含有共轭体系的炭基纳米材料用于原油乳状液破乳实验与分子动力学模拟研究

Demulsification of the oil-water mixture are always faced in the exploitation of crude oil, heavy oil production and processing and subsequent oily wastewater treatment. In view of that the traditional demulsifies generally have toxicity, poor universality, and serious dependence on operating temperature and the solution pH, novel demulsifiers are planed to be designed and synthesized using carbon-based nano-materials containing conjugated system such as the carbon nanotubes, graphene and g-carbon nitride materials. The lipohilic and hydrophilic properties of the materials will be reasonably controled and adjusted by modifying or grafting new specific functional groups on the molecules. To realize the recovery and recycling use of the demulsifiers, the demulsification materials are chemically grafted on magnetic nanoparticles to obtain the magnetic demulsifiers. Bottle test method is employed to evaluate the dewaterring efficiency of the prepared demulsifiers. The dynamical behavior and various physio-chemical phenomenon on a molecular level of the demulsification process are will be revealed by means of polarization microscope, AFM colloidal probe technique, molecular dynamics and quantum chemistry calculation methods. The targets of this project are to provide novel demulsifies with high dewatering efficiency to enhance the oil recovery and/or reduce the impact of emulsified oily wastewater to the environment.

在传统原油开采、重油生产加工以及后续污水处理过程中都面临油水乳状液破乳的重要环节。针对传统破乳剂一般具有毒性、普适性差，对破乳温度和pH等条件要求苛刻等问题，开展含有共轭体系的炭基纳米材料作为油水乳状液新型破乳剂的研究。以碳管、石墨烯和g-氮化碳等材料为原料，对材料分子结构上特定的官能团进行化学改性，合理调控其亲水/亲油性质，制备高效破乳剂。对破乳效果好的材料接枝磁性纳米粒子获得磁性纳米破乳剂，利用材料的磁性性质实现破乳材料的回收及循环使用。用瓶试法分析评价所合成的破乳剂对油水乳状液和乳化含油污水的破乳作用。利用偏光显微镜、AFM胶体探针技术、分子动力学模拟和量子化学计算等方法和技术手段研究破乳过程中的微观动力学行为和分子水平上的各种物理化学作用。本项目的开展将为我国油田工业提供技术支持，提高原油采收率，降低和减少乳化含油污水对环境的影响。

本项目针对传统破乳剂一般具有毒性、普适性差，对破乳温度和pH等条件要求苛刻等问题，开展了含有共轭体系的炭基纳米材料作为油水乳状液新型破乳剂的研究，取得了重要成果。本项目的开展为我国油田工业提供了新型高效纳米破乳材料，为提高原油采收率、降低和减少乳化含油污水对环境的影响具有重要作用和意义。.（1）油水乳状液的稳定性主要与原油中所含沥青质分子在油水界面上的聚集有关，通过分子动力学模拟和量子化学计算对典型沥青质分子在油水界面上的聚集行为和相互作用方式进行了研究，提出了油水乳状液的“打桩—编织”稳定机理模型，揭示了沥青质分子之间的作用方式主要为派-派相互作用，沥青质的分子结构和化学组成（如N, S等杂原子）都对其自聚方式和堆叠构型有重要的影响作用。.（2）以碳管、氧化石墨烯等材料为原料，对材料分子结构上特定的官能团进行化学改性，通过调控材料亲水/亲油性质，制备了一系列高效纳米材料破乳剂。对破乳效果好的材料接枝磁性纳米粒子获得磁性纳米破乳剂，实现了破乳材料的回收和循环利用。研究结果表明，所制备各种纳米破乳材料具有优异的破乳性能，破乳效率一般都在99%以上。.（3）利用分子动力学模拟和量子化学计算深入研究了碳基纳米材料的破乳机制，研究发现破乳材料能与油水界面活性分子之间发生强烈的派-派/西格玛-派以及氢键和静电吸引等相互作用，油水界面膜被破坏，油滴发生聚结而实现油水分离。