油分散剤

油分散剤は乳化剤と溶剤の混合物で、油流出後に油を小さな液滴に分解するのに役立ちます。液滴が小さいほど水中に分散しやすく、水中の微生物によって容易に生分解される可能性があります。分散剤の使用には、沿岸生物を表面の油にさらすことと、水生生物を分散した油にさらすことの間でのトレードオフがあります。分散剤とともに油を水中に沈めると、表面の海洋生物への曝露は軽減されるかもしれませんが、水中に生息する動物への曝露は増加し、分散した油と分散剤の両方の毒性によって害を受ける可能性があります。 ^{[1] [2] [3]}分散剤は海岸に漂着する油の量を減らしますが、油が容易に生分解されない沿岸地域に油をより速く深く浸透させる可能性があります。^[4]

1967年、超大型タンカー「トーリー・キャニオン」がイギリスの海岸に原油を流出させた。^[5] 原油を分解するために主にアルキルフェノール 界面活性剤が使用されたが、海洋環境では非常に有毒であることが判明し、あらゆる種類の海洋生物が死んだ。このため、分散剤がより環境に配慮したものに改良された。 ^{[いつ? ]}トーリー・キャニオンの原油流出後、新しい船舶噴霧システムが開発された。^[5]その後の改良により、より多くの分散剤を（より高い濃度で）エアロゾル化することが可能になった。

エクソンバルディーズ号の原油流出事故当時、アラスカには4,000ガロン未満の油処理剤しかなく、それを散布する航空機もなかった。投入された油処理剤は、波の作用が不十分で油と水を混ぜることができなかったため、あまり効果がなく、すぐに使用が中止された。^[6]

テイクパートのデイビッド・カービーの報告書によると、エクソンバルディーズ号の浄化作業中に使用されたコレクシット9527製剤の主成分である2-ブトキシエタノールは、「1989年のエクソンバルディーズ号の流出事故後、アラスカの浄化作業員に肝臓、腎臓、肺、神経系、血液障害を引き起こした物質の1つ」であると特定された。^[7]

1967年から1989年の間に、多くの油流出事故で分散剤が使用されました。^[8]

ディープウォーターホライズン原油流出事故の際、表面の原油量を増やし沿岸の生息地への被害を軽減するために、推定184万ガロンのCorexitが使用された。BPは流出が始まってすぐに、世界中のCorexitの供給をすべて購入した。 ^[10] 分散剤のほぼ半分（771,000ガロン）は、油井で直接散布された。^{[11]使用された主な分散剤は、}毒性のために議論の的となったCorexit 9527と9500であった。

2012年の研究では、コレクシットは油単独よりも最大52倍も毒性が強くなること、また分散剤の乳化効果により油滴がプランクトンにとってより生体利用可能になることがわかった。^{[13]ジョージア}工科大学は「油と分散剤を混ぜると生態系への毒性が増す」ことを発見し、メキシコ湾の原油流出事故を悪化させた。^[14]

2013年、実験室で得られた毒性データの増加に対応して、一部の研究者は、環境評価に完全に信頼できるとは言えない手順を使用して推定された実験室試験結果を評価する際に使用すべき精査について言及しました。^{[15] [16]}それ以来、油毒性試験の比較可能性と関連性を向上させるガイダンスが発行されています。^[17]

ニュージーランド海事局は、油処理作業を支援するために油分散剤Corexit 9500を使用した。 ^[18]結果が決定的でなかったため、油分散剤は1週間のみ使用された。^[19]

界面活性剤は油と水の界面張力を低下させ、波が油を小さな液滴に分解するのを助ける。油と水の混合物は通常不安定であるが、界面活性剤を添加することで安定化させることができる。これらの界面活性剤は、分散した油滴の凝集を防ぐことができる。分散剤の有効性は、油の風化、海のエネルギー（波）、水の塩分濃度、温度、および油の種類によって決まる。^[20]油が薄い層に広がった場合は、分散剤が機能するためには特定の厚さが必要であるため、分散は起こりそうにない。そうでなければ、分散剤は水と油の両方と相互作用する。海のエネルギーが低い場合は、より多くの分散剤が必要になる可能性がある。塩は分子間の静電相互作用を遮蔽するため、水の塩分濃度はイオン性界面活性剤分散剤にとってより重要である。油の粘度は別の重要な要素である。粘度は、油と水の界面への分散剤の移動を遅らせ、油膜から滴を剪断するために必要なエネルギーを増加させる可能性がある。 2,000センチポアズ以下の粘度が分散剤に最適です。粘度が10,000センチポアズを超えると分散は不可能になります。^[21]

界面活性剤が油をうまく分散させるには5つの条件がある：^[5]

• 分散剤は適切な濃度で油の表面に存在しなければならない
• 分散剤は油に浸透（混ざり合う）する必要がある
• 界面活性剤分子は油水界面に配向する必要がある（油中では疎水性、水中では親水性）
• 油と水の界面張力を下げる必要があります（油を分解するため）。
• エネルギーを混合物に加える必要がある（例えば波によって）

分散剤の有効性は、次の式で分析することができます。^[22]面積は、台形則を使用して決定される吸光度/波長曲線の下の面積を指します。吸光度は、340、370、および400 nmで測定されます。

面積 = 30(Abs ₃₄₀ + Abs ₃₇₀ )/2 + 30(Abs ₃₄₀ + Abs ₄₀₀ )/2 (1)

分散剤の有効性は、以下の式を使用して計算できます。

有効性（％）＝分散油量×100/（ρ_油量V_油量）

• ρ _oil = 試験油の密度（g/L）
• V _oil = 試験フラスコに加えた油の量（L）
• 分散した油の総量 = 油の質量 x 120mL/30mL
• 油の質量 = 油の濃度 x V _DCM
• V _DCM = 水サンプルのDCM抽出物の最終量（0.020 L）
• 油の濃度 = 式(1)で求めた面積 / 検量線の傾き

特定の状況で適切な分散剤を選択するには、よく構築されたモデル（油の種類、塩分、界面活性剤などの変数を考慮）を開発する必要があります。分散剤の使用を統合したモデルは、Mackay モデルと Johansen モデルの 2 つです。^{[23]分散モデルを作成する際には、油膜の厚さ、}移流、再浮上、波の作用など、いくつかのパラメーターを考慮する必要があります。^[23]分散剤のモデル化における一般的な問題は、これらのパラメーターのいくつかが変化するということです。界面活性剤は膜の厚さを薄くし、水柱への拡散量を増やし、波の作用による分解量を増やします。これにより、油膜の挙動は水平方向の移流よりも垂直方向の拡散によって支配されるようになります。^[23]

油流出をモデル化する方程式の一つは次の通りである: ^[24]

${\displaystyle {\frac {\partial h}{\partial t}}+{\vec {\nabla }}\left(h\left({\vec {U}}+{\frac {\vec {\tau }}{f}}\right)\right)-{\vec {\nabla }}(E{\vec {\nabla }}h)=R}$

どこ

• hは油膜の厚さである
• ${\displaystyle {\vec {U}}}$水柱の混合層（油と水が混ざり合う層）における海流の速度です。
• ${\displaystyle {\vec {\tau }}}$風によるせん断応力
• fは油水摩擦係数である
• Eは油と水の密度の相対的な差である。
• Rは流出の伝播速度である

マッケイのモデルは、油膜が一方向に薄くなるにつれて、分散速度が増加すると予測している。このモデルは、いくつかの理由から、薄い油膜は厚い油膜よりも速く分散すると予測している。薄い油膜は波やその他の濁度源を弱める効果が低い。さらに、分散時に形成される液滴は薄い油膜ではより小さくなるため、水中で分散しやすくなると予想される。このモデルには以下のものも含まれている。^[23]

• 油滴の直径を表す式
• 油の動きの温度依存性
• 石油が再び表面化する現象の表現
• 実験流出データに基づく較正

このモデルにはいくつかの欠陥があり、蒸発、海底の地形、流出地域の地理が考慮されていない。^[23]

ヨハンセンのモデルはマッケイのモデルよりも複雑である。粒子は表面、水柱に巻き込まれた、蒸発したの3つの状態のいずれかにあるとみなされる。経験に基づくモデルは確率変数を使用して、分散剤が移動する場所と油膜を分解した後の行き先を決定する。各粒子の漂流はその粒子の状態によって決定される。つまり、蒸気状態の粒子は海面（または海面下）の粒子よりもはるかに遠くまで移動する。^[23]このモデルは、以下の項を含むいくつかの重要な領域でマッケイのモデルを改良している。^[23]

• 巻き込み確率 – 風に依存
• 再浮上の可能性 – 密度、液滴サイズ、水没時間、風によって異なる
• 蒸発の確率 – 経験的データと一致

ヨハンセンは、処理済み油と未処理油で異なる一連の引き込みおよび再表面化パラメータを使用して、油分散剤をモデル化しました。これにより、油膜の領域を異なる方法でモデル化できるため、油が水面に沿ってどのように広がるかをよりよく理解できます。

界面活性剤は、それぞれ異なる特性と用途を持つ、アニオン性、カチオン性、非イオン性、両性イオン性の4つの主なタイプに分類されます。アニオン性界面活性剤は、アニオン極性基を含む化合物です。アニオン性界面活性剤の例には、ドデシル硫酸ナトリウムやジオクチルスルホコハク酸ナトリウムなどがあります。^[25]このクラスの界面活性剤には、アルキルカルボン酸ナトリウム（石鹸）が含まれます。^[26] カチオン性界面活性剤は、界面活性剤分子の親水性部分が正に帯電していることを除いて、アニオン性界面活性剤と性質が似ています。これらの化合物の多くは、第四級アンモニウム塩やセトリモニウム臭化物（CTAB）です。^[26]非イオン性界面活性剤は非電荷であり、アニオン性界面活性剤とともに油分散剤配合物の大部分を構成しています。^[25]界面活性剤の親水性部分には、-OH や -NH などの極性官能基が含まれています。^[26]両性イオン界面活性剤は最も高価で、特定の用途に使用されます。^[26]これらの化合物は、正電荷と負電荷の両方の成分を持っています。両性イオン化合物の例としては、脂質であるため水にほとんど溶けないホスファチジルコリンがあります。 ^[26]

界面活性剤の挙動は、親水性親油性バランス（HLB）値に大きく依存します。HLBは、非イオン性界面活性剤の0～20のコードスケールで、界面活性剤分子の化学構造を考慮しています。非イオン性界面活性剤の場合、0の値は最も親油性が高く、20の値は最も親水性が高いことを意味します。^[5]一般に、HLBが1～4の化合物は水と混ざりません。HLB値が13を超える化合物は、水中で透明な溶液を形成します。^[25]油分散剤のHLB値は通常8～18です。^[25]

油流出に対する異なる分散剤である Dispersit と Omni-Clean の 2 つの配合を以下に示します。2 つの主な違いは、Omni-Clean がイオン性界面活性剤を使用し、Dispersit が完全な非イオン性界面活性剤を使用していることです。Omni-Clean は、環境に対する毒性がほとんどないかまったくないように設計されています。一方、Dispersit は Corexit の競合製品として設計されました。Dispersit には非イオン性界面活性剤が含まれており、主に油溶性の界面活性剤と主に水溶性の界面活性剤の両方を使用できます。界面活性剤を相間で分配することで、効果的な分散が可能になります。

油分散剤の環境への残留性と様々な動植物への毒性に関する懸念は、1960年代と1970年代の初期の使用にまで遡ります。^[33]油分散剤の分解と毒性は、配合物に選択された化学物質に依存します。油分散剤とあまりにも激しく相互作用する化合物は、次の3つの基準を満たすことを確認するためにテストする必要があります。^[34]

• それらは生分解性であるべきです。
• 石油が存在する場合、それらを炭素源として優先的に利用してはならない。
• それらは土着の細菌に対して無毒でなければなりません。

分散剤は、航空機や船舶によってエアロゾルの形で散布される。適切な大きさの液滴を持つ十分な量の分散剤が必要であり、これは適切なポンプ速度で達成できる。風で飛ばされないように、1,000μm以上の液滴が望ましい。分散剤と油の比率は通常1:20である。^[20]

• ノコミス3

• 全米科学・工学・医学アカデミー（2019年）。海洋油流出事故対応における分散剤の使用。ワシントンDC：全米アカデミー出版。doi ： 10.17226 /25161。ISBN 978-0-309-47818-2. PMID  32379406. S2CID  133873607.{{cite book}}: CS1 maint: 複数の名前: 著者リスト (リンク)