离子液体强化油砂沥青提取界面微观作用和相行为研究

Looking for the alternative energy to relieve the issue of global energy shortage is now the research hot. As a promising "energy carrier", oil sands reserves in China are huge, so the basis studies on new green technologies for exploring and treating oil sands are necessary. The theory of ionic liquids (ILs)-enhanced solvent extraction for bitumen recovery from oil sands and complex phase behavior will be studied in this project. The specific research contents include analyzing and investigating the effects of ILs properties and structures on bitumen recovery efficiency, bringing forward the mechanisms of bitumen-solvent and bitumen-sand interactions in ILs-solvent solutions, finding out the complex phase behavior of ILs-oil sands system by simulation and experimental methods. The influence of solution properties and interface forces on the phase behavior will also be investigated. Based on the studies described above, a scientific evaluation method for choosing and design ILs is built, and a theoretical basis and instruction for process optimization and industrial application of ILs-enhanced solvent extraction technology of oil sands are offered.

全球能源紧张导致石油可替代能源的研究成为热点，已探明油砂在中国储量丰富，开展油砂开采和提炼绿色技术的基础研究具有现实意义。本项目以统计力学和热力学理论为基础，采用实验和模拟相结合的方法，结合现代高科技测试手段，对离子液体促进油砂沥青温和脱除的机理和复杂相行为进行研究。分析和考察离子液体性能、结构对沥青溶剂萃取效率的影响和规律，提出离子液体对沥青-溶剂、沥青-砂粒界面性质和相互作用影响的内在机制，探讨离子液体强化油砂溶剂萃取多相体系中复杂相行为规律及与微观作用力和溶液性质的本质关联。通过上述研究建立离子液体筛选、设计和调控科学评价方法，掌握完整的离子液体强化油砂溶剂萃取技术理论和普遍规律，为离子液体强化油砂萃取工艺优化及工业化应用提供科学依据和理论指导。

水洗法是最早开发且已经成功工业化应用的一种油砂分离方法，因严重环境问题和能耗高而亟需一种新的替代技术。对于溶剂萃取方法，本课题组在前期研究中首次将低粘度离子液体[Emim][BF4]应用于油砂溶剂萃取工艺中，可有效促进油砂溶剂萃取工艺，使沥青提取效率达到95%以上，无尾矿水，未发现细小黏土夹带，无离子液体残留。但是由于基础数据的匮乏和对于上述科学问题认识的缺失导致目前人们选用离子液体带有一定的盲目性，另外对于离子液体辅助油砂萃取过程的机理认识不足也导致整个工艺的优化缺少理论指导，限制了此技术未来的工业应用。 .基于以上研究现状和未解决的科学问题，本项目针对亲水和亲油性油砂的溶剂萃取沥青过程，考察离子液体性能和结构对于萃取促进作用影响，深入研究离子液体体系下沥青-溶剂和沥青-砂粒界面相互作用机理，揭示萃取过程多相体系复杂相行为共性规律，为未来离子液体强化油砂溶剂萃取绿色技术的工程化应用提供理论基础。.本项目所取得重要结果如下：1. 离子液体结构，如阴阳离子类型和碳链长短对离子液体辅助萃取效果有显著影响：选取咪唑环3位上分别是甲基，乙基，丙基，丁基，戊基，己基的六种离子液体进行试验，前四种离子液体都较大程度的提高了油砂的脱油率，使萃取率提高5%左右，咪唑环上3号位碳链为戊基的离子液体则使萃取率降低了2.8%。随着离子液体阳离子咪唑3号位上碳链长度的增加，萃取率下降。2. 离子液体辅助萃取的效果与操作条件有很大关系，如 离子液体与溶剂比例、搅拌时间、静置时间等。虽然IL能够促进沥青所有组分自油砂表明的剥离，但同时发现剥离的沥青质聚集在油-离子液体界面形成膜，阻碍更多的沥青质成为沥青油产品。3. 离子液体促进作用不是由于加快了剥离速度，而是通过下面两个途径改变了矿石界面特性：(1) 纯离子液体作用于界面显著降低了沥青-砂粒作用力，提高了萃取率； (2) 有序结构的离子液体作用于界面大大降低了沥青和粘土/细沙胶粘在一起的可能性，减少了细沙夹带。所提出的微观结构模型解释了不同剥离速度的差异：界面水分子结构起到关键作用，而离子液体的存在可改变界面特性和[Bmim+] 阳离子，形成高正电荷的Helmholtz层而界面水分子结构。4. 离子液体起到降低沥青分子传递的表面能的作用，使沥青分子由固体表面和沥青相传递到离子液体相的过程更容易发生，并使其最终在有机溶剂相富集的作用。