石油污水超声波破乳试验研究

路　斌，房卓群,孙永祥,周建民

(中国石油大学(华东) 理学院，山东 青岛 266580)



石油污水超声波破乳试验研究

路斌，房卓群,孙永祥,周建民

(中国石油大学(华东) 理学院，山东 青岛 266580)

以机油乳化液为试样,对化学破乳、超声波破乳及二者联合作用的破乳效果进行系统的试验研究,得出了一系列有效的相关参数和结论,为进一步开展超声波-化学协同破乳提供了有效的数据支撑。试验研究表明,超声波可以有效地提升化学破乳剂的破乳效果。

乳化石油污水;化学破乳;超声波破乳

随着油田开采过程的深入及水质排放标准的提高,乳化石油污水的处理越来越受到重视。传统的化学破乳虽然较为有效,但存在作用范围单一、成本高、污染环境等问题;相比之下,超声波破乳法处理石油污水作用效果好,无污染,尤其是在与化学破乳法相结合的情况下,具有更佳的效果。本文通过对试验研究的结果分析,得到一系列关于破乳的试验规律,优化出可供参考的破乳参数,并从理论的角度对破乳试验结果给出了较为详实的微观机理解释。

1　试验部分

1.1仪器与试剂

本试验所使用的试验设备主要有HHS-1S型电子恒温不锈钢水浴锅,BSA2202S型电子称量仪,NGL07-5型超声波发生器以及相关化学试管若干。试验试剂包括乳化剂、破乳剂和机油。乳化剂为山梨糖醇酐油酸酯(Span80)及聚氧乙烯失水山梨醇月桂酸酯(Tween20);破乳剂为聚合氯化铝。为避免因原油太过黏稠而产生的黏壁现象,本试验以SM 5W-40型机油来制备稳定的乳化液。

1.2乳化液试验样品的制备

试验乳化液的配置以含水率定义,即溶质的质量与全部溶液质量的比值表示。以85%含水率为例,配置比例为85 g水,15 g机油,并用滴定管添加乳化剂span80和Tween20各一滴(约为0.1 g,忽略不计)。制备方法为玻璃棒搅拌后置入声波发生器中,设定超声功率500 W(电功率),超声作用时间5 min进行超声乳化。乳化液的稳定性以在室温下(25 ℃)沉降6 h后析出的油量来判定,析出量越少,稳定性越高。

1.3超声波破乳过程与破乳效果的判定

试验所用的破乳剂选用质量浓度为10 mg/mL的聚合氯化铝溶液。取不同浓度的乳化液样品,加入不同用量的破乳剂,经超声波处理后静置一段时间(约为1 h)后,就会出现明显的分层现象。根据各层的浑浊程度可将样品溶液分为油层、混合层、水层。其中油层颜色呈乳黄色,混合层颜色呈乳白色,水层颜色透明,三种层面分界清晰。定义油层、混合层的体积总和为破乳效果层，并以破乳效果层的体积作为破乳效果的判定标准。

2　试验结果分析

2.1破乳剂用量对破乳效果的影响

取含水率分别为85%、90%、95%的50 mL机油乳化液,加入不同破乳剂用量的聚合氯化铝溶液,经玻璃棒充分搅拌并沉降1 h,测量并绘制出破乳效果层体积与破乳剂用量之间的关系曲线。

图1　破乳剂用量对破乳效果的影响

由图1可以看出,对于3种含水率不同的乳化液样品,随着破乳剂用量的增加,破乳效果都显著提高,当达到某一极值后,继续增加破乳剂的用量,破乳效果层的体积基本不再发生变化,趋于饱和状态。以浓度85%的机油乳化液为例,破乳剂用量在6～15 g范围内,破乳效果呈上升趋势;继续提高破乳剂用量,破乳效果趋于稳定。分析认为,破乳剂的主要化学破乳机理[1]在于取代吸附在油水界面上的天然乳化剂,降低油水界面膜的弹性和黏性,从而降低油滴强度,加速油滴的聚结。当加入过量的破乳剂时,由于破乳剂的破乳效果已经充分发挥,剩余的破乳剂破乳作用趋于下降,导致破乳效果不变甚至下降。

2.2超声参量对破乳效果的影响

影响超声波破乳效果的参数主要包括作用时间、功率、频率等。鉴于超声波发生器不可变频,本试验从超声作用时间及功率两个方面对破乳效果进行研究。试验中的功率指电功率,而非声功率。

试验以50 mL、含水率85%的机油乳化液为试验样品,这是因为高浓度的乳化液更易于进行试验结果的比较。

根据前期试验参数优化的结果,在超声功率为40 W时,测量超声波作用时间对破乳效果的影响(图2);在超声作用时间为7 min时，测量超声波功率对破乳效果的影响(图3)。

从图中可以看出,随超声功率和时间的增加,破乳效果先上升后下降,超声时间在6～8 min、超声功率在40～80 W之间破乳效果最佳。说明超声波破乳存在一个最佳的功率及时间范围,超声波作用功率过大或超声时间过长,会使得已经汇聚的油滴再次被破碎而被乳化[2],产生二次乳化现象。

图2　超声作用时间对破乳效果的影响图

图3　超声功率对破乳效果的影响

2.3超声波与破乳剂联合作用破乳研究

同样以50 mL、含水率85%的机油乳化液为试验样品,分别测量破乳剂单独作用和与超声波联合作用的情况下破乳效果层的体积,得出破乳效果曲线(图4)。试验用超声波发生器的功率为40 W,时间为7 min。破乳剂选用质量浓度为10 mg/mL的聚合氯化铝溶液。

图4　超声波与破乳剂联合破乳作用曲线

由图4可以看出,超声波与破乳剂协同作用可降低破乳剂的用量,大大提高破乳效果。但是,当破乳剂用量超过一定值后,破乳剂单独作用破乳效果已接近最佳值,此时二者协同作用对破乳效率提高不大,甚至会出现二次乳化的现象。从图中可以看出,对于50 mL用量的试验样品,当破乳剂用量超过12 mL时,超声波的协同破乳效果反而呈下降趋势。

由胶体双电层理论[3]可知,乳化液中的油滴微粒子由表面带电的粒子核与环绕周围带有相反电荷的离子层所组成,从而形成双电层。由于电荷之间的作用,带有双电层的油滴微粒子之间存在着排斥力也存在着吸引力。当油滴微粒子之间的距离缩短时,排斥力增强,吸引力减弱,从而阻止油滴微粒子之间相互碰撞发生聚集,使乳化液处于稳定状态。

加入破乳剂聚合氯化铝后产生的聚阳正离子能中和油滴“双电层结构”中的外层离子层,使得乳化液中悬浮油滴微粒子之间的排斥力降低,吸引力加强,凝聚而发生破乳现象。超声波的振动作用加速了油滴微粒子之间的撞击,使得油滴微粒子能更快速汇聚而析出。这正是超声能提升破乳剂效果的根本原因。但加入过量破乳剂后,超声波的粉碎和空化作用会使大量聚合氯化铝离子无法吸附油滴表面。多余的聚合氯化铝链状分子在运动中相互碰撞连接,成为无效的基团,从而使破乳效率大打折扣[4]。

3　结束语

超声波破乳是一种行之有效的破乳方法,相较于传统的化学破乳法,具有成本低、无污染、适用范围广的优点。从本次试验结果可以看出,超声波与破乳剂具有良好的协同作用效果,二者联合可以提高破乳效率,减少破乳剂用量。工业生产过程中,在原有的化学破乳体系中加装流体动力式机械设备,可以初步实现声化学方法的联合破乳,具有很好的发展前景。本次试验对破乳效果的判断方法不够精确,所给出的试验机理仍不够完善,还需相关研究者后续不断地研究。

[1]张健,向问淘,韩明,等.乳化原油的化学破乳作用[J].油田化学,2006,22(3):283-288.

[2]孙宝江,乔文孝,付静.三次采油中水包油乳状液的超声波破乳[J].石油学报,2000,21(6):97-101.

[3]侯涛,徐仁扣.胶体颗粒表面双电层之间的相互作用研究进展[J].土壤,2008,40(3):377-381.

[4]赵双霞,张义玲,张红宇,等.超声波辅助原油破乳研究进展[J].齐鲁石油化工,2010,38(2):151-154.

[责任编辑]谭爱兰

2016-03-15

中国石油大学(华东)大学生创业训练计划项目(20141279)

路斌(1969—)，男，山东日照人，中国石油大学(华东)理学院副教授，主要从事物理法采油研究。

10.3969/j.issn.1673-5935.2016.02.006

TE992

A

1673-5935(2016)02- 0019- 03