纳米破乳剂的制备及其在原油乳液中的破乳性能研究

发布时间：2020-03-27 22:41

【摘要】：目前,石油仍然是最重要的能源之一。大多数原油以稳定的W/O、O/W乳状液开采出来,其中的沥青质、胶质等天然活性物质吸附在油水界面上,形成稳定的界面保护膜,阻碍液滴的聚结。原油乳状液的油水分离是石油工业面临的严峻挑战之一,化学破乳即向原油乳状液中加入破乳剂是目前油田最常采用的破乳方法,纳米材料因其具有独特的物理与化学性质在石油工业领域受到广泛的关注,因此开发新型纳米破乳剂具有非常重要的意义。本文基于纳米材料独特的性质,制备了三种针对原油乳液的纳米破乳剂,研究了它们的破乳性能并探讨了其破乳机理。主要内容如下:以丙烯酸(AA)、丙烯酸甲酯(MA)和丙烯酸正丁酯(BA)为主要共聚单体,采用微悬浮法制备了一种丙烯酸酯类P(AA-BA-MA)纳米破乳剂。通过FT-IR、~1H-NMR、激光粒度仪等对P(AA-BA-MA)的结构进行了表征。采用瓶试法探讨了P(AA-BA-MA)纳米破乳剂对O/W原油乳液的破乳性能。研究结果表明:P(AA-BA-MA)的平均粒径为83.81 nm,能有效降低甲苯溶液的表面张力;当AA:MA:BA=3:1:6,破乳剂浓度为100 ppm以上时,对原油乳液具有良好的破乳性能,能快速高效的实现油水分离,破乳效率可达到85.91%以上,且水相清澈,油水界面整齐。采用混酸氧化法对碳纳米管(CNTs)进行修饰,再利用硅烷偶联剂将正硅酸乙酯(TEOS)原位水解产生的SiO_2接枝到氧化碳纳米管上,制备了一种纳米复合破乳剂CNTs/SiO_2。通过FT-IR、UV、XRD、FT-SEM对CNTs/SiO_2结构进行了表征,采用瓶试法和光学显微镜分别研究了其对W/O原油乳液的破乳性能和破乳机理。研究结果表明:CNTs/SiO_2的三相接触角(θ)约为92.8°,CNTs/SiO_2具有良好的界面活性,能快速扩散到油-水界面处;CNTs/SiO_2在界面的聚集和分布为界面保护膜的破坏提供了可能,可以快速地对W/O乳液破乳。当破乳剂浓度和时间分别为500 ppm和30 min时,破乳效率可达87.40%,水相清澈。利用乙酰丙酮铁(Fe(acac)_3)溶液为前驱体,采用水热法将Fe_3O_4纳米粒子接枝到氧化碳纳米管表面上,制备了一种磁性碳纳米管破乳剂(CNTs@Fe_3O_4)。通过FT-IR、XRD、FT-SEM、TEM、VSM对CNTs@Fe_3O_4结构进行了表征,采用瓶试法研究了CNTs@Fe_3O_4对O/W含油废水的破乳性能。研究结果表明:CNTs@Fe_3O_4具有良好的界面活性,能够快速地迁移到油-水界面处。破坏油-水界面处的界面保护膜是破坏乳液的关键,CNTs@Fe_3O_4通过π-π相互作用与沥青质和胶质分子相互作用,从而吸附沥青质分子产生不连续的界面膜;当Fe_3O_4含量为70%时,浓度和沉降时间分别为600 ppm和30 min时,水相透光率达到92.1%,相对应破乳效率达到99.6%;CNTs@Fe_3O_4具有优异的可回收性,循环四次破乳性能没有明显下降。
【图文】：

手指代表脂肪链；而将通过脂肪链连接具有两个以上芳香体系的沥青质比喻成“岛屿结构”（图1-1.b））。此后，Mullins 采用核磁共振（NMR）光谱、小角度中子散射（SANS）和小角度 X 射线散射（SAXS）等技术提出沥青质 Yen-Mullins 模型[13]。研究发现沥青质分子量为 ~750 g/moL，主要以“大陆结构”形式存在；沥青质分子在一定浓度下分层聚集形成纳米聚集体，如图 1-2 所示，6 个沥青质分子通过稠环芳烃的π-π堆积形成层状结构。此外，由于脂肪链的相互连接产生空间排斥作用，限制了纳米聚集体的增长。随着沥青质浓度增大，纳米聚集体进一步聚集形成沥青质胶束。一般而言，胶束中的纳米聚集体不超过 10 个，沥青质胶束以及沥青质分子间的相互作用形成交叉网络状的牢固界面膜。苗杰[18]等认为沥青质和水分子间通过氢键作用吸附在油-水界面，由于沥青质具有强极性和氢键以及π-π作用，沥青质能够形成一种超分子结构，阻碍了水滴的

图 1-2 Yen-Mullins 模型Fig.1-2 Yen-Mullins models[18]质结构中脂肪族的碳含量比沥青质高，胶质相对分子质量比沥青质小，机酸[19]。胶质是沥青质的良溶剂，对沥青质有分散作用，是沥青质分子的过渡形式，和沥青质具有强的协同作用。陈玉祥[20]等人认为胶质对沥解作用，能够阻碍沥青质的缔合、聚结，影响沥青质形成界面膜的强度沥青质在一定的浓度范围内，乳液的稳定性最好。夏立新[21]等认为沥青度大时，极易发生缔合而形成聚集体，界面膜排列不够致密，降低了乳定性。此外，相比较胶质而言，，由于沥青质分子质量较大，在更低的浓导致乳状液的稳定性下降。.2 环烷酸对原油乳状液稳定性的影响烷酸的结构与胶质、沥青质类似，是一种天然的烷基取代酸，原油中天环烷酸为主，约占总酸量 95%左右。环烷酸以羧基为亲水基团，芳香环
【学位授予单位】：长江大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TE39;TB383.1

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本文编号：2603494