基于三維熒光光譜和主成分分析的溢油風化研究

摘要：通過開展風化模擬實驗，探討了油品三維熒光光譜特征的風化變化規(guī)律.將油樣三維熒光光譜轉(zhuǎn)化為矢量，計算特征峰強度比值，并對矢量數(shù)據(jù)進行主成分分析.分析了不同風化時間光譜數(shù)據(jù)、特征峰強度比值和主成分分析因子得分的變化.結(jié)果表明，風化過程不會改變油樣三維熒光光譜的分布特征，但能改變熒光特征峰的相對強度，變化趨勢與特征峰的位置有關.特征峰強度比值和第一主成分因子得分的變化分為水面、水下2個階段，可能與風化機理不同有關.溢油源鑒定中，可以綜合使用熒光特征峰比值、第一主成分因子得分2個參數(shù)，作為油樣風化程度的判定依據(jù).

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關鍵詞：熒光光譜;主成分分析;風化;溢油

中圖分類號：P76 文獻標識碼：A

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隨著經(jīng)濟發(fā)展和能源需求增加，海洋石油工業(yè)和海上石油運輸?shù)玫脚畈l(fā)展，海洋環(huán)境的石油污染情況日趨嚴重.溢油進入海洋環(huán)境后，會發(fā)生蒸發(fā)、擴散、溶解、乳化、光化學氧化生物降解等一系列過程，統(tǒng)稱為風化作用.不同風化作用對溢油組成的影響不同，直接關系到溢油源鑒定的準確性，因此，風化研究是當前溢油鑒別研究的熱點和難點.目前，中國的溢油風化研究還未成系統(tǒng)體系，往往是借鑒國外研究成果，而國外則是通過對不同油種進行不同條件下風化的大量實驗為基礎建立經(jīng)驗方程，風化機理的研究仍是薄弱環(huán)節(jié)［1-6］.Jokuty 等［7］研究得到了風化過程中不同油品組分與其物理性質(zhì)，粘附性的經(jīng)驗關系式，以及不同油品組成與乳化物形成的可能性關系.Fingas［8］通過研究湍流、風速和油品表面積關系，得到了直接從蒸餾數(shù)據(jù)計算的蒸發(fā)方程.

熒光光譜法是溢油鑒別的重要手段之一，該方法的信息來源為油品中的芳烴類多環(huán)化合物，主要包括萘、菲、芴和二苯并噻吩等及其烷基化同系物.三維熒光光譜是在傳統(tǒng)熒光分析技術(shù)基礎上發(fā)展起來的一種新型技術(shù)，現(xiàn)有研究結(jié)果表明，油品三維熒光光譜中含有萘、菲、芴、苝等5類物質(zhì)的熒光光譜信號［9］，風化過程會使油品特征熒光峰的強度減小，但油樣在不同風化時間的光譜分布特征沒有明顯差別，識別起來有一定困難［10-11］.也有學者認為，盡管溢油三維熒光光譜的特征熒光峰強度略有變化， 但是特征峰熒光強度比值隨風化時間的變化極小，可作為溢油鑒別指標應用［12］.

本文通過開展風化模擬實驗，對油樣的三維熒光光譜開展跟蹤研究，通過結(jié)合主成分分析方法，探討了油品三維熒光光譜特征的風化變化規(guī)律和風化程度判定依據(jù)，從而為溢油源鑒定工作提供了重要 

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Li等［15］對發(fā)射波長為245 nm時的油樣二維熒光光譜進行主成分分析后發(fā)現(xiàn)，第一主成分得分與風化程度相關，而且風化程度越大，油樣的第一主成分得分數(shù)值越高，認為可以用主成分分析來判斷油樣的風化程度.本研究中，風化油樣的第一主成分得分也隨風化時間的增加呈上升趨勢，但變化趨勢分為2個階段：實驗開始至第24 d，第一主成分得分數(shù)值逐漸上升；第35 d，第一主成分得分數(shù)值略有降低;第35 d之后，第一主成分得分數(shù)值繼續(xù)呈上升趨勢.

2.4 風化過程分析

整個風化過程分為2個階段：第1階段為水面階段，風化油樣在水面形成油膜，熒光特征峰比值R1與R2逐漸降低，第一主成分因子得分升高.第2階段為水下階段，風化油樣沉降到水體中，熒光特征峰比值R1與R2略有升高后繼續(xù)降低，第一主成分因子得分略有降低后又持續(xù)升高.兩個風化階段的產(chǎn)生，可能與水面和水下的環(huán)境條件不同，導致溢油經(jīng)歷的風化機理不同有關.各個風化階段，熒光特征峰比值、第一主成分因子得分都隨風化時間發(fā)生規(guī)律變化，且兩者的變化趨勢恰好相反.可以考慮在溢油源鑒定中，綜合使用上述2個參數(shù)，作為油樣風化程度的判定依據(jù).

3 結(jié) 論

研究結(jié)果表明，風化過程不會改變油樣三維熒光光譜的分布特征，但能夠改變熒光特征峰的相對強度，變化趨勢與特征峰的位置有關.實驗過程中，熒光特征峰比值、第一主成分因子得分的變化分為水面、水下2個階段，可能與不同的風化機理有關.溢油源鑒定中，可以綜合使用熒光特征峰比值、主成分分析中的第一主成分因子得分2個參數(shù)，作為油樣風化程度的判定依據(jù).參考文獻

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