 3 0,05 -

Изопрен (2-метилбутадиен-1. 3) 3,1*10-4 40 - 0,005 -

Ацетилен (этил) П. р. 0,3 - - -

Винилацетилен (бутен-1-ин-3) 5,9(20 0с) 20 - 0,5 -

• плохо растворим *

• Нерастворим **

Токсические и санитарно – гигиенические характеристики ароматических соединений с одним бензольным ядром.

Ароматические углеводороды при попадании в атмосферу (в виде паров) и в сточные воды ( в виде жидкости) представляют большую опасность для жизни людей, животных, растений и микрофлоры водоемов.

Пары ароматических углеводородов в высоких концентрациях обладают выраженным наркотическим действием (отличающимся от действия хирургических наркотиков). Продолжительность наркотического действия увеличивается с удлинением и разветвлением боковой цепи, связанной с бензольным ядром. Однако действие паров при остром отравлением изменяется менее закономерно. чем пи действии других углеводородов. Например, толуол несколько ядовитее бензола, но уступает т в этом отношении этилбензолу.

Хроническое отравление ароматическими углеводородами характеризуется поражением ряда внутренних органов и систем – нервной. сосудистой и др. , а также печени. Особенно характерны изменения в кроветворной системе. Так. пи отправлении бензолом отличается поражением костного мозга. Действия на кроветворные органы алкибензолов выражаются значительно слабее.

Ароматические углеводороды оказывают раздражающее действие на кожу и слизистые оболочки. Такое действие возрастает по мере увеличения числа метильных групп – от бензола к триметилбензолу. В то же время ароматические углеводороды с четырьмя метильными группами действуют слабо. Разветвление боковых цепей и их ненасыщенность увеличивают раздражающее действие.

В таблице приведены санитарно – токсические характеристики некоторых ароматических углеволородов с одним бензольным ядром.

Санитарно – токсические характеристики некоторых ароматических углеводородов с одним бензольным ядром.

Бензол и его гомологи а г/л ПДКр3 мг/м3 ПДКМ. Р ПДКв мг/м3 мг/м3

Бензол 0,72 (20 0с) 15 1,5 0,5 4600

Толуол 0,57 (16 0с) 50 0,6 0,5 -

Этилбензол 0,44 (15 0с) 1 0,02 0,01 -

м-Диэтилбензол 10 10 - 0,04 -

Ксиол (смесь изомеров) 0,13 ( 22 ос) 50 0,2 00,5 -

Пропил бензол 0,017 (15 0с) - - 0,2 -

Изопропилбензол (кумол) 861,8 50 0,014 0,1 -

М-Дизопропилбензол - 50 - 0,05 -

Бензол (1-фенилбутан) П. р. - - 0,1 -

Винилбензол (стирол) 0,123 (20 ос) 20 0,04 0,1 -

Материалы и методы исследование

В качестве растения-индикатора мы использовали овес – растение из семейства злаковых. Как и все злаки устойчиво к нефтяному загрязнению, поэтому, если нефтяное загрязнение оказывает заметное влияние на данное растение, то на растения других семейств оно будет влиять несомненно. К тому же, овес быстро растет и имеет прямостоячий стебель, что позволяет снизить время эксперимента и упрощает методику измерения роста растений.

Пластиковые стаканы заполнялись универсальным грунтом, массой 100 г. В каждый стакан высевалось по 10 семян овса. Нефть наливалась в фарфоровые чашки.

№ пробы Кол-во нефти (мл)

1, 2, 3 1

4, 5, 6 2,5

7, 8, 9 5

10, 11, 12 7,5

13, 14, 15 10

16, 17, 18 контрольные

Стаканы и чашки помещались в пластиковые пакеты для сбора нефтяных паров. С момента прорастания семян измерялся рост каждого ростка, и отмечалась всхожесть в каждом из стаканов. Измерения производились с 8. 10. 2006 г. по 7. 11. 2006 г.

Результаты и обсуждение

Поскольку замеры проводились не в определенном порядке (между измерениями проходило различное количество дней) нами были усреднены значения прироста по формуле: средний прирост = прирост по дням замеров/количество дней между замерами. По результатам была построена диаграмма:

По графику среднего прироста видно, что максимальный рост ростков овса наблюдается в контрольной пробе. При воздействии паров нефти объемом 1 мл. рост резко снижается в среднем на 32 %. Причем в первые дни исследований отставание в росте гораздо выше (62 %), в последующие дни рост в пробе приближается к значению 32 %. Проба 2, в которой воздействуют пары нефти объемом 2,5 мл. рост овса значительно улучшается, но не достигает значений контрольной пробы и составляет в среднем 82 % от контрольных значений. В пробах 3-5 рост овса снижается в прямой зависимости от объемов внесенной нефти. В целом наблюдается негативное воздействие нефти на рост ростков овса.

Рассчитав средний прирост ростков овса (изменение длины ростка от измерения к измерению) мы построили график:

По графику видно, что в первые дни исследований наибольший прирост наблюдается в пробе 3 (5 мл. нефти), на втором месте контрольная проба, почти не отстает от нее прирост в пробе 2 (2,5 мл. нефти). В третье измерение контрольная проба выходит на первое место. В пробе 2 (2,5 мл. ) наблюдается отпад растений. По среднему значению в контрольной пробе прирост составляет почти 11 см. , в остальных пробах прирост снижается в соответствии с объемом добавленной нефти.

По графику всхожести семян в пробах видно, что в контрольной пробе всхожесть максимальная и составляет 70 %. В пробах, в которых было влияние нефтяных паров, всхожесть семян резко снижается. По всей видимости, это связано с дыханием семян, что приводит к накоплению нефти в семенах, что отражается на всхожести и на дальнейшем росте овса. При этом пробы 1 и 2 (с 1 мл. и 2,5 мл. нефти соответственно) имеют примерную всхожесть равную 36 %.

Полученные данные говорят о том, что небольшие количества нефтяных паров в первые дни улучшает рост растений, но негативно воздействует на всхожесть семян. В последующие дни негативное влияние нефти резко возрастает, что связано с ее накоплением в органах растений. По всей видимости, нефть имеет предельную концентрацию, влияющую на рост и развитие растений. При достижении предельной концентрации влияние нефти становится негативным и приводит к быстрой гибели растений. Наши исследования влияния паров нефти на растения в целом отражают картину, наблюдаемую нами при исследовании нефтяного загрязнения почвы и его влияния на растения. В прошлых исследованиях нефть, внесенная в почву, позитивно влияла на растения, если ее концентрация была ниже 1 %. Измерить процентное соотношение паров нефти, к сожалению, не представляется возможным в условиях нашей лаборатории, но мы можем предположить, что подобная картина свойственна как для сырой нефти, так и для ее паров.

1. Пары нефти отрицательно влияют на рост и развитие растений.

2. В пробах с низким содержанием паров нефти (до 2,5 мл. внесенной нефти) улучшается рост растений, но снижается всхожесть. В пробах с более высоким содержанием паров нефти рост растений резко снижается.

3. Пары нефти особо негативно влияют на всхожесть растений, что связано с дыханием семян и накоплением предельных концентраций нефти до прорастания. Такая зависимость является прямой.

4. Наблюдаемая нами картина повторяет исследования влияния нефтяного загрязнения почвы на рост растений, что говорит о равноценном негативном влиянии как самой нефти, так и ее паров.