楊小鵬，楊大鵬，王殿生

(中國石油大學(xué)(華東) 理學(xué)院，山東省高校新能源物理與材料科學(xué)重點實驗室，山東 青島 266580)

1 引 言

油氣生產(chǎn)及加工過程中產(chǎn)生的含原油污水多以乳化態(tài)的混合液存在[1-2]，研究這類含油污水的處理機(jī)理，常常需要在實驗室制備出穩(wěn)定的原油乳化液，開展各種實驗. 目前，針對柴油的超聲乳化技術(shù)已有研究[3-4]，主要是制備W/O型乳化液，而關(guān)于制備O/W型原油乳化液的研究較少.

超聲乳化技術(shù)主要利用超聲波在液體中傳播所產(chǎn)生的熱效應(yīng)和空化效應(yīng)把互不相溶的油和水分散成乳化液，使用超聲方法制備的乳化液要比其他機(jī)械攪拌方法制備的乳化液相對穩(wěn)定，具有乳化質(zhì)量好、效率高、成本低等優(yōu)點[5-7]. 本文應(yīng)用超聲乳化技術(shù)，以失水山梨醇單油酸脂(Span 80)和聚氧乙烯失水山梨醇單油酸脂(Tween 80)為乳化劑，制備了質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%的原油乳化液；并實驗研究了超聲輻射功率、輻射時間、間歇比、脈沖重復(fù)周期等因素對乳化效果的影響.

2 實驗器材與方法

2.1 實驗器材

實驗器具：PL203電子天平(梅特勒-托利多儀器(上海)有限公司)、NJL07-5型實驗室超聲微波爐(南京杰全微波設(shè)備有限公司)、量筒、燒杯、玻璃棒、溫度計等. 實驗材料：進(jìn)口原油、蒸餾水、Tween 80(化學(xué)純)、Span 80(化學(xué)純).

2.2 實驗方法

油水乳化液是由2種互不相溶的液體組成的分散體系，制備時要加入乳化劑才能保持一定的穩(wěn)定性[8]. 在不限定乳化劑的情況下，為得到較好的乳化效果，可將不同的乳化劑混合使用[9]. 制備O/W型原油乳化液時，先將Span 80、油、水和Tween 80依次加入50 mL燒杯中，然后插入超聲桿進(jìn)行處理，即可制得原油乳化液.

實驗主要配制質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%的原油乳化液，采用控制變量法探究了超聲輻射功率、輻射時間、間歇比、脈沖重復(fù)周期等對原油乳化效果的影響. 實驗中，乳化劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%，HLB值為9. 超聲乳化后的原油乳化液靜置24 h，原油的析出量基本不再變化. 因此，選擇乳化液靜置24 h的原油析出率(析油率)做為乳化液穩(wěn)定性的評價指標(biāo). 析油率定義為乳化液析出原油的質(zhì)量與所含原油的總質(zhì)量的比值.

3 實驗結(jié)果分析

3.1 超聲輻射功率的影響

聲強(qiáng)是超聲波的主要參量，對超聲空化有著重要影響，一般聲強(qiáng)越大，空化強(qiáng)度越大，乳化速度也越快[10]. 實驗探究了超聲輻射功率為100～500 W時制備的乳化液的穩(wěn)定性，實驗結(jié)果如圖1所示. 實驗條件為脈沖寬度5 s、脈沖重復(fù)周期15 s、超聲時間5 min.

圖1 析油率隨超聲功率的變化

由圖1可知，經(jīng)超聲處理后，當(dāng)超聲功率從100 W增加到500 W時，析油率從36.08%降低到0%，析油率隨超聲功率的增大而減小，但減小趨勢趨于平緩. 分析原因：超聲功率的增大，使乳化液內(nèi)部產(chǎn)生更激烈的顆粒運動及空化作用，產(chǎn)生了高溫、高壓、高湍動流場，內(nèi)部小液滴相互碰撞、撕裂[3]，從而使乳化液更穩(wěn)定，析油率降低. 當(dāng)超聲功率在400 W時已達(dá)到較好的處理效果，因此超聲功率選擇400 W較為合適.

3.2 超聲輻射時間的影響

乳化液是不穩(wěn)定體系，在乳化過程中液滴分散伴隨著液滴的聚結(jié)和沉降過程，因此乳化時間對乳化液的穩(wěn)定有一定影響，過長或過短都不利于乳化液的穩(wěn)定[11]. 實驗探究了超聲輻射時間為1～9 min時乳化液的穩(wěn)定性，實驗結(jié)果如圖2所示. 實驗條件為超聲輻射功率400 W、脈沖寬度5 s、脈沖重復(fù)周期15 s.

由圖2可知，當(dāng)超聲時間從1 min增加到5 min時， 析油率從42.64%降低到3.28%； 當(dāng)超聲時間為7 min時，析油率反而上升至6.56%，當(dāng)超聲時間繼續(xù)增加到9 min時，析油率又降至3.28%. 分析原因：用超聲處理時，在乳化液內(nèi)部存在著小液滴相互碰撞的過程，在碰撞過程中存在著小液滴被合并與被擊碎的可能；這2個過程達(dá)到平衡時，乳化液中水滴平均粒徑才趨于穩(wěn)定，最佳時間即為這2個過程達(dá)到平衡的最短時間[3]. 因此，超聲時間不是越長越好. 由圖2可以看出，最佳超聲輻射時間為5 min.

圖2 析油率隨超聲時間的變化

3.3 間歇比的影響

間歇比為脈沖重復(fù)周期與脈沖寬度的比值. 在實際應(yīng)用中，超聲的間歇比過小，會使換能元器件過熱，影響設(shè)備的壽命，而間歇比過大，會使處理時間變長，處理效率降低[12]. 實驗探究了脈沖寬度不變時，不同間歇比對乳化液穩(wěn)定性的影響，實驗結(jié)果如圖3所示. 實驗條件為超聲輻射功率400 W、脈沖寬度5 s、超聲時間5 min.

圖3 脈沖寬度不變時析油率隨間歇比的變化

由圖3可知，當(dāng)超聲波的間歇比為2,2.4和3時，析油率為3.28%；當(dāng)間歇比為2.8和3.6時，析油率為6.56%；而當(dāng)間歇比為3.2時，析油率為16.4%. 可見間歇比對析油率存在一定的影響，且影響規(guī)律比較復(fù)雜，但其影響與超聲輻射功率和時間的影響相比要小. 關(guān)于間歇比對乳化液穩(wěn)定性的影響原因還有待于進(jìn)一步研究. 實際應(yīng)用中，應(yīng)在換能元器件允許下，選擇處理效果最好的間歇比中的最小間歇比，以節(jié)約總處理時間，提高處理效率.

3.4 脈沖重復(fù)周期的影響

在超聲應(yīng)用中常使用脈沖波，脈沖重復(fù)周期是周期脈沖波的一個參量[13]. 實驗探究了間歇比相同時脈沖重復(fù)周期為3～27 s時乳化液的穩(wěn)定性，實驗結(jié)果如圖4所示. 實驗條件為超聲輻射功率400 W、間歇比3、超聲時間5 min.

圖4 析油率隨脈沖重復(fù)周期的變化

由圖4可知，當(dāng)脈沖重復(fù)周期為9,15,27 s時，析油率為3.28%；當(dāng)脈沖重復(fù)周期為3，21 s時，析油率為6.56%. 可見，脈沖重復(fù)周期對析油率的影響比上述因素更小，而間歇比相同時脈沖重復(fù)周期的改變不會影響實際處理的總時間，因此脈沖重復(fù)周期可在析油率為最小時的幾個值中任意選取.

4 結(jié) 論

1) 超聲輻射功率越大，處理效果越好，當(dāng)超聲功率為400 W時，即可取得較好的乳化效果.

2) 超聲輻射時間的最佳值為5 min，時間過長乳化效果反而會變差.

3) 間隙比對乳化效果有一定的影響.

4) 脈沖重復(fù)周期對乳化效果影響較小.

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