原油乳狀液破乳方法的研究進(jìn)展

馬玉麗

（西安石油大學(xué)， 陜西 西安 710065）

隨著社會(huì)現(xiàn)代化進(jìn)程的加快，對(duì)石油的需求量逐年增加。為了使石油的采出率更高，采油工廠大多利用化學(xué)技術(shù)進(jìn)行采油工作。這就導(dǎo)致構(gòu)成原油乳狀液的物質(zhì)較之以往更為復(fù)雜多樣、其穩(wěn)定性強(qiáng)、不易破乳[1]。大多數(shù)原油最初在油田以乳狀液的形式生產(chǎn)。因此，石油工業(yè)面臨的一個(gè)重要問題就是去除原油中的乳化水，否則將導(dǎo)致原油運(yùn)輸設(shè)備的腐蝕損壞[2]，同時(shí)影響下游煉油廠的正常操作。傳統(tǒng)的破乳劑通常由親水性和疏水性基團(tuán)組成，這使得它們能夠吸附在油水界面上，從而破壞乳狀液的穩(wěn)定性。然而，盡管它們的破乳效率較高，但在破乳后，破乳劑仍將停留在油相或水相中，從而造成額外的環(huán)境問題。因而怎樣高效環(huán)保地對(duì)原油乳狀液進(jìn)行破乳就成為了一個(gè)急需攻克的難關(guān)[3]。盡管在過去的幾十年中科研人員為研究可靠和高效的破乳方法做出了巨大努力[4]，但大多數(shù)原油乳狀液不能在短時(shí)間內(nèi)破乳。事實(shí)上，破乳操作是去除生產(chǎn)平臺(tái)和煉油廠原油中水分的關(guān)鍵過程。

破乳是破壞乳狀液穩(wěn)定性并導(dǎo)致分散液滴聚集和分離的過程。目前，破乳方法大致可以分為：物理破乳法、生物破乳法以及化學(xué)破乳法。這些破乳方法可以幫助我們更快地從原油乳狀液中脫出水，但也各有其局限性。

1 物理破乳法及其特點(diǎn)

物理破乳法有：沉降分離破乳法、電破乳法、超聲波破乳法、微波破乳法以及膜破乳法等。

1.1 沉降分離破乳法

沉降分離破乳法是相對(duì)比較簡單的一種原油乳狀液破乳方法。其破乳原理是利用重力作用初步分離油相和水相。由于油的密度比水小，分離后，上部是油相，下部是水相。

這種破乳方法一般用于含水量比較高的原油乳狀液。其所用破乳設(shè)備簡單，消耗能源少，但是破乳效率不高，花費(fèi)時(shí)間較長。

1.2 電破乳法

電破乳法的破乳機(jī)理就是對(duì)原油乳狀液施加高壓電場(chǎng)，在強(qiáng)電場(chǎng)的作用下，水滴將會(huì)發(fā)生形變并伴隨靜電力的產(chǎn)生[5]。此時(shí)，油水乳狀液的界面膜的機(jī)械強(qiáng)度會(huì)逐漸減小。同時(shí)，產(chǎn)生的靜電力也會(huì)加速水滴的移動(dòng)，從而增大其動(dòng)能，使水滴間的互相碰撞變得更加劇烈，聚集成為更大的水滴，最終因兩相密度存在差異而發(fā)生水相沉降和分離[6]。這種破乳方法可以減少對(duì)化學(xué)破乳劑的需求。但是，此破乳方法可能會(huì)由于發(fā)生短路或電弧而存在過量的水，最近的靜電格柵設(shè)計(jì)消除了短路或電弧[7]。

電破乳法相比于其它的破乳方法來說較為成熟[8]，但如果原油乳狀液中的水含量過高，此時(shí)就無法構(gòu)建穩(wěn)定的電場(chǎng)來進(jìn)行破乳工作。因此，電破乳法也有其局限性。

1.3 超聲波破乳法

超聲波處理（UST）是一種原油乳狀液的破乳方法。其破乳原理可描述如下：增強(qiáng)的液滴振蕩加速了液滴的碰撞，以促進(jìn)其聚結(jié)，部分聲能傳遞的熱量降低了乳狀液的粘度和界面膜的強(qiáng)度。此外，液滴定向聚集到壓力節(jié)點(diǎn)或反節(jié)點(diǎn)，并在超聲波駐波（USW）中形成液滴帶，這可以提高液滴聚結(jié)的效率[9]。超聲處理（UST）后，油水乳狀液中的平均水滴大小變化很小[10]。與常規(guī)加熱和添加破乳劑相比，在聲學(xué)振動(dòng)作用下，乳化介質(zhì)中的條件會(huì)發(fā)生變化，從而使分散介質(zhì)液滴聚結(jié)，并且破乳發(fā)生得更為活躍[11]。

與常規(guī)破乳方法相比，超聲波處理可確保原油的脫水程度更高[12]。超聲波破乳法具有適應(yīng)性較好、效率較高、低溫破乳等優(yōu)點(diǎn)，但目前尚無合適的工業(yè)設(shè)備將其應(yīng)用于采油現(xiàn)場(chǎng)。

1.4 微波破乳法

微波破乳就是用高頻電磁波輻射處理原油乳狀液[13]，其作用機(jī)理是利用微波的熱效應(yīng)和非熱效應(yīng)。熱效應(yīng)意味著極性水分子吸收能量進(jìn)而膨脹，并且界面膜在壓力作用下變得更薄，這使其更容易破乳。非熱效應(yīng)主要體現(xiàn)在極性水分子在微波輻射形成的高頻電磁場(chǎng)中高速扭曲，導(dǎo)致油水界面膜的機(jī)械強(qiáng)度較低，更容易破裂；微波破乳可以顯著降低Zeta 電位，使液滴更容易碰撞和聚結(jié)，并實(shí)現(xiàn)油水分離[14]。微波技術(shù)可以快速加熱乳狀液，有利于通過熱效應(yīng)將原油乳狀液分離成水相和油相，有利于化學(xué)破乳劑的擴(kuò)散，有利于破壞原油乳狀液的穩(wěn)定性[15]。

微波破乳法是原油乳狀液破乳脫水的有效方法，其具備破乳效率高、升溫速度快、適用乳狀液范圍廣、保護(hù)環(huán)境等特點(diǎn)。然而，對(duì)于乳化程度較高的原油乳狀液，只使用微波破乳的方法，也很難達(dá)到含水率1%的質(zhì)量指標(biāo)。同時(shí)，目前我們對(duì)微波破乳的實(shí)驗(yàn)機(jī)理了解地并不清楚，一些細(xì)節(jié)方面的設(shè)計(jì)處理也不夠精確，因此要將此破乳方法應(yīng)用于現(xiàn)場(chǎng)還有一段路要走。

1.5 膜破乳法

膜破乳法的主要作用機(jī)理是油水乳狀液通過微孔膜，使得分散的液滴聚結(jié)，從而實(shí)現(xiàn)破乳[16]。

膜破乳是一種高效低能、應(yīng)用范圍比較廣的新型破乳方法。此破乳方法在理論上可行，但經(jīng)濟(jì)成本過高。此外，膜破乳法也有一些弊端，如：單位膜面積的處理能力有限，膜破乳對(duì)環(huán)境的污染也比較嚴(yán)重。同時(shí)，由于滲透速率的快速下降或低通量，導(dǎo)致膜破乳受到嚴(yán)重限制，因?yàn)榭兹菀妆挥臀蕉氯?/p>

2 生物破乳法及其特點(diǎn)

生物破乳法的主要作用機(jī)理是具有一定性質(zhì)的微生物在代謝過程中會(huì)產(chǎn)生特定物質(zhì)，而這種物質(zhì)會(huì)破壞原油乳狀液的穩(wěn)定性[17]。生物破乳劑大致可以分為兩大類：細(xì)胞結(jié)合破乳劑和細(xì)胞外代謝破乳劑[18]。在細(xì)胞結(jié)合破乳劑中，細(xì)胞壁表面分子，如：蛋白質(zhì)被認(rèn)為是破乳劑。細(xì)胞外代謝破乳劑主要由細(xì)胞分泌的脂肽和糖脂化合物組成。其次，所生產(chǎn)的生物破乳劑的化學(xué)結(jié)構(gòu)可以通過改變培養(yǎng)條件而改變。應(yīng)注意，即使是生物表面活性劑化學(xué)結(jié)構(gòu)的微小改變也會(huì)顯著影響其活性。生物破乳劑的活性與其培養(yǎng)條件相關(guān)。首先，有利條件的刺激會(huì)增加微生物的產(chǎn)量。此外，如果存在環(huán)境壓力（例如：缺乏氮源或有毒化合物的積累），碳?xì)浠衔锿?xì)菌生產(chǎn)破乳劑的量也會(huì)大大減少。因此，培養(yǎng)基的組成（例如：碳源和氮源）會(huì)影響生物破乳劑的產(chǎn)量和活性。

生物破乳劑有其顯著優(yōu)勢(shì)，如：更多樣的化學(xué)結(jié)構(gòu)、更高的生物降解性、更低的成本和更少的毒性）[19]。同時(shí)，生物破乳劑在一定條件下是一種可再生資源，具備無污染、繁殖能力強(qiáng)、經(jīng)濟(jì)性高、能在短時(shí)間內(nèi)快速破乳等優(yōu)點(diǎn)。但其缺點(diǎn)也很明顯，承擔(dān)破乳劑角色的微生物培養(yǎng)周期長、破乳效果不穩(wěn)定。

3 化學(xué)破乳法及其特點(diǎn)

時(shí)至今日，國內(nèi)外采油工廠大多仍是使用化學(xué)藥劑來進(jìn)行破乳工作[20]。此破乳技術(shù)一般是指在油水乳狀液中加入化學(xué)藥劑來破壞其穩(wěn)定性，從而實(shí)現(xiàn)從乳狀液中脫出水的目的?；瘜W(xué)破乳劑的應(yīng)用是解決原油乳狀液破乳的最常見策略之一[21]，它涉及到兩親分子的使用，由于其界面活性，加速了界面膜的破裂，從而促進(jìn)了水滴的絮凝和凝聚[22]。按照帶電性質(zhì)的不同，此類化學(xué)破乳劑一般可分成：陰離子型、陽離子型以及非離子型等。當(dāng)前的研究工作主要集中于開發(fā)成本效益高且環(huán)境友好的化學(xué)破乳劑，以滿足石油公司規(guī)范（原油的最大允許含水率通常為0.1%～0.5%）。

化學(xué)破乳劑的主要優(yōu)勢(shì)在于它可以很容易地整合到現(xiàn)有的無油分離裝置中，而無需關(guān)閉設(shè)備。同時(shí)，化學(xué)破乳法的經(jīng)濟(jì)成本低、現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用也很多，但在破乳過程中會(huì)生成一些有害的副產(chǎn)物，不利于我們建設(shè)環(huán)境友好型社會(huì)。

4 化學(xué)和物理相結(jié)合的破乳方法及其特點(diǎn)

此方法的其中一種就是將磁性納米顆粒和微波結(jié)合起來共同用于原油乳狀液的破乳。

磁性納米顆粒吸附于油滴上會(huì)使其表面產(chǎn)生電磁作用，此時(shí)再將其置于微波產(chǎn)生的高頻率電磁場(chǎng)下，二者會(huì)產(chǎn)生耦合協(xié)同作用，使得破乳效果更好。因其對(duì)環(huán)境無污染、方便回收重復(fù)利用的特性，成為了相關(guān)研究人員關(guān)注的焦點(diǎn)。磁性納米顆粒不僅具有普通納米顆粒的優(yōu)良特性，而且還表現(xiàn)出更好的分散性和明顯的磁響應(yīng)性，這使得它們能夠更加快速地分散并吸附到油水界面，進(jìn)而破壞乳狀液的穩(wěn)定性[23]。除此之外，磁性納米顆粒在對(duì)油水乳狀液破乳后會(huì)停留在水相中。通過在外部添加磁場(chǎng)的方式，可以對(duì)其進(jìn)行回收利用[24]。這樣既可以避免對(duì)其不恰當(dāng)處理而引起環(huán)境污染，同時(shí)也能使用磁性納米顆粒來進(jìn)行多次破乳，以求實(shí)現(xiàn)資源的最大化利用。

此破乳方法破乳效率高、成本較低，但也存在一些不足之處，如：我們尚未研究清楚其協(xié)同破乳的作用機(jī)理，尋找適合用于破乳的磁性納米顆粒也是困難的，另外研制適合用于工業(yè)的微波破乳設(shè)備也需要一定的時(shí)間。

5 總結(jié)與展望

隨著原油消耗量的日趨增加，我們不得不發(fā)展研究各種各樣的采油技術(shù)。這些新型的采油技術(shù)提高了原油的采出率，同時(shí)間接導(dǎo)致了原油乳狀液的構(gòu)成成分更加復(fù)雜，也更加穩(wěn)定。這就使得破乳工作較之以往更加困難。綜合來看，一些較為成熟的破乳方法，如：沉降分離破乳法、電破乳法以及化學(xué)破乳法等破乳方法研究深入，其破乳機(jī)理了解地清楚透徹。這些破乳方法在現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用廣泛，在各大油田的破乳工作中仍占有舉足輕重的地位。除此之外，還有一些比較先進(jìn)的破乳方法，由于其具備環(huán)保且破乳效率高等優(yōu)點(diǎn)，近些年來的發(fā)展也越來越來快。這類破乳法，如：微波破乳法、超聲波破乳法、磁性納米顆粒加微波協(xié)同破乳的方法等都還處在實(shí)驗(yàn)室研究階段，尚未投入工業(yè)應(yīng)用。需要進(jìn)一步研究清楚并掌握它們的破乳作用機(jī)理才能大規(guī)模應(yīng)用于實(shí)踐。在廣大科研人員的通力合作下，這些新型的破乳方法肯定會(huì)有更加光明的未來。