張堅(jiān)強(qiáng)1,2,3,李鑫鋼1,2,3,隋紅1,2,3
(1天津大學(xué)化工學(xué)院,天津 300072;2精餾技術(shù)國(guó)家工程研究中心,天津 300072;3天津化學(xué)化工協(xié)同創(chuàng)新中心,天津 300072)
離子液體促進(jìn)溶劑萃取油砂瀝青
張堅(jiān)強(qiáng)1,2,3,李鑫鋼1,2,3,隋紅1,2,3
(1天津大學(xué)化工學(xué)院,天津 300072;2精餾技術(shù)國(guó)家工程研究中心,天津 300072;3天津化學(xué)化工協(xié)同創(chuàng)新中心,天津 300072)
傳統(tǒng)水洗法和溶劑萃取法萃取油砂瀝青時(shí),存在瀝青中含有沙土和殘沙中含有油等缺點(diǎn)。為解決上述缺點(diǎn),本文采用不同比例的乙酸甲酯/正庚烷復(fù)合溶劑萃取油砂瀝青,研究了離子液體(1-丁基-3-甲基咪唑四氟硼酸鹽,[Emim]BF4)對(duì)該溶劑萃取體系的萃取率和分離潔凈程度的影響。采用紅外光譜儀和掃描電鏡對(duì)萃取后的殘沙和瀝青的潔凈程度進(jìn)行了定性分析,并結(jié)合元素分析儀和電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀獲得萃取后殘沙和瀝青的潔凈程度的定量結(jié)果。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:當(dāng)復(fù)合溶劑體積比為2∶3時(shí),[Emim]BF4促使瀝青回收率達(dá)到最大值94.20%,比單純復(fù)合溶劑萃取體系的最大萃取率高7.92%;通過(guò)上述測(cè)試方法的定性和定量分析,證明了[Emim]BF4能有效解決瀝青夾帶沙土和殘沙中含油的問(wèn)題。
油砂;溶劑萃?。浑x子液體;瀝青
油砂是一種由瀝青(3%~20%)、水(3%~5%)、沙粒和黏土(80%~85%)等物質(zhì)組成的固體混合物,其中瀝青含量在5%以下的為貧礦,在10%以上的為富礦。油砂按照砂石與瀝青之間有無(wú)水膜可以分為親油性油砂、親水性油砂以及中等潤(rùn)濕型油砂。其中,加拿大及內(nèi)蒙古等地的油砂主要為親水性油砂,印度尼西亞及美國(guó)猶他州等地的油砂主要為親油性油砂[1]。油砂作為一種非傳統(tǒng)石油替代能源,已經(jīng)得到世界各國(guó)的廣泛關(guān)注,可采資源量約為103.51×109m3,約占世界石油資源可采總量的32%,主要分布在加拿大、俄羅斯、美國(guó)、中國(guó)、拉丁美洲和加勒比海等地,其中95%以上集中在加拿大[2-3]。
油砂的分離技術(shù)早在20世紀(jì)20年代就有學(xué)者對(duì)其進(jìn)行研究,加拿大的Clark等[4-6]提出了熱堿水洗法分離油砂瀝青,經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間對(duì)該工藝的研究和發(fā)展,水洗法已在工業(yè)上廣泛的被運(yùn)用。除此之外,超聲波輔助水洗法[7]、溶劑萃取法[8-11]、超臨界萃取法[12]等分離技術(shù)也被相繼開(kāi)發(fā)。研究發(fā)現(xiàn),這些方法都存在一些弊端,水洗法除了耗水量大,還會(huì)因?yàn)樗催^(guò)程中使用的堿類(lèi)物質(zhì)(如NaOH)和表面活性劑,使得洗滌過(guò)程中形成的乳液而難于將尾漿中的油、水和沙土分開(kāi),并且有大量的細(xì)小沙土懸浮于尾礦中不能自由沉降,這給環(huán)境造成了嚴(yán)重的危害[13-15];超聲波輔助水洗法能耗過(guò)高,而且大型超聲設(shè)備的制造技術(shù)還不完善,該方法的油砂分離工業(yè)化還不成熟[16];溶劑萃取法雖然解決了水洗法中耗水量大和產(chǎn)生大型污染尾礦的問(wèn)題,但由于油砂分離之后得到的殘沙中含有有機(jī)溶劑而會(huì)對(duì)環(huán)境造成污染[17-18],并且在得到的油相中也會(huì)含有沙土[19-21],進(jìn)而會(huì)影響下游產(chǎn)品的加工。近年有學(xué)者將離子液體引入了溶劑萃取法[19-21],他們發(fā)現(xiàn)在離子液體存在的情況下,分離得到的瀝青中基本不含沙土,得到的沙土中檢測(cè)不到有機(jī)物質(zhì)的明顯存在,萃取過(guò)程中耗水量少,離子液體和水可以循環(huán)使用等優(yōu)點(diǎn)。
本文研究了離子液體[Emim]BF4輔助乙酸甲酯/正庚烷復(fù)合溶劑萃取油砂瀝青的過(guò)程,[Emim]BF4的黏度為0.0665Pa·s,僅約為賓夕法尼亞大學(xué)Painter等[19-20]使用的[Bmmim]BF4(1-丁基-2,3-二甲基咪唑四氟硼酸鹽)黏度(0.4558Pa·s)的1/7,較低的黏度有利于離子液體的回收和流體的輸送;乙酸甲酯與本文作者課題組曾使用的丙酮[21]相比具有常溫不易揮發(fā)、毒性低、價(jià)格低等特點(diǎn),在環(huán)保和經(jīng)濟(jì)性上面具有優(yōu)勢(shì)。
1.1 實(shí)驗(yàn)樣品
本研究中所使用的油砂取自加拿大阿爾伯塔地區(qū)的親水性油砂(含油率10%~12%),在萃取實(shí)驗(yàn)之前需將油砂研磨過(guò)篩成小顆粒。萃取油砂瀝青所用溶劑:甲苯、乙酸甲酯和正庚烷均購(gòu)自于天津市江天化學(xué)技術(shù)有限公司,試劑純度均為分析純;離子液體([Emim]BF4)購(gòu)自于中科院蘭州化學(xué)物理研究所。
1.2 油砂含油率的測(cè)定
研究表明,甲苯是瀝青的良好溶劑[22],故本實(shí)驗(yàn)采用甲苯作為測(cè)定油砂含油率的溶劑,將得到的含油率作為后續(xù)萃取分析的參照依據(jù)。先將甲苯(20mL)與油砂(10g)經(jīng)過(guò)超聲萃取10min,再用離心機(jī)在轉(zhuǎn)速7000r/min下離心5min使沙土和瀝青溶液分離,將以上過(guò)程重復(fù)至瀝青溶液基本無(wú)色為止,最后將瀝青溶液收集起來(lái)蒸餾去除甲苯,得到的瀝青在烘箱中105℃下干燥4h。稱取萃取出的瀝青的質(zhì)量,瀝青的質(zhì)量與萃取前油砂樣品的質(zhì)量之比即為含油率。
1.3 乙酸甲酯在正庚烷和[Emim]BF4中的分配比的測(cè)定
配置體積比為0∶5、1∶5、2∶5、3∶5、4∶5、5∶5的乙酸甲酯/正庚烷的混合溶液,運(yùn)用氣相色譜(TECHCOMP GC 7890II)測(cè)定乙酸甲酯在正庚烷和[Emim]BF4中的分配比。氣相色譜采用氫火焰離子檢測(cè)器,進(jìn)樣量為1μL,進(jìn)樣分流比100∶1,氮?dú)饬髁繛?mL/min,柱溫80℃,檢測(cè)器溫度110℃。標(biāo)準(zhǔn)樣品進(jìn)樣后,可以得到標(biāo)準(zhǔn)曲線。
在潔凈的燒杯中加入同等體積(10mL)的正庚烷和[Emim]BF4,再加入12mL乙酸甲酯,攪拌10min后靜置30min使得體系平衡。吸取上層的乙酸甲酯/正庚烷復(fù)合溶劑進(jìn)樣,通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)曲線可以得到上層正庚烷中乙酸甲酯的含量,從而可計(jì)算乙酸甲酯在正庚烷和[Emim]BF4中的分配比。
1.4 復(fù)合溶劑萃取油砂瀝青的實(shí)驗(yàn)
將乙酸甲酯和正庚烷按照體積比配置成0∶6、1∶6、2∶6、3∶6、4∶6、5∶6的6組復(fù)合溶劑以作為油砂瀝青的萃取溶劑。本實(shí)驗(yàn)分為兩組平行實(shí)驗(yàn),第一組為單純的復(fù)合溶劑萃取油砂瀝青,第二組為復(fù)合溶劑和[Emim]BF4萃取油砂瀝青。第一組實(shí)驗(yàn)的流程為:稱取6份約3g油砂于6個(gè)100mL的錐形瓶中,分別加入20mL不同比例的乙酸甲酯/正庚烷的復(fù)合溶劑,再用恒溫水浴攪拌器(型號(hào))在轉(zhuǎn)速為450r/min下攪拌30min后,將錐形瓶中的混合物轉(zhuǎn)移至離心管中用離心機(jī)在轉(zhuǎn)速7000r/min下離心5min使得沙土的瀝青溶液分離,用滴管小心將上層的瀝青溶液轉(zhuǎn)移至潔凈的250mL的錐形瓶中,以上過(guò)程重復(fù)6次,將得到的瀝青溶液進(jìn)行蒸餾以去除溶劑,最后將得到的瀝青置于烘箱中在105℃下干燥4h以去除殘留的溶劑,將得到的殘沙置于干燥箱中在105℃下干燥4h。第二組實(shí)驗(yàn)的流程的第一組相似,不同點(diǎn)在于:①先將8mL[Emim]BF4與油砂混合,并根據(jù)乙酸甲酯在正庚烷和[Emim]BF4中的分配比向[Emim]BF4中加入特定量的乙酸甲酯以能保證兩組實(shí)驗(yàn)中上層復(fù)合溶劑的比例相同;②將分離得到的殘沙用少量水沖洗2~3次,以去除殘沙中的離子液體再進(jìn)行干燥。
1.5 測(cè)試方法
采用傅氏轉(zhuǎn)換紅外線光譜分析儀(Bruker Tensor 27)對(duì)瀝青和殘沙進(jìn)行紅外表征分析,選用的波數(shù)為4cm-1,采用KBr壓片方法。采用掃描電鏡(HITACHI s-4800)對(duì)殘沙進(jìn)行形貌表征和元素分析,測(cè)試環(huán)境為常溫,真空度1×10-3Pa。采用元素分析儀(Elementar)檢測(cè)了瀝青的C、H、N、S含量,采用電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀[ICP-9000(N+M)]檢測(cè)了瀝青的Al、V、Ni含量。
2.1 乙酸甲酯在正庚烷和[Emim]BF4中的分配比
通過(guò)氣相色譜測(cè)得對(duì)應(yīng)不同溶劑體積比的溶劑峰面積比,線性擬合出了乙酸甲酯/正庚烷復(fù)合溶劑的標(biāo)準(zhǔn)濃度曲線,見(jiàn)圖1,其中誤差棒為標(biāo)準(zhǔn)誤差(n=3)。12mL乙酸甲酯、10mL正庚烷和10mL離子液體體系中,用氣相色譜測(cè)得乙酸甲酯和正庚烷混合溶液中兩溶劑的峰面積比為0.3023,通過(guò)圖1中的擬合公式計(jì)算得到溶解在正庚烷中的乙酸甲酯體積為8.4mL,則溶解在離子液體中的乙酸甲酯體積為3.6mL,最后得出乙酸甲酯在正庚烷和離子液體中的體積分配比為2.24。按照此分配比可得到當(dāng)乙酸甲酯和正庚烷體積比分別為0∶6、1∶6、2∶6、3∶6、4∶6、5∶6時(shí),應(yīng)當(dāng)向離子液體中加入的乙酸甲酯體積分別為0、0.6mL、1.2mL、1.8mL、2.4mL、3.0mL,以使得乙酸甲酯/正庚烷復(fù)合溶劑體積比保持不變。
圖1 乙酸甲酯正庚烷標(biāo)準(zhǔn)濃度曲線
2.2 復(fù)合溶劑萃取實(shí)驗(yàn)
實(shí)驗(yàn)測(cè)得油砂含油率為10.31%,本文中定義用不同萃取體系得到的瀝青含油率除以用甲苯萃取得到的瀝青含油率為瀝青的回收率。用乙酸甲酯/正庚烷復(fù)合溶劑萃取瀝青時(shí),瀝青溶液和沙土的混合物在離心之后,離心管中為瀝青溶液相和沙土直接接觸的兩相體系;[Emim]BF4輔助乙酸甲酯/正庚烷復(fù)合溶劑萃取體系得到的混合物在離心之后得到三相體系,離心管中的上層為顏色較深的瀝青溶液相,中層為基本透明的離子液體相,底層為沙土相。
通過(guò)圖2可知,[Emim]BF4輔助復(fù)合溶劑萃取體系的脫油效果均好于單純復(fù)合溶劑萃取體系。 在乙酸甲酯與正庚烷的體積比為4∶6時(shí),兩種萃取體系的瀝青回收率均達(dá)到了最大值,乙酸甲酯/正庚烷體系的回收率為86.28%,[Emim]BF4輔助乙酸甲酯/正庚烷體系的回收率為94.20%。這表明,離子液體的加入有利于瀝青從沙土表面剝離,而且離子液體被少量乙酸甲酯稀釋后仍然具備促進(jìn)分離的效果。離子液體能促進(jìn)萃取的機(jī)理可能是因?yàn)殡x子液體的介入,導(dǎo)致在沙土和瀝青之間具有很高的離子濃度,改變了沙土和瀝青之間的靜電力,使得瀝青更容易從沙土上剝離[23]。
2.3 紅外表征
圖2 不同體系隨乙酸甲酯/正庚烷體積比變化對(duì)油砂瀝青的萃取效果
為了進(jìn)一步考察當(dāng)油砂瀝青的回收率達(dá)到最大時(shí)分離是否潔凈,即處理后的油砂中是否有殘留的有機(jī)物質(zhì)和離子液體以及萃取的瀝青相中是否夾帶細(xì)小黏土顆粒,本文還將復(fù)合溶劑體積比為4∶6時(shí)得到的瀝青和殘沙進(jìn)行了紅外分析。圖3為殘沙的紅外譜圖,其中3700cm-1、1000cm-1、500 cm-1附近的特征峰為沙土的特征峰,主要為高嶺土的特征峰[19]; 3000~2800cm-1范圍內(nèi)為脂肪族和芳香族的特征峰[24],通過(guò)圖3中的局部放大圖可知,乙酸甲酯/正庚烷復(fù)合溶劑萃取體系中檢測(cè)到了明顯的C—H特征峰,而[Emim]BF4輔助乙酸甲酯/正庚烷復(fù)合溶劑萃取體系中雖然在此處有微弱的吸收峰,但這些吸收峰處于噪聲水平。圖4為[Emim]BF4與離子液體輔助復(fù)合溶劑萃取后的殘沙紅外譜圖,通過(guò)圖4中曲線b可以看出,[Emim]BF4在1600cm-1、3000cm-1和3100cm-1處有明顯的吸收峰,而離子液體輔助復(fù)合溶劑萃取后的殘沙紅外譜圖在1600cm-1、3000cm-1和3100cm-1處基本無(wú)響應(yīng),這表明離子液體在殘沙中未被檢測(cè)到有殘留。而在 1100cm-1附近,曲線b檢測(cè)到了明顯的[Emim]BF4吸收峰,為C—N伸縮振動(dòng)。而殘沙的紅外光譜(曲線a)在此處所顯示的吸收峰根據(jù)已有文獻(xiàn)認(rèn)為是硅酸鹽的特征峰[20]。綜上,通過(guò)圖3和圖4的紅外表征分析說(shuō)明[Emim]BF4溶劑萃取油砂瀝青過(guò)程中,離子液體促使殘沙保持相對(duì)潔凈,避免了殘沙中含有有機(jī)物質(zhì)和離子液體而造成對(duì)環(huán)境的二次污染。
圖5為瀝青的紅外譜圖,圖5中3500cm-1和500cm-1附近的吸收峰為黏土的特征峰[23],曲線b中在此處都有弱吸收峰,通過(guò)圖5的局部放大圖可以發(fā)現(xiàn),曲線a在500cm-1附近有微弱的響應(yīng),但可以認(rèn)為該吸收峰在噪聲水平,此處的吸收可以忽略。這表明了乙酸甲酯/正庚烷復(fù)合溶劑萃取體系得到的瀝青中含有少量的黏土,[Emim]BF4有助于萃取得到的瀝青中不含黏土,從而有利于瀝青產(chǎn)品的后續(xù)加工??梢酝茰y(cè)[Emim]BF4輔助乙酸甲酯/正庚烷復(fù)合溶劑萃取體系離心之后得到三相體系中,中層的離子液體能防止沙土被夾帶進(jìn)入到上層的瀝青溶液相,從而使得瀝青得到潔凈的分離,其機(jī)理還有待后續(xù)研究。此外,3000~2800cm-1和1462cm-1的特征峰表明了脂肪族和芳香族化合物的存在[24],1030cm-1處的弱吸收峰為S—O鍵特征峰,862~740cm-1處的弱吸收峰為C—H彎曲震動(dòng)吸收峰[25]。
圖3 殘沙的FTIR譜圖(乙酸甲酯/正庚烷=2∶3,體積比)
圖4 [Emim]BF4與離子液體輔助復(fù)合溶劑萃取后的殘沙紅外譜圖(乙酸甲酯/正庚烷=2∶3,體積比)
圖5 瀝青的FTIR譜圖(乙酸甲酯/正庚烷=2∶3,體積比)
2.4 掃描電鏡表征
為了進(jìn)一步驗(yàn)證紅外分析所得到的結(jié)果,本文還對(duì)不同體系得到的殘沙進(jìn)行了掃描電鏡分析。圖6(a)為乙酸甲酯/正庚烷復(fù)合溶劑萃取油砂體系后的殘沙掃描電鏡圖,可以觀察到圖中殘沙只有大顆粒的沙石,沒(méi)有細(xì)小黏土顆粒,說(shuō)明細(xì)小顆粒應(yīng)被游相夾帶走。而圖5(b)[Emim]BF4輔助乙酸甲酯/正庚烷體系中除了大顆粒的沙子之外,還能觀察到很多細(xì)小黏土顆粒,說(shuō)明有離子液體的萃取體系能夠避免細(xì)小沙粒被夾帶至瀝青相,顯示離子液體[Emim]BF4輔助不同的溶劑體系都能夠起到“鎖住”細(xì)小沙土顆粒的作用,這對(duì)瀝青油后續(xù)的精煉過(guò)程非常有利。
圖6 殘沙的SEM掃描圖像(乙酸甲酯/正庚烷=4∶6,體積比)
2.5 元素分析
本文利用掃描電鏡對(duì)殘沙進(jìn)行了元素分析,實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1所示。復(fù)合溶劑萃取后殘沙中的碳元素含量為13.7%~19.5%,而[Emim]BF4輔助復(fù)合溶劑萃取后殘沙中的碳元素含量?jī)H為7.0%~10.2%,結(jié)合圖3中殘沙的紅外分析結(jié)果,本文認(rèn)為7.0%~10.2%碳元素絕大部分來(lái)自于殘沙中的碳酸鹽,復(fù)合溶劑萃取得到的殘沙中除了含有來(lái)自于沙土本身的碳酸鹽,還含有未萃取完全的有機(jī)物質(zhì)。另外,通過(guò)表1可以發(fā)現(xiàn),[Emim]BF4輔助復(fù)合溶劑萃取后殘沙中未檢測(cè)出F元素的存在,因?yàn)镕元素是離子液體中的元素,再結(jié)合圖5的紅外分析結(jié)果,進(jìn)一步說(shuō)明了萃取得到的殘沙中無(wú)離子液體殘留。
不同萃取體系得到的瀝青的元素分析結(jié)果如表2所示。通過(guò)比較不同的萃取體系,可以發(fā)現(xiàn)復(fù)合溶劑萃取得到的瀝青中N、S、V、Ni元素的含量均低于[Emim]BF4輔助復(fù)合溶劑萃取得到瀝青中含量,其中N、S元素主要存在于瀝青的瀝青質(zhì)和膠質(zhì)中,而V、Ni元素主要集中在瀝青質(zhì)中[26],因此本文認(rèn)為復(fù)合溶劑萃取體系并不能完全將膠質(zhì)和瀝青質(zhì)萃取出來(lái),[Emim]BF4能促進(jìn)瀝青的萃取。另外,通過(guò)表2還可以發(fā)現(xiàn)復(fù)合溶劑萃取得到的瀝青中Al元素的含量高于[Emim]BF4輔助復(fù)合溶劑萃取得到瀝青中含量,Al元素主要來(lái)源于油砂固體顆粒中,這些固體顆粒很容易黏附在瀝青質(zhì)上而不易分離[27],結(jié)合圖5的瀝青紅外分析結(jié)果和圖6的掃描電鏡結(jié)果,本文認(rèn)為復(fù)合溶劑萃取得到的瀝青中含有沙土,而[Emim]BF4能保證瀝青和沙土的潔凈分離。
表1 不同萃取體系得到的殘沙元素分析表(質(zhì)量分?jǐn)?shù))單位:%
表2 不同萃取體系得到的瀝青元素分析表 單位:%
采用相對(duì)綠色乙酸甲酯/正庚烷混合物作為復(fù)合溶劑應(yīng)用于油砂瀝青萃取,考察了無(wú)離子液體[Emim]BF4體系及有離子液體[Emim]BF4存在下對(duì)加拿大油砂瀝青萃取率的影響。發(fā)現(xiàn)油砂瀝青萃取體系中加入離子液體[Emim]BF4作為助劑后,瀝青的最高回收率從86.28%增加至94.20%,離子液體的存在使得瀝青萃取率提高了7.92%。兩種萃取體系的最佳復(fù)合溶劑體積比均為2∶3。在[Emim]BF4存在的萃取體系中,萃取得到的瀝青中未檢測(cè)到含有細(xì)小黏土顆粒,處理后的殘沙未被檢測(cè)出殘留有離子液體及瀝青中的有機(jī)物質(zhì)。由此可知:①[Emim]BF4明顯提高了油砂瀝青的回收率;②[Emim]BF4輔助溶劑萃取法得到的瀝青產(chǎn)品有利于后續(xù)加工,能減少設(shè)備磨損和堵塞的問(wèn)題,有效提升下游產(chǎn)品的品質(zhì);③[Emim]BF4輔助溶劑萃取法得到的殘沙能避免殘留有機(jī)物質(zhì)或離子液體對(duì)環(huán)境造成的二次污染。
[1] 張凱華,賓艷峰. 印尼油砂溶劑抽提工藝條件的研究[J]. 石油煉制與化工,2008,39 (6):63-66.
[2] 鄭德溫,方朝合,李劍,等. 油砂開(kāi)采技術(shù)和方法綜述[J]. 西南石油大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版,2008,30(6):105-108.
[3] 高峰. 油砂的開(kāi)發(fā)利用[J]. 中國(guó)石化,2010(2):38-39.
[4] Clark K A,Pasternak D S. The separation of the bitumen from Alberta bituminous sands[J].Can. Inst. Min. Metall. Bull.,1929,22:1385-1395
[5] Clark K A. Hot-water separation of Alberta bituminous sands[J].Trans. Can. Inst. Min. Metall.,1944,47:257-274.
[6] Clark K A,Pasternak D S. Hot water separation of Bitumen from Alberta bituminous sand[J].Ind. & Eng. Chem.,1932,24:1410-1416.
[7] Abramov V O,Myasnikov S K,Mullakaev M S. Ultrasonic technologies for extracting oil products from oil-bearing sands and contaminated soils[J].Theoretical Foundations of Chemical Engineering,2009,43(4):504-510.
[8] Hanson,D O,Sherk F T. Solvent extraction of tar sand:US,4139450[P]. 1979-02-13.
[9] Farcasiu M,Whitehurst D D. Double solvent extraction of organic constituents from tar sands:US,4046668[P]. 1977-09-06.
[10] Funk E W. May W,Pirkle C. Solvent extraction for tar sands:US,4347118[P]. 1982-08-31.
[11] Magyar W B,Salman T M. Bitumen separation from tar sands by extraction with organic solvent without the use of water:CA,1028266-A[P]. 1978.
[12] Subramanian M,Hanson F V. Supercritical fluid extraction of bitumens from Utah oil sands[J].Fuel Processing Technology,1998,55(1):35-53.
[13] Timoney K P. A study of water and sediment quality as related to public health issues,F(xiàn)ort Chipewyan,Alberta[EB/OL]. Nunee Health Board Society Fort Chipewyan,AB,2007;http://www. connectingthedrops.ca/docs/fc-final-report-revised-dec2007.pdf.
[14] Herman D C,F(xiàn)edorak P M,Mackinnon M D,et al. Biodegradation of naphthenic acids by microbial populations indigenous to oil sands tailings[J].Can. J. Microbil,1994,40:467-477.
[15] Gu G,Xu Z,Nandakumar Z,et al. Infulence of water-insoluble natural surface active components on the stability of water-intoluene-diluted bitumen emulsion[J].Fuel,2002,81:1859-1869.
[16] 郭孝武,馮岳松. 超聲提取分離[M]. 北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2008.
[17] Hooshiar A,Uhlik P,Liu Q,et al. Clay minerals in nonaqueous extraction of bitumen from Alberta oil sands[J].Fuel Process. Technol.2012,94(1):80-85.
[18] Rogers V V,Liber K,Mackinnon M D. Isolation and characterization of naphthenic acids from Athabasca oil sands tailing pond water[J].Chemosphere,2002,48(5):519-527.
[19] Painter P,Williams P,Mannebach E. The recovery of bitumen from oil or tar sands using ionic liquids[J].Energy Fuels,2010,24:1094-1098.
[20] Williams P,Painter P,Lupinsky A. The recovery of bitumen from low-grad oil sands using ionic liquids[J].Energy Fuels,2010,24:2172-2173.
[21] Li X,Sun W,Sui H,et al. Ionic liquids enhanced solvent extraction for bitumen recovery from oil sands[J].Energy Fuels,2011,25:5224-5231.
[22] Redelius P G. Solubility parameters and bitumen[J].Fuel,2000,79(1):27-35.
[23] Hogshead C G,Manias E,Painter P,et al. Studies of bitumen-silica and oil-silica interactions in ionic liquids[J].Energy Fuels,2011,25:293-299.
[24] Chen F,F(xiàn)rinch J A,Xu Z,et al. Wettability of fine solids extracted from bitumen froth[J].Adhesion Sci. Technol.,1999,13:1209-1224. [25] Zhang L Y,Lawrence S,Xu Z,et al. Studies of Athabasca asphaltenes Langmuir films at air-water Interface[J].J.Colloid Interf. Sci.,2003,264:128-140.
[26] Jacobs F S,F(xiàn)ilby R H. Solvent extraction of oil-sand components for determination of trace elements by neutron activation analysis[J].Anal. Chem.,1983,55:74-77.
[27] Kotlyar L S,Spark B D,Woods J R,et al. Solids associated with the asphaltene fraction of oil sands bitumen[J].Energy Fuels,1999,13:346-350.
Solvent extraction of bitumen from oil sands amended with ionic liquid
ZHANG Jianqiang1,2,3,Li Xingang1,2,3,SUI Hong1,2,3
(1School of Chemical Engineering & Techonology,Tianjin University,Tianjin 300072,China;2National Engineering Research Center for Distillation Technology,Tianjin 300072,China;3Collaborative Innovation Center of Chemical Science and Engineering,Tianjin 300072,China)
Both traditional water extraction and solvent extraction to extract bitumen from oil sands have their drawbacks,such as sand/clay entraining into bitumen and bitumen remaining in residual sands. To resolve these problems,an ionic liquid ([Emim]BF4) was used to enhance bitumen recovery from Canadian oil sands by methyl acetate/n-heptane. FTIR and SEM were used to qualitatively analyze the cleanliness of bitumen and residual sand. Quantitative results of fine sand/clay in bitumen and organic matter remaining in residual sand were also obtained by coupling SEM with Elementar and ICP. The optimal volume ratio of methyl acetate to n-heptane was 2∶3. Meanwhile [Emim]BF4increased bitumen recovery ratio to 94.20%,7.92% higher than composite solvent extraction without [Emim]BF4. The results obtained from FTIR,SEM,Elementar and ICP demonstrated that [Emim]BF4 could enhance bitumen separation efficiently. Negligible sand/clay was entrained in extracted bitumen,and no IL or bitumen was found in the treated sand.
oil sands;solvent extraction;ionic liquid;bitumen
TQ 420.6+6;TQ 425
A
1000-6613(2014)08-1986-06
10.3969/j.issn.1000-6613.2014.08.008
2013-12-24;修改稿日期:2014-03-20。
國(guó)家自然科學(xué)基金(21306129)及天津市自然科學(xué)基金(12JCQNJC05300)項(xiàng)目。
張堅(jiān)強(qiáng)(1988—),男,碩士研究生,從事油砂分離研究。E-mail powterlam@tju.edu.cn。聯(lián)系人:隋紅,副教授,從事非常規(guī)能源和化工節(jié)能技術(shù)研究。E-mail suihong@tju.edu.cn。