原油乳状液破乳方法的研究进展

马玉丽

（西安石油大学， 陕西 西安 710065）

随着社会现代化进程的加快，对石油的需求量逐年增加。为了使石油的采出率更高，采油工厂大多利用化学技术进行采油工作。这就导致构成原油乳状液的物质较之以往更为复杂多样、其稳定性强、不易破乳[1]。大多数原油最初在油田以乳状液的形式生产。因此，石油工业面临的一个重要问题就是去除原油中的乳化水，否则将导致原油运输设备的腐蚀损坏[2]，同时影响下游炼油厂的正常操作。传统的破乳剂通常由亲水性和疏水性基团组成，这使得它们能够吸附在油水界面上，从而破坏乳状液的稳定性。然而，尽管它们的破乳效率较高，但在破乳后，破乳剂仍将停留在油相或水相中，从而造成额外的环境问题。因而怎样高效环保地对原油乳状液进行破乳就成为了一个急需攻克的难关[3]。尽管在过去的几十年中科研人员为研究可靠和高效的破乳方法做出了巨大努力[4]，但大多数原油乳状液不能在短时间内破乳。事实上，破乳操作是去除生产平台和炼油厂原油中水分的关键过程。

破乳是破坏乳状液稳定性并导致分散液滴聚集和分离的过程。目前，破乳方法大致可以分为：物理破乳法、生物破乳法以及化学破乳法。这些破乳方法可以帮助我们更快地从原油乳状液中脱出水，但也各有其局限性。

1 物理破乳法及其特点

物理破乳法有：沉降分离破乳法、电破乳法、超声波破乳法、微波破乳法以及膜破乳法等。

1.1 沉降分离破乳法

沉降分离破乳法是相对比较简单的一种原油乳状液破乳方法。其破乳原理是利用重力作用初步分离油相和水相。由于油的密度比水小，分离后，上部是油相，下部是水相。

这种破乳方法一般用于含水量比较高的原油乳状液。其所用破乳设备简单，消耗能源少，但是破乳效率不高，花费时间较长。

1.2 电破乳法

电破乳法的破乳机理就是对原油乳状液施加高压电场，在强电场的作用下，水滴将会发生形变并伴随静电力的产生[5]。此时，油水乳状液的界面膜的机械强度会逐渐减小。同时，产生的静电力也会加速水滴的移动，从而增大其动能，使水滴间的互相碰撞变得更加剧烈，聚集成为更大的水滴，最终因两相密度存在差异而发生水相沉降和分离[6]。这种破乳方法可以减少对化学破乳剂的需求。但是，此破乳方法可能会由于发生短路或电弧而存在过量的水，最近的静电格栅设计消除了短路或电弧[7]。

电破乳法相比于其它的破乳方法来说较为成熟[8]，但如果原油乳状液中的水含量过高，此时就无法构建稳定的电场来进行破乳工作。因此，电破乳法也有其局限性。

1.3 超声波破乳法

超声波处理（UST）是一种原油乳状液的破乳方法。其破乳原理可描述如下：增强的液滴振荡加速了液滴的碰撞，以促进其聚结，部分声能传递的热量降低了乳状液的粘度和界面膜的强度。此外，液滴定向聚集到压力节点或反节点，并在超声波驻波（USW）中形成液滴带，这可以提高液滴聚结的效率[9]。超声处理（UST）后，油水乳状液中的平均水滴大小变化很小[10]。与常规加热和添加破乳剂相比，在声学振动作用下，乳化介质中的条件会发生变化，从而使分散介质液滴聚结，并且破乳发生得更为活跃[11]。

与常规破乳方法相比，超声波处理可确保原油的脱水程度更高[12]。超声波破乳法具有适应性较好、效率较高、低温破乳等优点，但目前尚无合适的工业设备将其应用于采油现场。

1.4 微波破乳法

微波破乳就是用高频电磁波辐射处理原油乳状液[13]，其作用机理是利用微波的热效应和非热效应。热效应意味着极性水分子吸收能量进而膨胀，并且界面膜在压力作用下变得更薄，这使其更容易破乳。非热效应主要体现在极性水分子在微波辐射形成的高频电磁场中高速扭曲，导致油水界面膜的机械强度较低，更容易破裂；微波破乳可以显著降低Zeta 电位，使液滴更容易碰撞和聚结，并实现油水分离[14]。微波技术可以快速加热乳状液，有利于通过热效应将原油乳状液分离成水相和油相，有利于化学破乳剂的扩散，有利于破坏原油乳状液的稳定性[15]。

微波破乳法是原油乳状液破乳脱水的有效方法，其具备破乳效率高、升温速度快、适用乳状液范围广、保护环境等特点。然而，对于乳化程度较高的原油乳状液，只使用微波破乳的方法，也很难达到含水率1%的质量指标。同时，目前我们对微波破乳的实验机理了解地并不清楚，一些细节方面的设计处理也不够精确，因此要将此破乳方法应用于现场还有一段路要走。

1.5 膜破乳法

膜破乳法的主要作用机理是油水乳状液通过微孔膜，使得分散的液滴聚结，从而实现破乳[16]。

膜破乳是一种高效低能、应用范围比较广的新型破乳方法。此破乳方法在理论上可行，但经济成本过高。此外，膜破乳法也有一些弊端，如：单位膜面积的处理能力有限，膜破乳对环境的污染也比较严重。同时，由于渗透速率的快速下降或低通量，导致膜破乳受到严重限制，因为孔容易被油吸附堵塞。

2 生物破乳法及其特点

生物破乳法的主要作用机理是具有一定性质的微生物在代谢过程中会产生特定物质，而这种物质会破坏原油乳状液的稳定性[17]。生物破乳剂大致可以分为两大类：细胞结合破乳剂和细胞外代谢破乳剂[18]。在细胞结合破乳剂中，细胞壁表面分子，如：蛋白质被认为是破乳剂。细胞外代谢破乳剂主要由细胞分泌的脂肽和糖脂化合物组成。其次，所生产的生物破乳剂的化学结构可以通过改变培养条件而改变。应注意，即使是生物表面活性剂化学结构的微小改变也会显著影响其活性。生物破乳剂的活性与其培养条件相关。首先，有利条件的刺激会增加微生物的产量。此外，如果存在环境压力（例如：缺乏氮源或有毒化合物的积累），碳氢化合物同化细菌生产破乳剂的量也会大大减少。因此，培养基的组成（例如：碳源和氮源）会影响生物破乳剂的产量和活性。

生物破乳剂有其显著优势，如：更多样的化学结构、更高的生物降解性、更低的成本和更少的毒性）[19]。同时，生物破乳剂在一定条件下是一种可再生资源，具备无污染、繁殖能力强、经济性高、能在短时间内快速破乳等优点。但其缺点也很明显，承担破乳剂角色的微生物培养周期长、破乳效果不稳定。

3 化学破乳法及其特点

时至今日，国内外采油工厂大多仍是使用化学药剂来进行破乳工作[20]。此破乳技术一般是指在油水乳状液中加入化学药剂来破坏其稳定性，从而实现从乳状液中脱出水的目的。化学破乳剂的应用是解决原油乳状液破乳的最常见策略之一[21]，它涉及到两亲分子的使用，由于其界面活性，加速了界面膜的破裂，从而促进了水滴的絮凝和凝聚[22]。按照带电性质的不同，此类化学破乳剂一般可分成：阴离子型、阳离子型以及非离子型等。当前的研究工作主要集中于开发成本效益高且环境友好的化学破乳剂，以满足石油公司规范（原油的最大允许含水率通常为0.1%～0.5%）。

化学破乳剂的主要优势在于它可以很容易地整合到现有的无油分离装置中，而无需关闭设备。同时，化学破乳法的经济成本低、现场应用也很多，但在破乳过程中会生成一些有害的副产物，不利于我们建设环境友好型社会。

4 化学和物理相结合的破乳方法及其特点

此方法的其中一种就是将磁性纳米颗粒和微波结合起来共同用于原油乳状液的破乳。

磁性纳米颗粒吸附于油滴上会使其表面产生电磁作用，此时再将其置于微波产生的高频率电磁场下，二者会产生耦合协同作用，使得破乳效果更好。因其对环境无污染、方便回收重复利用的特性，成为了相关研究人员关注的焦点。磁性纳米颗粒不仅具有普通纳米颗粒的优良特性，而且还表现出更好的分散性和明显的磁响应性，这使得它们能够更加快速地分散并吸附到油水界面，进而破坏乳状液的稳定性[23]。除此之外，磁性纳米颗粒在对油水乳状液破乳后会停留在水相中。通过在外部添加磁场的方式，可以对其进行回收利用[24]。这样既可以避免对其不恰当处理而引起环境污染，同时也能使用磁性纳米颗粒来进行多次破乳，以求实现资源的最大化利用。

此破乳方法破乳效率高、成本较低，但也存在一些不足之处，如：我们尚未研究清楚其协同破乳的作用机理，寻找适合用于破乳的磁性纳米颗粒也是困难的，另外研制适合用于工业的微波破乳设备也需要一定的时间。

5 总结与展望

随着原油消耗量的日趋增加，我们不得不发展研究各种各样的采油技术。这些新型的采油技术提高了原油的采出率，同时间接导致了原油乳状液的构成成分更加复杂，也更加稳定。这就使得破乳工作较之以往更加困难。综合来看，一些较为成熟的破乳方法，如：沉降分离破乳法、电破乳法以及化学破乳法等破乳方法研究深入，其破乳机理了解地清楚透彻。这些破乳方法在现场应用广泛，在各大油田的破乳工作中仍占有举足轻重的地位。除此之外，还有一些比较先进的破乳方法，由于其具备环保且破乳效率高等优点，近些年来的发展也越来越来快。这类破乳法，如：微波破乳法、超声波破乳法、磁性纳米颗粒加微波协同破乳的方法等都还处在实验室研究阶段，尚未投入工业应用。需要进一步研究清楚并掌握它们的破乳作用机理才能大规模应用于实践。在广大科研人员的通力合作下，这些新型的破乳方法肯定会有更加光明的未来。