Фотодиссоциация. Как солнце растворяет нефть в морской воде
Оказалось, что 10% и более попавшей в морскую воду нефти может растворяться в ней за счёт фотодиссоциации.
Часть нефтегазовых месторождений находится на континентальных шельфах—бурить скважины и качать нефть приходится в море за много километров от берега. Аварии на буровых и добывающих платформах чреваты серьёзными экологическими катастрофами, когда огромное количество нефти, вплоть до сотен тысяч тонн, попадает в воду.
Аналогичные риски возникают и при транспортировке нефти танкерами через океан—севшие на мель и разломившиеся пополам суда также «окрашивают» море и побережье в чёрный цвет, неся гибель морским обитателям и птицам и надолго отравляя прибрежные экосистемы.
Разливы нефти обычно представляются нам как залитые чёрной жижей побережья. Можно вспомнить печально известную аварию на буровой платформе Deepwater Horizon, которую эксплуатировала компания BP. Тогда в Мексиканский залив попало около 400 тысяч тонн нефти.
Собрать всю разлившуюся нефть не получается практически никогда, поэтому важно понимать, по каким маршрутам нефть «отправляется в путешествие»: что с ней происходит физически, химически, где она накапливается, кому она вредит, кто и как её перерабатывает и т. д.
Реакции окисления, под воздействием солнечного света, может преобразовывать нерастворимые компоненты сырой нефти в море в водорастворимые продукты. Этот процесс называется фотодиссоциаця. Ранее, про фотодиссоциацию никогда не говорили в разрезе разлива нефти.
Как пишут исследователи из Океанографического института в Вудс-Хоуле в статье вScience Advances, существенная часть разлившейся нефти просто растворяется в воде. Но ведь нефть, как и другие гидрофобные жидкости вроде масла, не смешивается с водой? Противоречия здесь нет, поскольку нефть начинает растворяться не сразу, а только после того, как некоторое время будет находиться под солнечным светом.
Дело в том, что солнечный свет, особенно ультрафиолетовая его часть, способен инициировать химические превращения в молекулах углеводородов, например, способствовать их окислению. Когда молекулауглеводорода «обрастает» разными химическими группами, содержащими тот же кислород, у неё существенно повышается растворимость в воде, попросту говоря, она перестаёт «бояться» воды. Поэтому чем дольше нефтяная плёнка на поверхности воды будет находиться на свету, тем больше нефти из неё растворится в солёных морских водах—такой процесс называется фотодиссоциацией. Несмотря на то, что сам эффект фотодиссоциации нефти был известен уже давно, количественные оценки для реальных аварий с разливом нефти до последнего времени почему-то никто не делал. Что ж, по крайней мере теперь они у нас есть: по оценкам исследователей от 3 до 17% разлившейся в 2010 году в Мексиканском заливе нефти растворилось в воде.
Хорошо ли это для экологии? С одной стороны, чем больше нефти растворится в воде, тем меньше её достигнет побережья, тем меньше в ней гибнет птиц и других прибрежных обитателей, и это хорошо. Кроме того, растворённая в воде нефть будет больше доступна всяким водным микроорганизмам, способным её переработать. С другой стороны, пока непонятно, как она будет влиять на морскую флору и фауну, и это тема для новых исследований.
Реакторная система на основе светодиодов, используемая для лабораторного облучения нефти. (A) Схема реактора со светодиодами. Каждый реактор состоит из двух корпусов, внутреннего и внешнего. Во внутреннем корпусе находится алюминиевая платформа разной высоты с гладким стеклянным диском, на который нанесена равномерная масляная пленка толщиной 200 мкм. Масляная пленка находится непосредственно под светодиодным чипом. Во внешнем корпусе находится светодиодный чип, который смонтирован на печатной плате и радиаторе. Силовые провода идут к источнику питания (не показан). При использовании внешний корпус плотно прилегает к внутреннему корпусу. (B) Реакторная сборка, используемая для облучения нефти в этом исследовании, со светодиодами на длинах волн (нм) от УФ-диапазона (278 нм) до красного света в видимой области (629 нм). (C) Относительная спектральная фотонная освещенность для восьми светодиодных чипов, используемых в исследовании.
Энергетический потенциал солнечного света, падающего на поверхность Земли в течение одного часа, примерно соответствует общему потреблению энергии человечеством за целый год. О том, какой материал может может поглощать солнечный свет и использовать его энергию, чтобы преобразовать углекислый газ в топливо читайте статье НиТ