离子液体在石油化工行业的应用

王丁，郭丹

离子液体在石油化工行业的应用

王丁，郭丹

（西安石油大学，陕西 西安 710065）

离子液体是一种无色、无异味、可以重复使用、完全由离子组成的新型“绿色溶剂”，有着不挥发、低蒸气压和宽泛的温度范围等优点。在石油化工行业中，离子液体常因其物理和化学特性被用来加入地层中提高原油的产量，或是被当作一种新型表面活性剂添加到原油生产过程的乳状液之中，造成破乳效用。对离子液体的继续研究和创新，会更深切认识其发展的必要性。

离子液体； 绿色溶剂； 石油工业； 破乳剂；原油产量

在过去几年里，越来越多的研究涉及到绿色化学[1]。离子液体已经在全球范围内的科学领域变得无处不在，其应用范围从稳定蛋白质到能量储存。离子液体特殊的离子性质使得它允许通过人为的选择定制阳离子或者阴离子，以便获得良好的性能。与固体材料相比较，它是液态的[2]，并且有着高离子电导率、低挥发性和更低的极性介电常数[3]。离子液体所具有的广泛物化性质以及它丰富的化学结构使其成为跨多个研究领域的热点课题。本文从概念上介绍了石油化工范围内应用离子液体的情况。

1 离子液体简介

1.1 离子液体的定义

什么是离子液体？对其下简单的定义并不是一件易事。一直到21世纪初，室温离子液体也被认为是非常稀有的，但现在已知许多盐在室温或接近室温会形成液体[4]。通常，这些离子液体要么是有机盐[5]，要么是至少一个有机组分组成的混合物。

1.2 离子液体的发展

离子液体领研究域始于1914年。研究人员观察并报道了硝酸乙铵的物理性质[6]，它是浓硫酸与乙胺中和形成的，但由于当时并没有引起很多人关注这个消息，所以研究进展缓慢。

20世纪40年代，研究人员在室温条件下将两种混合物质升高温度后反应产生了一种质地透明的液体，这个重大发现也成为了初代离子液体研究的雏形[7]。1976年，研究人员在研究有机电化学时，偶然发现离子液体具有对水分敏感等特点[8]。这些离子液体在电化学中的应用也取得相应的专利，并引起了科研人员开发离子液体作为电池电解质的极大兴趣。

直到21世纪初，人们对离子液体概念的基本理解已经成型，大多数电化学家出于对合成工业应用的兴趣，提出了将其应用于绿色化学和工业化学[9]。所有迹象都表明，室温离子液体是一种新兴工业技术发展的基础，它是一种革命性的发现。随着离子液体在石油工业行业中起到的破乳、提高原油产量等作用的开发，这一类离子液体由于自身结构和物化特性以及可设计的用途而被称为功能性离子液体。

回顾离子液体的发展历程不难发现，早期的离子液体就像科学家们的意外收获，人们总是花费很多精力去研究这类新物质的结构和物性关系，开发它的应用价值。

2 离子液体物化性质

2.1 熔点

熔点被定义为一种复杂的性质，反映了分子间作用力和分子的排列晶格。由于该性质的重要性，一些经验方法被设计出来。其中，最常见的是计算和化学计量学（包括线性和非线性）、物理化学方程[10]，然而在考虑这些因素的时候，学科模型的预测能力会稍显不足，因此，更复杂的模型应该涉及到预测作

用[11]。对用商用离子液体，熔点范围从82 ℃到280 ℃。离子液体的熔点范围很广，许多时候将其加热到熔点然后静置，并没有转变为固态，这可能与其粒子结构有关系，但现阶段并没有发现其中规律。

首先讨论带正电荷离子的影响：离子液体中带正电荷离子的种类会对熔点产生明显影响，通常来说其中正电荷离子为对称结构时熔点会高于非对称结构[12]。并且正电荷离子的种类也对其有显著影响，当其结构中含有咪唑时熔点会高一些。离子液体的熔点也与其带负电荷离子有关，随着负电荷离子体积的增大，熔点呈现下降的趋势。普通无机盐和离子液体熔点的显著差异源于其晶体结构的差异，这种差异由烷基链取代基长度决定。

2.2 热稳定性

热稳定性就是物体抵抗热量的程度，在温度作用下形变能力反映其热稳定性。离子液体的热稳定性说明了其工作环境，并且限制了最高工作温度。热稳定性可以用各种参数来描述，例如说生化反应的难易程度或者升温速率。根据离子液体的使用方式（短期或长期使用），应做出适当的参数选择[13]。现有的咪唑类离子液体，聚合物分子链降解温度高的离子液体占有很大份额。这种性质允许它们在各种技术中作为反应溶剂。并且热稳定性主要受带负电荷离子基团影响多一些。大部分离子液体的工作温度在200～400 ℃之间。由此得出，离子液体与传统有机物比较，有着更为广泛的温度稳定性区间。

2.3 毒性和可降解性

离子液体的毒性与甲基咪唑阳离子中存在的正烷基取代基的长度有直接关系，而尽管存在着阴离子，它的影响作用要低得多[14]。同时，在咪唑环对称链上也观察到较低的毒性值[15]。在离子液体的含氮阳离子（即吡咯烷、哌啶、吗啉）中，随着碳原子数目增加，毒性增加。例如，哌啶阳离子比吡咯烷阳离子具有更高的毒性水平。

每当离子液体由有机阴离子构成时，具有较高的生物降解倾向。在阴离子为卤化物时，生物降解与离子液体的有机阳离子严格相关。绝大多数离子液体阳离子的特点是碳含量高于阴离子。因此，较高的碳含量离子液体大量参与生物降解的过程[16-17]。

2.4 蒸气压

尽管离子液体具有独特的功能和优势，但也并不是没有任何缺点[18]。当不得不把离子液体从混合物中分离出来时，蒸发所造成的特低压强可能是它的不利属性。但同时也是它可以在低真空度容器中反应的独特优势，这种独特的优势在其蒸馏提纯时发挥很大的效用，并且在应用或者储藏时对环境造成的影响也是可以忽略不计的，所以又称为“绿色液体”[19]。使用离子液体这种非挥发性质可以使得其在真空环境下作溶剂，并且可以回收利用。

2.5 黏度

黏度是流体的主要物化特性之一，表示其对抗流体流动时的力。例如说水的黏度就很小，流动随温度变化程度不大，但是离子液体却相反，温度升高流动性增强。相关研究表明，离子液体是一种高黏度物质，这主要与其分子间高作用力以及电性吸引力有关，这种性质限制了它在工艺行业中应用的广泛性，所以，能否降低其黏度也成为现阶段离子液体研究的一个热点问题，并且给其回收利用提供了可行性。

3 离子液体在石油工业中的应用

3.1 原油生产

原油生产的时候，当油田经过多次开采之后，原油的采收率就已经降到很低了，所以需要使用一些方法来使采收率提高。以往使用的方法有四大类，即化学驱油法、气体驱油法、热力采油法、通过注入菌种采油的方法。化学驱原理就是将不同化学剂加入到开采的油藏之中，以改变地层内岩石与地下流体的特征，提高界面活性等，来改善原油开采效率。另一方面就是能够使水相的黏度降低，渗透率和界面张力降低；并且改变了油气储层的岩石润湿程度和增加了岩石的毛细管数量。热力采油是指对油层增加热量，使原油的黏度下降，使地层下流体流动性改善，采油动力增强[20]。

在油层之中加入离子液体，当离子液体在油层中有一定的浓度，从而会附着在液滴周围的界面膜上，弱化和破坏了油水界面膜。研究表明，同一离子液体不同烷基链长度对油水界面张力影响较大，烷基链越长越能显著提高油水界面活性[21]，从而提高采收率。

正是因为离子液体特殊的性质结构，研究人员可以选择性地改变离子组合，使其满足润湿特定岩石的需要。在地层中加入离子液体之后，使岩石变为亲水性，原油脱离岩石，从而提高了采收率。

3.2 原油破乳

由于稠油的不良特性，易形成稳定的乳状液，并且黏度和酸度高，新发现的稠油对石油工业来说是一个重大挑战。尽管最近发现了轻质和中质原油储层，但重质原油油田在全球石油总产量中所占的比例越来越大。根据生产方案的不同，这些油可以形成非常稳定的W/O乳状液，而使用常规工艺完全分离油水相需要加热、添加化学物质和放置一段时间。现有技术的改进和开发新的适当的工艺来处理这些乳液是非常重要的，以确保油品的加工，提高生产力。

乳状液的一般处理方法有加热处理、添加化学剂处理、电处理、物理法破乳和生物破乳等。

加热处理就是提高乳状液温度，加剧了油水界面分子的剧烈运动，使液滴分子的碰撞增强并且使小液滴聚并在一起形成大液滴，大液滴则沉降在油层之下，从而破乳。

化学破乳的原理就是向乳状液添加一些化学药剂来使乳状液的界面特性和种类发生变化，并且使油水界面膜失稳从而发生分离[22]。实际情况都是多种化学药剂复配使用，从而提升效果使乳状液因不稳定而破乳。

物理法破乳就是通过不同机械的方法实现对油水界面膜的破坏。例如过滤、离心、超声等对乳状液进行搅拌，使乳状液的油水界面膜发生破坏。

离子液体则是一种新型无污染的破乳剂，通过在乳状液里加入合适的离子液体，从而起到提高油水界面活性的作用。并且因为离子液体的带电粒子与乳状液中的带电物质发生中和反应，从而使液滴分子间的Zeta电位值下降，乳状液稳定程度下降。研究表明，当离子液体分子有着更长链时，破乳作用更好。

4 结束语

现如今离子液体在全球范围的研究十分广泛，自然离不开其与众不同的物化性质和自身结构，当然主要归因于绿色化学的兴起所带来的发展机遇和对传统生产过程提出的改革，特别是在石油化工行业的各种应用会使离子液体愈发发展。相信在下一个阶段，必将对离子液体的物化性质有更深层次的了解。

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Application of Ionic Liquids in Petrochemical Industry

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（Xi'an Shiyou University, Xi'an Shaanxi 710065, China）

Ionic liquid is a new type of "green solvent" which is colorless, odorless, reusable and completely composed of ions. It has the advantages of non-volatile, low vapor pressure and wide temperature range. In the petrochemical industry, ionic liquids are often used to add into the formation because of their physical and chemical properties to improve the output of crude oil, or it is added to the emulsion formed by crude oil production as a new surfactant to cause demulsification. The continuous research and innovation of ionic liquids will further be helpful to understand the necessity of its development.

Ionic liquid; Green solvent; Petroleum industry; Demulsifier; crude oil production

O645.1

A

1004-0935（2022）04-0530-03

2021-09-06

王丁（1997-），男，陕西省咸阳市人，在读硕士研究生，研究方向：离子液体破乳。