凹凸棒/炭基纳米复合材料用于原油乳状液的破乳实验及机理研究

Demulsification of crude oil-water emulsions is one of key steps in the exploitation of traditional crude oil, heavy oil production and the following refining processing. The produced oil-water emulsions are highly undesirable in petroleum industry because of their high corrosion to the pipe surface and distillation equipment, serious pollution problems to environment, and high toxicity to the catalysts in refining processes. Considering the fact that carbon-based demulsifiers have poor performance in demulsifying the crude water-in-oil emulsion and basic oil-in-water emulsion, the aim of this project is to design and synthesize novel universal demulsifiers by combining the advantage of the carbon-based nanomaterials and palygorskite materials. The lipohilic and hydrophilic properties of palygorskite/carbon-based composites will be controlled and modified by grafting special functional groups. The relationship between the demulsifying efficiency and physicochemical properties (such as structure, functional groups, hydrophilic-lipophilic balance value, etc.) of the palygorskite/carbon-based composites will be constructed and the key physicochemical demusifying mechanism will be disclosed revealed. The results of this project will contrive high-performance palygorskite/carbon-based demulsifier with good dispersity in oil/water emulsions, tunable hydrophilic/hydrophobic property, and thus give the technical support in improving the extraction level in oil field.

原油乳状液的破乳脱水处理是原油生产和加工过程中的重要工艺。针对目前炭基表面活性破乳材料对油包水型和部分水包油型原油乳状液破乳效果不佳、适用范围狭窄、造价昂贵等缺点，本项目拟开展以凹凸棒/炭基纳米复合材料作为原油乳状液破乳剂的研究。以炭基材料和凹凸棒黏土为主要原材料，对两种材料上的特定官能团进行化学改性，并采用化学键合的方法将两种材料进行复合，合理地调节复合材料的亲、疏水性能，建立破乳剂的结构、有效官能团、亲水-亲油平衡值等物理化学特征参数与破乳效果之间的关系。通过实验方法筛选出快速、高效、油/水分散性好、亲疏水性可调且可大规模工业化生产的凹凸棒/炭基表面活性破乳材料，并揭示破乳过程中的相关物理化学作用机制，为我国油田提高采收率提供技术和理论支持。

本项目针对炭基表面活性破乳剂对原油油/水乳状液破乳效果不佳，使用范围狭窄、造价昂贵等问题，开展了凹凸棒/炭基复合材料作为油水乳状液新型破乳材料的研究，取得了重要的研究成果。本项目的开展为我国油田工业提供破乳性能优越且价格低廉的新型复合破乳材料，为提高原油采收率、降低原油油水乳状液的脱水成本具有重要的作用和意义。.(1)通过分子动力学模拟研究了的方法研究了原油油包水型乳状液在炭基材料表面的分离过程。模拟发现，炭基材料对油滴中有着强烈的吸附作用，特别是油滴中的沥青质分子与炭基材料可以形成π-π堆积作用。从而使得水、庚烷、沥青质分子在炭基材料表面具有不同的铺展速度，进一步导致不同组分在材料表面梯度分离。.(2)以凹凸棒、炭基材料等材料为原料，对两种材料表面的特定官能团进行改性，采用化学法将两种材料进行复合，通过调节材料的亲、疏水性能，制备了一系列凹凸棒/炭基复合材料破乳剂。研究表明凹凸棒/氧化石墨烯复合材料、凹凸棒/脂肪酸复合材料、凹凸棒纳米片等材料具有价格低廉、破乳性能优异等特点，破乳效率高达90%以上。研究发现复合破乳材料和油水界面活性分子之间发生强烈的π-π作用和阳离子-π作用，油水界面保护膜被破坏，从而实现油水分离。.(3)原油油水乳状液具有稳定的乳化状态和复杂的构成，除了含油大量的原油外，水中通常含有重金属和有价元素等污染物质。采用同时具有破乳和吸附于一体的磁性氮功能化介孔膨胀珍珠岩对稀土钇离子进行回收,其最大吸附容量高达383.4mg/g，可以重复回收利用可达6次以上。采用层状金属硫化物（KZTS）对原油乳状液中脱出水中铅离子进行分离，研究发现KZTS的吸附容量高达430mg/g，吸附容量大、选择性好、强酸条件亦可使用、价格低廉等多种优势，因而具有非常好的广泛应用的前景。