利用多重光散射原理分析石油磺酸盐乳状液稳定性

窦 韦，刘 霜



利用多重光散射原理分析石油磺酸盐乳状液稳定性

窦 韦，刘 霜

（东北石油大学 提高采收率教育部重点实验室，黑龙江 大庆 163318）

对石油磺酸盐中的活性物质进行了提取，利用Turbiscan Lab稳定性分析仪多重光散射原理，对石油磺酸盐活性物与原油乳状液稳定特性进行了研究。测量了TSI稳定指数和粒径大小随时间的变化值，并通过光强度曲线变化分析静置后乳状液的状态变化。结果显示，转速越高TSI值越小，乳状液的稳定性越好。转速为4 000 r/min的乳状液平均粒径值最小，并且达到了极稳定乳状液粒径范围。根据光强度曲线的变化能够客观地反映出上浮、絮凝和聚结等一系乳状液体系的变化，较大地提高了效率和准确度。

光散射；稳定性；粒径

石油磺酸盐作为一种应用广泛的阴离子型表面活性剂，具有生产工艺简单，成本相对较低，水溶性好，与原油配伍性强，高界面活性等优点。使它成为矿场试验及研究最为深入的一种驱油用表面活性剂。石油磺酸盐是一种十分复杂的混合物，通常驱油用石油磺酸盐由无机盐、未磺化油、以及石油磺酸钠（也称有效物或者活性物）等组成。其中未磺化油、无机盐会在一定程度上对乳状液稳定性产生较大的影响[1]。因此为了精确的研究石油磺酸盐乳化性能，本实验提取了石油磺酸盐中的活性物质，对活性物与原油形成乳状液的稳定性进行评价。

乳状液稳定性评价方法有多种，光散射是近年来发展迅速的测定方法，主要有：小角光散射法、动态光散射法和多重光散射法等[2]。目前最好的乳状液评价仪器之一是基于多重光散射的稳定分析仪Turbiscan，具有操作便利、结果准确的特点。

1 实验部分

1.1 实验试剂与仪器

原油密度0.853 g/cm3；石油磺酸盐（含量50%）；大庆三厂污水；无水乙醇，石油醚，异丙醇，正戊烷（均为分析纯）。

Turbiscan Lab稳定性分析仪；ULTRA-TURRAX T25 digital分散机；红外烘箱；分液漏斗。

1.2 实验原理

图1 仪器测量原理

1.3 实验方法

1.3.1 活性物提取

将石油磺酸盐样品放入红外烘箱至恒重，向剩余物中加入热无水乙醇、石油醚交替洗涤3~4次，除去无机盐。将脱盐后的样品中按照体积比3:1加入50%异丙醇-水和正戊烷进行萃取，得到上层液和部分活性物；向分离出的上层液中按照体积比1:1加入50%异丙醇-水和正戊烷进行反萃取。反萃取后得到的活性物与之前得到的活性物合并，放入红外烘箱至恒重，从而得到活性物质。

1.3.2 乳状液制备

将石油磺酸盐活性物质配置成浓度0.3%的水溶液。将原油样品和活性物水溶液按照1∶1的比例混合，用ULTRA-TURRAX T25 digital分散机在2 000、3 000、4 000 r/min的条件下搅拌5min。将得到的乳状液倒入样品玻璃瓶中，用Turbiscan Lab稳定性分析仪在恒温45 ℃条件下进行测量。每1 min扫描一次样品，共扫描120 min。

2 结果与分析

2.1 乳状液稳定指数分析

TSI是一个计算，它是将获得的仪器测量的原始数据：透射光和背散射光的信号直接计算而得。在选定的高度，比较每一次扫描测量对前一次扫描测量的光强度的变化，并将结果累计至样品总高度而获得一个结果，它不依赖于产品的数量。其值反映了样品不稳定的一个程度，稳定指数TSI越高，越不稳定。

图中可以直观的看出随着转速的增加，不稳定性动力学指数减小，说明乳状液稳定性越好。并且转速为4 000 r/min时，前20 min内TSI值相对于另外两条曲线增长缓慢。这是因为乳状液是一种液体以微小液珠形式分散在另一种与其不相溶液体中形成的多相分散体系，是热力学不稳定体系[3]。随着转速增加，液滴聚并阻力增大，乳状液的脱水率降低，稳定性增强。剪切力增大，使液滴的粒径减小，在连续相中的分布更加均匀，使得比表面积增大，乳化时所做的功以表面能形式贮存在油/水界面上，体系的总能量增加。并且随着时间的增加，体系的稳定性越差，在测量时间范围内不稳定性指数仍在缓慢增长，说明体系仍未达到稳定。

图2 不同转速下TSI值随时间变化曲

2.2 乳状液粒径分布影响

乳状液稳定后会产生分层，分层位置处于测试样品瓶中部，因此选取中部粒径变化曲线进行分析，如图3所示。

图3 不同转速下粒径随时间变化曲线

根据粒径分布曲线中粒径颗粒分布集中的程度以及随时间变化程度可判断出乳状液的稳定程度。初始阶段粒径曲线随时间变化明显，表明乳状液是不稳定的；40 min后粒径曲线随时间变化较小，表明该阶段乳状液逐渐趋于稳定。随着剪切速率的增加，乳状液粒径逐渐减小。若剪切速率较小，形成的油水界面积不稳定，内向水在油中分散不均匀，易形成尺寸较大的不规则水包；在静置时乳状液在重力的作用下水包下沉较快，造成大量破乳[4]。平均粒径大的乳状液容易聚并，稳定性相对较差。Simone研究发现对于极稳定原油乳状液粒径分布窄，且平均粒径为8 μm左右[5]。因此可进一步看出转速为4 000 r/min的乳状液稳定性最好，并且达到了极稳定乳状液粒径范围。

2.3 乳状液聚结分层过程分析

通过TSI指数和粒径曲线的分析得出转速为4 000 r/min的乳状液稳定性好，利用背散射光强值对该转速下乳状液聚并、分层过程进行分析。在参比模式下看原始数据，背散射光强度随样品瓶高度变化曲线如图4所示。

图4 背散射光强度随样品瓶高度变化曲线

从图中可以看出背散射光强随着样品高度和时间的变化均发生了改变。背散射光强度在扫描图的最左端（样品高度0~4.5 mm）减少，颗粒的浓度在底部降低；在样品高度范围4.5~21mm内，背散射光强度值逐渐增加，颗粒的浓度增加，说明在乳状液样品下端发生不稳定的上浮现象，最后产生分层。分层的发生主要是因为油的密度比水小，造成油滴上浮。在图的右侧，样品高度范围21~43 mm，背散射光强度曲线下降平稳，在该区域乳状液发生了聚结或絮凝。分层和絮凝都不改变原来液滴的大小，只是在位置上发生变化。通常絮凝时，一个大的液滴在中间，一些小的液滴围在周围，形成一个比较大的统一体，搅拌之后絮凝的液滴又可以被分开。聚结时，通常是两个或者更多的液滴融合成一个液滴，降低了表面积，最终使乳状液变成单纯的油相和水相，聚结是不可逆转的过程[6]。

3 结 论

（1）乳状液TSI值随时间增大，随后趋于稳定。转速高的乳状液TSI值越小，乳状液的稳定性越好。

（2）转速为4 000 r/min时乳状液平均粒径值最小，达到了极稳定乳状液粒径范围，并且平均粒径越小乳状液越稳定。

（3）采用稳定性分析仪测量，不仅能观测到反映乳状液状态的稳定指数随时间的变化值，还能观测乳状液粒径大小的变化，并能根据曲线光强度的变化客观地反映出上浮、絮凝和聚结等一系乳状液体系的变化，较大地提高了效率和准确度。

［1］ 刘磊. 石油磺酸盐与原油的配伍性研究[D]. 大庆：东北石油大学，2013.

［2］ 程航，黄翔峰，刘佳等. 原油乳状液稳定性评价指标研究进展[J].化学世界，2009：295-296.

［3］ 康万利，李金环，赵学乾. 界面张力和乳滴大小对乳状液稳定性的影响[J]. 油气田地面工程，2015(24)：11-12.

［4］ 张文玲，徐冬梅，韩晓强，等. 建立一种检测乳状液油滴粒径的方法[J]. 新疆石油科技，2007(17)：46-47.

［5］Less S,Hannisdal A,Bjorklund E,et al. [J].Fuel,2008,87(12):2572-2581.

［6］李奇. 阴非离子表面活性剂油水界面性质研究[D]. 成都：西南石油大学，2014.

Analysis on the Stability of Petroleum Sulfonate Emulsion Based on Multiple Light Scattering Principle

DOU Wei，LIU Shuang

（ Key Laboratory of Enhanced Qil Recovery of Education Ministry,Northeast Petroleum University,Heilongjiang Daqing 163318,China）

Active substances in petroleum sulfonate were extracted. Through using multiple light scattering principle of Turbiscan lab stability analyzer, the stability of the petroleum active substance and crude oil emulsion was studied. Changes of TSI stability index and the particle size with time were measured, and change of the state of the emulsion was analyzed by the variation of light intensity curve. The results show that, the higher the rotation rate, the smaller the TSI, the better the stability of emulsion. When the rotation rate is 4 000 r/min, mean particle size of the emulsion is the minimum, and achieves a very stable emulsion particle size range. The variation of light intensity curve can objectively reflect the changes of flotation, flocculation and coalescence of emulsion system.

Light scattering; Stability; Particle size

O 657

A

1671-0460（2016）06-1138-03

2016-05-04

窦韦（1992-），女，河北省唐山人，硕士研究生，研究方向：从事提高采收率原理方面研究。E-mail：shuiyeyl@qq.com。