不同水温下Cold Lake Blend稀释沥青风化速率研究：环境因素影响及生态风险评估

《Environmental Science: Advances》：Rate of weathering of Cold Lake Blend diluted bitumen at different water temperatures taking into consideration uncontrolled environmental factors

本文系统研究了Cold Lake Blend (CLB) 稀释沥青在不同海水温度(4°C, 10°C, 15°C, 25°C)下的风化规律，通过微宇宙实验揭示了温度对油品理化性质(密度、粘度)和化学成分(饱和烃、芳香烃)演化的关键影响，为加拿大水域溢油应急决策提供了重要科学依据。

　　

引言

加拿大阿尔伯塔油砂日产量约200万桶，其中超过80%出口至美国。随着Trans Mountain管道扩建工程的完成，每年将有60万桶稀释沥青通过油轮运输至亚太市场。Cold Lake Blend (CLB) 稀释沥青由70%沥青和30%凝析油组成，其风化过程中的理化性质变化直接影响溢油响应方案的选择。目前缺乏针对加拿大领海水温范围的系统研究数据，本研究通过温控环形水槽实验填补了这一空白。

实验方法

研究采用CLB冬季调和油品，在贝德福德海洋研究所的环形水槽中进行微宇宙实验。水槽容积1.31立方米，通过循环泵系统维持20.7±0.4 cm s^-1的水流速度。实验设置4个温度梯度(4°C, 10°C, 15°C, 25°C)，使用漂浮微宇宙装置保持1.5毫米油膜厚度。在每个时间点(0, 6, 24, 48, 72, 96, 168小时)采集三重样品，测定密度、粘度及化学成分变化。

采用改进的Monod型模型描述风化动力学：

密度模型：ρ = ρ₀+ (ρ_f- ρ₀) × [tⁿ/(T_dⁿ+ tⁿ)]

粘度模型：ν = ν₀+ (ν_f- ν₀) × [tⁿ/(T_vⁿ+ tⁿ)]

化学分析通过气相色谱-质谱联用(GC-MS)完成，采用SLB?-5ms色谱柱，以内标法定量饱和烃(C₁₀-C₃₅)和芳香烃(2-6环)含量，均以17α, 21β-藿烷为保守标记物进行标准化。

结果与讨论

理化性质变化：未风化CLB初始密度0.9281±0.0064 g cm^-3，粘度300±30 cSt。所有温度下最显著的理化性质变化均发生在前48小时内。25°C时密度最终值达0.985 g cm^-3，粘度超过5000 cSt，而4°C时变化幅度最小。模型拟合优度R²>0.85，参数n均小于1，表明理化性质初期快速变化特征。

统计分析显示，水温与油品理化性质变化显著相关(p<0.05)，同时不可控环境因素(风速、气温)也通过温度协同作用影响风化进程。尽管风速变化范围有限(表S1)，但其与空气边界层的相互作用仍对蒸发过程产生间接影响。

化学成分演化：饱和烃C₁₀-C₁₉在168小时风化后百分比下降分别为：4°C(16%)，10°C(34%)，15°C(42%)，25°C(57%)。正癸烷(C₁₀)在25°C时损失达95%，而正十九烷(C₁₉)仅25%。芳香烃中萘及其甲基同系物损失最为显著，25°C时萘完全消失，甲基萘损失86%。低温条件(4°C)下化学组分保持率较高，表明水生生物在冷水中可能面临更持久的低分子量化学品暴露风险。

风化机制解析：凝析油组分(C₅-C₁₅)的蒸发是主导风化过程的关键因素。温度升高导致分子间作用力减弱，加速了轻组分的挥发。溶解作用虽同时发生，但其速率远低于蒸发过程。光化学氧化可能产生含氧官能团化合物，但本研究中光照强度的季节性变异使其贡献难以量化。

结论

本研究首次系统揭示了CLB稀释沥青在加拿大典型水温范围内的风化规律。温度显著影响油品老化速率，25°C时理化性质变化较4°C快3-4倍。所有温度下前48小时均为关键响应窗口。化学数据证实凝析油组分的温度依赖性蒸发是主要风化机制，低温环境可能延长水生生物暴露时间。建立的动力学模型可整合入溢油轨迹模型，为风险评估和应急规划提供定量工具。

研究意义在于：首次提供加拿大水域全温度范围的风化数据库；验证了Monod型模型在预测沥青风化行为中的适用性；明确了低温环境下污染物持久性风险；为制定区域特异性溢油响应方案提供了科学依据。未来研究需重点关注风化产物的生物可利用性及低温环境下的生态毒理效应。