高娜

(西安石油大學(xué),陜西 西安 710065)

原油是一種非均勻混合物,原油乳狀液是由原油、地層水和注入水、天然乳化劑和化學(xué)劑組成的油水混合的乳液。這些組分共同構(gòu)成了原油乳狀液的復(fù)雜結(jié)構(gòu)和性質(zhì)[1]。原油是乳狀液的主要成分,而地層水和注入水在采油過(guò)程中與原油混合,進(jìn)一步增加了乳狀液的水相含量。原油中一些天然存在的乳化劑,例如膠質(zhì)和瀝青等組分,有助于形成和穩(wěn)定乳狀液結(jié)構(gòu)。此外,為了實(shí)現(xiàn)更有效的油田開(kāi)采,驅(qū)油用化學(xué)劑也常常添加到乳狀液中,以改變?nèi)闋钜旱奈锘再|(zhì),促進(jìn)油水分離和提高石油的采收率。目前國(guó)內(nèi)油田的開(kāi)采逐漸進(jìn)入了高含水開(kāi)發(fā)階段,這導(dǎo)致大量的乳狀液產(chǎn)生。這種原油乳狀液分散體系是非常復(fù)雜的,而且儲(chǔ)層還包含各種地質(zhì)因素,這使原油乳狀液保持在穩(wěn)定的狀態(tài)[1-2]。

破乳劑是乳狀液進(jìn)行化學(xué)破乳的關(guān)鍵,其類型、結(jié)構(gòu)、相對(duì)分子質(zhì)量以及投加量在較大程度上影響破乳脫水的效果。根據(jù)破乳劑的組成,還可以將其分為單劑和復(fù)配劑。當(dāng)前,破乳劑的復(fù)配趨勢(shì)日益普遍,復(fù)配后的破乳劑既具備了單劑的優(yōu)點(diǎn),又能更好地適應(yīng)油田破乳環(huán)境,提供更全面的功能,并取得更顯著的破乳效果。這種趨勢(shì)使得破乳劑的研發(fā)與應(yīng)用更加多樣化和靈活,有助于提高破乳脫水技術(shù)的針對(duì)性和效率,進(jìn)一步完善油田開(kāi)采和處理過(guò)程中的油水分離工藝。

目前,納米粒子在原油開(kāi)采的各個(gè)環(huán)節(jié)有著巨大的應(yīng)用潛能,其破乳技術(shù)逐漸受到越來(lái)越多人的關(guān)注。由于納米粒子尺寸小,使其能夠有效地分散在介質(zhì)中;且具有巨大的比表面積,有豐富的表面活性位點(diǎn)和反應(yīng)中心,能夠與目標(biāo)油氣物質(zhì)進(jìn)行有效的相互作用,還可以通過(guò)控制納米材料的粒徑和分布特性來(lái)調(diào)節(jié)其性能和相互作用方式來(lái)實(shí)現(xiàn)高效破乳。

1 微波/納米粒子破乳法

1.1 納米粒子破乳法

破納米粒子破乳應(yīng)用起始于Binks和Lumsdon[3]的研究,他們充分利用納米粒子的活性位點(diǎn)多、可修飾性強(qiáng)、高表面能和可控制備的特性,通過(guò)放大顆粒的優(yōu)點(diǎn),如磁性、吸附性和自組裝性,實(shí)現(xiàn)了破乳效果的優(yōu)化。他們的研究發(fā)現(xiàn),改變納米SiO2顆粒的潤(rùn)濕性能夠破壞乳液的穩(wěn)定性,進(jìn)而引發(fā)破乳行為。

對(duì)于磁性納米粒子的破乳機(jī)理,通過(guò)界面接枝嵌段或包覆材料在油水界面產(chǎn)生吸附行為,并形成多種排布結(jié)構(gòu)以破壞兩相界面穩(wěn)定性的解釋是正確的。通過(guò)控制磁性納米粒子界面,可以實(shí)現(xiàn)對(duì)破乳對(duì)象的控制,包括水/油(W/O)乳液或油/水(O/W)乳液。界面接枝嵌段或包覆材料的選擇與納米粒子的親疏水性質(zhì)密切相關(guān)。例如,對(duì)于W/O乳液,選擇親水性的聚合物或與納米粒子具有親水性的表面活性劑,可以增強(qiáng)納米粒子對(duì)水相的吸附。類似地,對(duì)于O/W乳液,選擇親油性的聚合物或與納米粒子具有親油性的表面活性劑,可以增強(qiáng)納米粒子對(duì)油相的吸附。當(dāng)磁性納米粒子與乳狀液接觸時(shí),界面接枝嵌段或包覆材料在油水界面上吸附,形成多種排布結(jié)構(gòu)。這些排布結(jié)構(gòu)中的吸附納米粒子可以顯著改變油水界面的性質(zhì),破壞界面的穩(wěn)定性。吸附的納米粒子可以形成薄膜、膠凝物或膠束結(jié)構(gòu)等,通過(guò)阻礙油水界面的分散相相互作用,促進(jìn)相分離和破乳過(guò)程的發(fā)生。這種方法提供了一種有效而可控的手段來(lái)處理乳狀液體系,并在許多應(yīng)用領(lǐng)域中具有潛在的應(yīng)用前景。破乳后,磁性納米粒子可以通過(guò)磁場(chǎng)的作用進(jìn)行回收或進(jìn)行循環(huán)再破乳,以降低破乳成本,并減少其在油相或水相中的混合程度[3]。

在酸性和中性溶液環(huán)境下,磁性納米粒子主要利用靜電相互作用絮凝油滴,使得磁性納米粒子分離完成破乳。在堿性溶液環(huán)境下,磁性納米粒子利用疏水相互作用吸附到油滴表面膜上,再在磁場(chǎng)作用下完成破乳。

與普通納米粒子相比,磁性納米粒子既具有表面效應(yīng)和小尺寸效應(yīng),還具有磁響應(yīng)性能、良好的穩(wěn)定性以及可多次循環(huán)使用的特點(diǎn)。另外,經(jīng)過(guò)油水分離后,磁性納米粒子會(huì)留在水相中,采用外加磁場(chǎng)的方法有效回收,避免對(duì)環(huán)境造成二次污染。該材料不僅具有高效分離的能力,而且對(duì)環(huán)境友好,符合可持續(xù)發(fā)展的要求。

Jing等[4]對(duì)比分析了電場(chǎng)作用下納米二氧化鈦粒子破乳與常規(guī)化學(xué)劑破乳,結(jié)果發(fā)現(xiàn),相比于常規(guī)化學(xué)劑破乳,納米二氧化鈦粒子破乳效率更高,且達(dá)到最大破乳效率所需的破乳時(shí)間更短。姜翠玉等[5]研究不同活性物質(zhì)修飾的四氧化三鐵磁性納米粒子的助凝性能,結(jié)果表明,磁性納米粒子粒徑越小,磁性越強(qiáng),除油效果越好,并從吸附、磁絮凝以及破乳角度對(duì)磁性納米粒子的作用機(jī)理進(jìn)行了分析。

1.2 微波破乳法

微波破乳技術(shù)是一種省時(shí)、高效且效果顯著的方法,能夠有效加速破乳過(guò)程,同時(shí)無(wú)需使用化學(xué)試劑,符合綠色環(huán)保的理念。微波破乳法的機(jī)理一般分為“熱效應(yīng)”和“非熱效應(yīng)”兩部分[2,6]。利用微波技術(shù)破乳時(shí),乳狀液的溫度急劇上升。這種升溫效應(yīng)會(huì)引起乳狀液中界面活性物質(zhì)的溶解度增加,導(dǎo)致在油水界面上的吸附量減少。這會(huì)使界面膜中的分子排列較為松散,進(jìn)而導(dǎo)致界面膜的機(jī)械強(qiáng)度降低和界面的穩(wěn)定性減弱。另一方面,滴表面的雙電層主要與界面膜有關(guān)。當(dāng)界面上的活性物質(zhì)減少時(shí),界面上吸附的電荷量會(huì)減少,進(jìn)而降低油滴表面的Zeta電位。這將導(dǎo)致雙電層厚度減弱,進(jìn)而減弱液滴之間的靜電斥力作用。當(dāng)油水界面的Zeta電位發(fā)生改變時(shí),液滴之間的靜電斥力減弱,導(dǎo)致液滴發(fā)生碰撞和聚結(jié)現(xiàn)象。這進(jìn)一步促使膠質(zhì)、瀝青質(zhì)或其他乳化劑在界面上脫落,從而實(shí)現(xiàn)油水分離的目標(biāo)。由于液滴的聚結(jié)和沉降,油滴會(huì)從乳狀液中分離出來(lái),達(dá)到破乳和脫水的效果。這種過(guò)程可以通過(guò)微波加熱等方式加速和增強(qiáng)。

微波破乳的效果受多種因素的影響,包括無(wú)機(jī)鹽濃度、含水率、微波輻射功率和處理時(shí)間等。高濃度的無(wú)機(jī)鹽溶液可以增加微波對(duì)乳狀液的吸收和傳導(dǎo)效果,增強(qiáng)破乳效果。鹽的存在可以引起乳液的離子強(qiáng)度增加,從而改變?nèi)橐褐械碾x子分布,影響液滴的極化行為,促進(jìn)膠體顆粒的聚集和沉降。較高的含水率可以增加微波的吸收能力和能量傳遞效率,有利于破乳過(guò)程的進(jìn)行。水分子對(duì)微波輻射具有較高的吸收能力,通過(guò)吸收微波能量,加熱乳液中的物質(zhì),促進(jìn)液滴的碰撞和聚結(jié)。微波輻射功率和處理時(shí)間是微波破乳過(guò)程中控制破乳效果的重要參數(shù)。較高的微波功率和適當(dāng)?shù)奶幚頃r(shí)間可以提供足夠的能量,使乳液中的液滴受熱快速增溫,促進(jìn)液滴的融合和沉降。

除了這些因素外,還可以考慮其他因素如乳狀液的pH值、表面活性劑的類型和濃度等。這些因素對(duì)微波破乳過(guò)程和效果都有一定的影響,需要根據(jù)具體的乳狀液和處理需求進(jìn)行優(yōu)化和調(diào)控。孫娜娜等[7]使用微波輻射處理含油廢水,結(jié)果發(fā)現(xiàn),無(wú)機(jī)鹽能促進(jìn)乳化,無(wú)機(jī)鹽濃度越高,脫油率越高。并在最佳參數(shù)下,脫油率高達(dá)97.78%。任紹梅等[8]分析了乳狀液脫水效率受其含水率、微波功率、微波時(shí)間影響的程度。實(shí)驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn),影響微波破乳效率最大的最大因素是乳狀液的含水率,含水率越高,水分子吸收的微波能量多,產(chǎn)生的熱量多,乳化液溫度越高,脫水更容易。研究還發(fā)現(xiàn),在一定范圍內(nèi)可以利用微波輻射能破乳。陸洋[9]的實(shí)驗(yàn)研究指出當(dāng)微波處理的功率過(guò)大或輻射時(shí)間過(guò)長(zhǎng)時(shí),乳狀液的溫度會(huì)升高到過(guò)高的程度,從而導(dǎo)致爆沸現(xiàn)象的發(fā)生。這樣的情況不利于乳狀液的破乳處理,因此微波處理溫度必須控制在100 ℃以下,以防止爆沸。同時(shí),通過(guò)實(shí)驗(yàn),確定了油水乳狀液微波破乳的最佳工藝條件。在這些條件下,乳狀液的加劑質(zhì)量濃度應(yīng)為100 mg/L,微波處理的功率應(yīng)為480 W,并進(jìn)行微波輻射直到溫度達(dá)到90 ℃。之后,將乳狀液靜置沉降時(shí)間為10 min。在含水率為40%的HZ32-2原油乳狀液下,經(jīng)過(guò)這些最佳工藝條件處理后,脫水率可以達(dá)到94.1%。這項(xiàng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果為乳狀液的微波處理提供了具體的工藝指導(dǎo),包括控制處理溫度、適當(dāng)?shù)募觿舛?、合理的功率和靜置沉降時(shí)間等因素,以最大程度地提高脫水效率。

1.3 微波與磁性納米粒子聯(lián)合破乳

在微波作用下,磁性納米粒子擴(kuò)散速度加快,并與油滴表面的表面活性劑發(fā)生相互作用。這種相互作用會(huì)降低表面活性劑與油滴之間的結(jié)合能力,從而削弱乳狀液的穩(wěn)定性。磁性納米粒子在高頻電磁場(chǎng)的作用下產(chǎn)生大量熱能,這會(huì)提高體系的溫度。通過(guò)增加溫度,乳狀液中的液滴會(huì)更容易碰撞和聚結(jié),促進(jìn)破乳過(guò)程的進(jìn)行。此外,磁性納米粒子在高頻電磁場(chǎng)的作用下會(huì)快速往返移動(dòng),產(chǎn)生劇烈的振動(dòng)。這種振動(dòng)會(huì)引起乳狀液中的液滴更加劇烈地運(yùn)動(dòng),加速液滴之間的碰撞和聚結(jié),進(jìn)一步促進(jìn)乳狀液的破乳過(guò)程。

微波作用下的磁性納米粒子具有加快擴(kuò)散速度、降低表面活性劑與油滴結(jié)合能力、產(chǎn)生熱能提高溫度以及通過(guò)振動(dòng)加速液滴運(yùn)動(dòng)等多種作用機(jī)制,這些作用協(xié)同作用可以有效促進(jìn)乳狀液的破乳過(guò)程。

姜翠玉等[5]在HCL、RKP、PAC三元體系中加入磁性納米粒子,其中pH值=7,RKP濃度為0.015%,PAC濃度為0.09%,結(jié)果表明四元體系作用下微波破乳效率顯著提高,10 min內(nèi)分水率高達(dá)99.56%,說(shuō)明單獨(dú)在三元體系中單獨(dú)加入磁性納米粒子時(shí),體系溫度升高的較快,且熱量密度高于三元體系,使得磁性納米粒子能以更短的時(shí)間附著并包裹到絮體的周圍,增大了絮體的體積和密度,導(dǎo)致了油水分離的速度提高

根據(jù)靳凱斌[10]的研究,在一個(gè)由磁性納米粒子、pH調(diào)節(jié)劑、破乳劑(RKP-15)和絮凝劑聚合氯化鋁組成的四元體系中進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示,在該體系下,油水型(O/W)乳狀液的分離率非常高。在實(shí)驗(yàn)中,經(jīng)過(guò)10 min處理,分水率達(dá)到了99.56%,經(jīng)過(guò)20 min處理,分水率更進(jìn)一步提高到了99.84%。這意味著經(jīng)過(guò)磁性納米粒子和其他添加劑的作用,乳狀液的油相和水相成功分離,達(dá)到了很高的分水率。這個(gè)實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明通過(guò)使用磁性納米粒子和其他配套劑可以有效地破乳,加快乳狀液的分離速度。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示,當(dāng)磁性納米粒子被引入時(shí),破乳體系的損耗因子會(huì)增加,從而增強(qiáng)對(duì)微波的吸收能力。同樣,聚合氯化鋁涂層反射的電磁波和磁性納米粒子涂層反射的電磁波之間會(huì)相互干擾,這導(dǎo)致更多的微波能量被儲(chǔ)存在乳狀液的體系中,這對(duì)于乳狀液的破乳是有利的。通過(guò)測(cè)定介電常數(shù)和損耗因子,研究人員能夠了解不同體系的微波吸收特性,并借此改進(jìn)乳狀液的破乳過(guò)程。通過(guò)引入磁性納米粒子和相互干擾效應(yīng),可以增強(qiáng)微波在乳狀液中的儲(chǔ)存和吸收能力,從而促進(jìn)破乳效果的提高。這項(xiàng)研究為乳狀液破乳過(guò)程中微波處理的優(yōu)化提供了重要的理論和實(shí)驗(yàn)依據(jù)。

2 未來(lái)展望

磁納米粒子獨(dú)特的磁響應(yīng)性使得微波-磁性納米粒子組合形成一種新的破乳劑,該破乳劑幾乎對(duì)環(huán)境沒(méi)有污染,回收流程簡(jiǎn)單易操作,且可以多次重復(fù)利用。磁性納米粒子協(xié)同破乳兼具納米粒子的表面效應(yīng)和小尺寸效應(yīng),在破乳過(guò)程中表現(xiàn)出許多有益的特性,包括磁響應(yīng)性能、穩(wěn)定性和可循環(huán)多次使用性。

1)納米粒子具有較大的比表面積,這意味著相對(duì)于體積更大的顆粒,納米粒子能提供更多的活性表面,更高的表面化學(xué)反應(yīng)活性和吸附性能。這種表面效應(yīng)可以增加納米粒子與乳狀液中的油滴和膠質(zhì)顆粒之間的接觸和相互作用,幫助破乳分離過(guò)程的進(jìn)行,為破乳提供更快速和高效的質(zhì)量傳遞路徑。

2)磁性納米粒子具有磁性,可以對(duì)外加磁場(chǎng)產(chǎn)生響應(yīng)。這種磁響應(yīng)性能使得磁性納米粒子可以在外加磁場(chǎng)的引導(dǎo)下精確控制位置和運(yùn)動(dòng)。利用磁場(chǎng)的作用,磁性納米粒子可以更集中地聚集在乳狀液的界面區(qū)域,有針對(duì)性地破壞油水界面的穩(wěn)定性。磁響應(yīng)性還使得磁性納米粒子在破乳后可以方便地與乳液分離和回收。

3)磁性納米粒子協(xié)同破乳通常具有良好的穩(wěn)定性,可以長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定分散在乳狀液中,并且在多次使用中仍保持較高的破乳效果。這種穩(wěn)定性和可循環(huán)使用性使得磁性納米粒子破乳劑具有經(jīng)濟(jì)性和實(shí)用性,可在實(shí)際工業(yè)應(yīng)用中實(shí)現(xiàn)乳狀液的高效破乳和分離。

這種特性使得磁性納米粒子在破乳劑領(lǐng)域具有非常高效和環(huán)保的特點(diǎn)。但是同時(shí),設(shè)備成本高且體積較大,這也是該技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用中面臨的挑戰(zhàn)之一。

總而言之,磁性納米粒子作為一種高效環(huán)保的破乳劑,具有顯著的優(yōu)勢(shì)和應(yīng)用潛力。它們不僅可以實(shí)現(xiàn)乳化液的高效分離,還可以通過(guò)可循環(huán)多次使用的特性,降低了破乳過(guò)程中的成本和資源消耗。因此,磁性納米粒子在破乳劑領(lǐng)域的研究和應(yīng)用前景非常廣闊。