2. 浙江省水利水电勘测设计院, 浙江 杭州 310000
2. Zhejiang Design Institute of Water Conservancy and Hydroelectric Power, Hangzhou 310000, China
含油污泥是在石油开采、炼制、储存、运输等过程中产生的主要固体废弃物之一.含油污泥成分复杂, 含有大量老化原油、沥青质、蜡质、水分、悬浮固体以及各种酸性、腐蚀性药剂, 内含苯系物、酚类、蒽、芘、重金属等有毒有害物质[1-3], 如不妥善处置将会对周围环境和人类健康造成严重危害.随着原油消耗的急剧增加, 我国每年产生的含油污泥将超过500万吨[4].由于有较高的含油率, 含油污泥的资源化利用价值很高.油泥离心相分离技术具有能耗低, 污染小, 操作简单等优点, 适合油泥资源化利用的工业应用.然而油泥呈一种稳定的油包水(W/O)乳化状态, 其中的水以乳化水的形式存在, 使得离心分离过程中脱水困难, 导致回收油品的品质下降.因此在离心分离前, 通常会对油泥进行预处理来破乳、降黏以提高脱水率.新兴的油泥脱水预处理技术有超声波、微波、冷冻/融化技术[5-7], 但由于受成本限制还未得到大规模应用.传统的预处理技术有加热降黏、电场破乳、添加破乳型表面活性剂破乳[8-10].其中, 添加破乳型表面活性剂破乳的方法操作简便, 可以快速有效地破坏油泥的油水界面膜, 脱水率高.在阎松等[11]研究中, 向油泥中添加了十二烷基苯磺酸钠、碳酸钠、聚丙烯酰胺复配药剂, 在实验最佳工况下, 离心分离后油泥脱水率可达92.17%.
微乳液具有超低的界面张力及良好的润湿、乳化、分散和增溶能力[12], 已被广泛应用于3次采油, 也有关于微乳液洗脱油泥砂中油分的研究[13-14].本文利用微乳液对油泥进行离心脱水预处理, 通过差示扫描量热(differential scanning calorimetry, DSC)分析获得微乳液法预处理前后油泥样品离心分离各层的含水率及乳化水粒径, 结合核磁分析探讨了微乳液法预处理脱除油泥中乳化水的机理.并研究了微乳液中油相、助表面活性剂及表面活性剂复配对脱水效果的影响.
1 实验 1.1 实验材料实验所用油泥样品取自中化兴中石油转运(舟山)有限公司, 属于罐底油泥.如图 1所示, 其外观呈黑色半固态, 有典型的石油类气味.由于渣含量少, 兴中油泥表面平滑, 流动性较好.从图 1的显微照片可以看出, 兴中油泥中的水分以粒径大小不一的乳化水形式存在, 且水油乳化严重.
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图 1 油泥外观及显微照片 Fig. 1 Gross and microscopic appearance of petroleum sludge |
油泥中水、油、渣三相比例采用以甲苯为抽提剂的共沸蒸馏法获得, 油泥的元素分析采用长沙开元仪器股份有限公司生产的5E-CHN 2000元素分析仪来完成, 下标ar为收到基, 即用来进行元素分析的油泥样品未经任何前处理.如表 1所示为油泥的三组分和元素组成,w为质量分数.从油泥中分离出的油相, 按照国家标准《岩石可溶有机物及原油族组分分析》(SY/T 5119-2008) 分析其族组分质量分数, 如表 2所示.Olympus BX53型显微镜用来观察油泥的油包水乳化状态及乳化水的数量和粒径变化.油-水界面张力由视频接触角测试仪OCA 20测得.油泥样品的含水率由METELLER TOLEDO DSC 1型差示扫描量热仪进行差示扫描量热分析获得.表面活性剂的H1核磁谱图和2D NOESY谱图由Bruker DMX-500型核磁共振波谱仪获得.
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表 1 油泥的组成成分 Table 1 Components of petroleum sludge |
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表 2 油泥油相的族组分 Table 2 Analysis of extracted oil from petroleum sludge |
实验中配制微乳液用到的油相有甲苯、煤油, 表面活性剂选用了壬基酚聚氧乙烯醚(nonylphenol polyoxyethylene, NP-10)、十六烷基三甲基溴化铵(cetyl trimethyl ammonium bromide, CTAB), 助表面活性剂选用了乙醇、异丙醇、正丁醇, 以上均为分析纯.先配制表面活性剂和助表面活性剂的混合液, 质量比为1:9.然后将混合液滴入水油质量比为1:1的水和油相中, 直至体系澄清透明, 即制得微乳液[15].文中所用微乳液均为Winsor IV型, 即为单相微乳液, 且为水包油型.
为保证样品均匀, 实验前将油泥样品用电动搅拌器搅拌15 min.然后将质量分数为5%的微乳液加入油泥中, 搅拌均匀, 加入4 ml离心管中制成离心样品.将离心样品在水浴中加热到25 ℃, 期间注意避免水分进入样品中.然后将配平的离心样品放到离心机里, 设置离心参数为4 000 r/min, 10 min, 进行离心分离.结束后, 除去从油泥中脱除掉的自由水, 按需要取离心样品上层, 中层及下层[16-17]的部分进行含水率测定.
1.3 含水率的表征实验中采用一台METTLER TOLEDO公司生产的差示扫描量热仪进行DSC分析.为了保护炉体和增加测试稳定性, 实验开始前10 min, 通氮气并保持氮气的流速40~50 ml/min.实验时打开制冷机来达到需要的低温, 降温和升温速率设定为5 ℃/min.实验时炉内温度会先从室温升高至50 ℃, 使油泥样品预热后平铺坩埚.然后再降温至-60 ℃, 最后再升温至20 ℃到实验结束.油泥样品在密封的铝制坩埚中经历冷却和加热过程, 样品中的水分在结晶和熔融过程中的放热和吸热热流会被记录.
根据差示扫描量热法的原理, 通过分析油泥在熔融过程中的总吸热量可以计算出油泥含水率为[18]
${{w}_{1}}=\frac{{{m}_{\text{w}}}}{{{m}_{\text{s}}}}.$ | (1) |
式中:mw为油泥样品中水的质量, ms为油泥样品的质量.其中mw为
${{m}_{\text{w}}}=\frac{{{Q}_{\text{w}}}}{{{H}_{\text{f}}}}.$ | (2) |
式中:Qw为样品在熔融阶段的总吸热量, Hf为凝结水的熔融焓, 233 J/g, 并认为不随温度变化.Qw和Hf可以通过DSC分析的数值积分来获得
${{Q}_{\text{w}}}={{m}_{\text{s}}}{{q}_{\text{w}}}=\text{ }{{m}_{\text{s}}}\int_{{{t}_{b}}}^{{{t}_{a}}}{q\text{dt}}={{m}_{s}}\sum\nolimits_{i=1}^{i=N}{\Delta {{t}_{i}}}~{{q}_{i}}.$ | (3) |
${{H}_{\text{f}}}=\int_{{{t}_{a}}}^{{{t}_{b}}}{q\text{dt}}=\sum\nolimits_{i=1}^{i=N}{\Delta {{t}_{i}}}{{q}_{i}}.$ | (4) |
式中:qw为单位质量样品在熔融阶段吸收的热量, ta和tb分别为已知加热速率下, DSC曲线中熔融开始和结束的时间.Δti为数值积分区间, qi为在时间ti时的热流.油泥的含水率w1可由式(5) 来表示:
${{w}_{1}}=\frac{{{m}_{\text{w}}}}{{{m}_{\text{s}}}}=\frac{{{q}_{\text{w}}}}{{{H}_{\text{f}}}}.$ | (5) |
式中:qw通过对熔融峰的积分得到.
2 结果及讨论 2.1 离心分离后上中下层水分布如图 2所示为油泥原样及微乳液预处理后的样品在经过离心分离后上、中、下层的DSC曲线, 所用微乳液油相为煤油, 质量分数为7.10%.表面活性剂为NP-10, 质量分数为8.59%.助表面活性剂为乙醇, 质量分数为77.22%.θ为温度, Φ为单位质量油泥样品的热流.如图 2(b)所示, 油泥原样和原样离心分离后上、中、下层的DSC曲线的熔融峰基本重合.微乳液法预处理前后离心分离各层的含水率如表 3所示.从表 3中可以看出, 这几个样品的含水率都在55%左右, 相差不大.这说明在一定离心参数下, 单纯的离心分离并不能达到使油泥样品中的水滴沉降的目的.这是因为油泥中的水以乳化水的形式存在, 而且油泥的油水乳化状态很稳定, 油-水界面稳定的界面膜阻碍了乳化水滴的聚并和沉积.所以单纯的离心分离并不足以破坏稳定的油包水乳化状态, 使得水滴沉降.
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图 2 微乳液法预处理前后离心分离后各层的DSC曲线 Fig. 2 DSC of different layers after centrifugation with and without pretreatment of micro-emulsionmethod |
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表 3 微乳液法预处理前后离心分离各层的含水率 Table 3 Water content of different layers after centrifugation with and without pretreatment of micro-emulsionmethod |
加入微乳液预处理后的的样品在同样参数的离心分离后, 上、中、下层的DSC曲线与油泥原样相比有明显的差别.首先是熔融峰明显变小, 而且上层的熔融峰明显小于中层和下层.从表 3来看, 上层的含水率有较大降低, 中、下层的含水率也低于原样离心分离后中、下层的含水率.这说明经微乳液预处理后, 再通过离心分离可以改变上、中、下层的水分布.这是由于微乳液具有超低的界面张力, 加入到油泥中可以破坏油-水界面的界面膜, 从而破坏油包水乳化状态, 使得水滴可以通过离心分离沉降, 最终脱除掉的水分以自由水的形式存在.
其次是峰位置和峰形状的变化, 如图 2(a)所示, 微乳液预处理后, 离心分离上层样品的结晶峰峰宽变窄且左移, 结晶温度降低.
研究表明, 结晶温度降低说明乳化水的粒径变小[19].如图 3所示为微乳液法预处理前后离心分离各层的显微照片.从图 3中可以看出, 油泥原样中乳化水滴粒径大小不均, 经微乳液处理并离心后, 上层只剩下了部分粒径较小的乳化水滴.中层和下层的乳化水滴粒径较大, 数量较多, 这是乳化水滴聚并沉降的结果.经微乳液预处理并离心后, 中层和下层因为出现了自由水, 所以结晶峰表现为高而尖, 和油泥原样的结晶峰形状有较大差别.
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图 3 微乳液法预处理前后离心分离各层的显微照片 Fig. 3 Micrographs of different layers after centrifugation with and without pretreatment of micro-emulsion method |
从图 2(b)中可以发现, 微乳液预处理后样品的熔融峰左移, 这是由于添加的微乳液中作为助表面活性剂的乙醇占有很大的比例, 而乙醇的熔点为-114.1℃, 远远低于水的熔点0 ℃.乙醇添加到水中, 混合溶液的熔点介于两者之间.本实验中, 微乳液的添加量为油泥质量的5%, 所以微乳液处理后样品的熔融峰左移幅度不大.
2.2 油相及助表面活性剂对脱水效果的影响微乳液是由水或者电解质的水溶液、油相、表面活性剂及助表面活性剂(通常为醇类)在一定条件下自发形成的透明或半透明的均一稳定的纳米流体.本实验中, 表面活性剂选用了非离子型表面活性剂NP-10, 研究了2种不同的油相和3种不同的助表面活性剂作用下, 对油泥中乳化水的脱除效果.这6种微乳液中各成分的质量分数如表 4所示.实验取离心分离后上层的油泥样品进行DSC分析, 计算含水率来表征乳化水的脱除效果.油泥中乳化水的脱除率为
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表 4 微乳液中各成分的质量分数 Table 4 The composition of micro-emulsions |
$\eta =\frac{{{w}_{o}}-{{w}_{i}}}{{{w}_{o}}}.$ | (6) |
式中:wo为油泥原样离心分离上层样品的含水率, wi为经某种微乳液预处理后, 油泥离心分离上层样品的含水率.
不同的油相和助表面活性剂作用下油泥样品的DSC曲线如图 4所示, 从图 4中可以看出, 无论是以甲苯还是煤油为油相, 正丁醇作为助表面活性剂时, 经微乳液预处理后油泥样品的熔融峰都最小.不同油相和助表面活性剂作用下油泥中乳化水的脱除率如表 5所示, 从表 5中也可以看出, 正丁醇作为助表面活性剂的脱水效果最好, 脱除率最高达94.60%.
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图 4 不同的油相和助表面活性剂作用下油泥样品的DSC曲线 Fig. 4 DSC of petroleum sludge samples with different oil phase and cosurfactant |
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表 5 不同油相和助表面活性剂作用下乳化水的脱除率 Table 5 Dewatering rate of petroleum sludge with different oil phase and cosurfactant |
不同的醇作为助表面活性剂对油泥中乳化水的脱除效果不同, 是因为降低油-水界面张力的能力不同.用悬滴法测得了添加质量分数为20%不同的醇后, 油-水体系中油-水界面张力γ的变化.如表 6所示, 添加乙醇、异丙醇、正丁醇均能降低油-水界面张力.在同样添加量下, 3种醇降低界面张力的能力为乙醇<异丙醇<正丁醇.而当煤油为油相, 异丙醇为助表面活性剂时, 对油泥中乳化水的脱除效果反而不如乙醇.这是因为对于相同量的水和煤油, 要配制成单相微乳液, 需要乙醇的量是异丙醇或者正丁醇量的2倍左右.所以油-水界面张力的降低与醇的种类和添加量都有关.正丁醇作为助表面活性剂配制的微乳液添加到油泥中, 可以更好地降低油-水界面张力, 破坏油包水乳化状态, 使乳化水更容易通过离心分离脱除.
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表 6 不同的醇对油-水界面张力的影响 Table 6 Effect of different alcohol on oil-water interfacialtension |
已有的研究发现, 表面活性剂复配后, 会出现良好的协同作用和增效作用[20], 而且可以弥补单一表面活性剂体系的不足.对于非离子表面活性剂来说, 其增溶性比较好, 但有一定的温度适用范围, 在很多环境中应用会受到限制.而离子型表面活性剂则恰恰相反, 它对温度很稳定, 亲水性也强, 把这2种表面活性剂进行复配, 可以很好地取长补短.
实验选用阳离子表面活性剂CTAB与非离子表面活性剂NP-10进行复配, 复配比例为1:6, 总的表面活性剂质量分数为8.31%.微乳液的油相为煤油, 质量分数为8.47%.助表面活性剂选用乙醇, 质量分数为74.75%.取微乳液预处理并离心分离后上层的油泥样品进行DSC分析如图 5所示, 计算含水率来表征乳化水的脱除效果如表 7所示.从图 5中可以看出, 相比于单独使用NP-10, 当质量比m(CTAB):m(NP-10)=1:6复配时, 油泥样品的熔融峰明显变小, 说明乳化水的含量显著下降.如表 7所示, 当m(CTAB):m(NP-10)=1:6复配时, 油泥样品中乳化水的脱除率高达95.23%, 相对于单独使用NP-10时的78.94%的脱除率有显著提高.同时, 当m(CTAB):m(NP-10)=1:6复配时, 从图 5中可以看出, 油泥样品的结晶峰左移且峰宽变小, 说明油泥样品中只剩下部分粒径很小的乳化水滴.
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图 5 单独或复配的表面活性剂作用下油泥样品的DSC曲线 Fig. 5 DSC of petroleum sludge samples with single or composite surfactant |
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表 7 单独或复配的表面活性剂作用下乳化水的脱除率 Table 7 Dewatering rate of petroleum sludge with single or composited surfactant |
复配的表面活性剂作用下油泥样品离心上层的显微照片如图 6所示, 从图 6中可以看出, m(CTAB):m(NP-10)=1:6时, 油泥经微乳液预处理后, 离心分离上层几乎没有乳化水滴.这说明采用CTAB和NP-10复配的表面活性剂配制的微乳液对油泥中的乳化水有很好的脱除效果.这是因为复配后的表面活性剂体系表面活性更高, 较单一的表面活性剂体系更容易降低油-水界面张力.
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图 6 复配表面活性剂作用下油泥样品离心上层的显微照片 Fig. 6 Micrographs of upper layer after centrifugation with composited surfactant |
如图 7所示为NP-10和CTAB及二者混合物的1H核磁谱图, δ为化学位移.如图 8所示为NP-10和CTAB的2D核磁NOESY谱图, 从谱图中可以看出2种表面活性剂分子之间是否存在相互作用.
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图 7 NP-10和CTAB及二者混合物的1H核磁谱 Fig. 7 1H NMR spectrum of NP-10 and CTAB and mixture of them |
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图 8 NP-10和CTAB混合物的2D NMR NOESY谱及局部放大图 Fig. 8 2D NMR NOESY spectrum and detail view of mixture of NP-10 and CTAB |
在图 8(a)的2D NMR NOESY谱图中, 2个轴均为NP-10和CTAB混合物的一维核磁1H谱的化学位移δ, 对角线上的交叉峰为质子与质子本身的相关点.非对角线上的点若能以对角线相互对称, 则对称的两点存在相互作用[21].从图 8(a)中可以看出有2个相互作用点, 对照图 7的1H核磁谱可以看出, 4H-5H是NP-10自身不同原子间的相互作用点, 而bH-7H则是CTAB与NP-10之间的相互作用点.离子型和非离子型的表面活性剂复配之后, 非离子型表面活性剂的分子会嵌插到离子分子之间, 图 8(a)说明NP-10分子嵌插到了CTAB分子间, 嵌插点为bH-7H.这使得原来离子型表面活性剂CTAB分子亲水头基之间的电性斥力减弱, 更容易形成胶束, 混合胶束的临界胶束浓度值比单一组分更低.因此复配体系的临界胶束浓度更低[22], 表面活性更高, 更容易降低油-水界面张力, 因而复配表面活性剂体系的脱水效率更高.
3 结论(1) 在一定离心参数下, 由于油泥的乳化稳定性高, 单纯的离心分离不能使油泥中的乳化水滴沉降.添加微乳液预处理后, 降低了油-水界面张力, 油-水界面膜被破坏, 经离心分离后, 乳化水滴聚并沉积到下层得以脱除.
(2) 以煤油或者甲苯作为微乳液油相时, 正丁醇作为助表面活性剂对油泥中乳化水的脱除效果最好.在同样添加量下, 3种醇降低油-水界面张力的能力为乙醇<异丙醇<正丁醇.煤油为油相, 正丁醇为助表面活性剂时, 脱水率最高, 可达94.60%.
(3) 阳离子表面活性剂CTAB与非离子表面活性剂NP-10按质量比为1:6进行复配时的脱水率为95.23%, 要高于相同条件下单独使用NP-10作为表面活性剂的脱水率78.94%.这是由于复配的表面活性剂体系表面活性更高, 通过2D NOESY核磁实验找到了2种表面活性剂的相互作用点bH-7H.
本文为微乳液法预处理脱除油泥中乳化水的可行性及表面活性剂复配提供了理论支撑, 为微乳液的配比优化提供了参考.进一步可以研究微乳液法预处理后离心分离的离心参数对脱水率的影响, 或者微乳液法与其他预处理方法耦合对油泥离心分离脱水效果的影响.
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