鄒 靜，胡語婕，佘躍惠，張 凡，黃培秀，曲瑞雪，王正良

（1.長江大學(xué)化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院，湖北荊州 434100；2.長江大學(xué)石油工程學(xué)院，湖北武漢 430100；3.中國地質(zhì)大學(xué)（北京）能源學(xué)院，北京 100083；4.非常規(guī)油氣湖北省協(xié)同創(chuàng)新中心，湖北武漢 430100）

0 前言

在石油和石化行業(yè)中，各種破乳劑受到極大的關(guān)注［1］。油水乳化液在運輸過程中會加快管道腐蝕［1-3］，并在石油煉制精煉過程中導(dǎo)致催化劑中毒［4-11］。在許多行業(yè)中，特別是在石油和天然氣行業(yè)，破乳是非常重要的。已有很多關(guān)于物理和化學(xué)處理破壞高度穩(wěn)定的乳液并實現(xiàn)油水分離的研究［5，12-20］，但物理方法昂貴，化學(xué)方法污染嚴(yán)重。因此，需要找到經(jīng)濟且環(huán)保的破乳方法和破乳劑，以實現(xiàn)工業(yè)化應(yīng)用。

近年來，磁性納米粒子作為破乳劑應(yīng)用的研究進(jìn)展迅速［21］。磁性納米粒子對外部磁場快速響應(yīng)，容易被磁力從復(fù)雜的環(huán)境中分離出來，因此其在處理含油廢水方面受到了很大關(guān)注［6，22-29］。用溶劑熱合成法獲得的磁性納米粒子已很好地應(yīng)用于乳化油水混合物的處理和分離［21］。Li 等［30］通過該方法合成了Fe3O4磁性納米粒子，實現(xiàn)了石油和水的分離。溶膠-凝膠法通常對合成溫度的要求不高，比物理方法經(jīng)濟［31］。研究表明，溶膠-凝膠法能很好地控制納米材料的形狀和大?。?2-34］。

雖然納米顆粒的應(yīng)用取得了一些進(jìn)展，但在控制納米顆粒尺寸、穩(wěn)定性、形狀和分散性方面仍面臨挑戰(zhàn)，因為納米顆粒的聚集影響了它們的高比表面積、高反應(yīng)活性和殺菌性能［35-36］。現(xiàn)已有各種化學(xué)表面活性劑，如十二烷基硫酸鈉（SDS）［37-38］和聚乙烯吡咯烷酮（PVP）［39］被用作納米顆粒的穩(wěn)定劑。盡管化學(xué)合成的表面活性劑和聚合物的應(yīng)用廣泛，但其為石油衍生產(chǎn)品，很難被生物降解，會對環(huán)境和生物造成危害［36，40］。使用生物表面活性劑作為封端劑是制造可持續(xù)、環(huán)保、具有生物相容性的金屬納米粒子的良好方法［36，41-42］。此外，生物表面活性劑具有生物相容性、低毒性及可在極端條件下應(yīng)用的優(yōu)點［36］。

本文研發(fā)了一種新的適用于油田污水破乳的新型綠色破乳藥劑。將溶劑熱法和溶膠凝膠法相結(jié)合，以銅綠假單胞菌發(fā)酵離心后的上清液為分散劑和穩(wěn)定劑，上清液內(nèi)含的活性成分生物表面活性劑為封端劑和分散劑，制備納米級鐵溶膠，在制備納米金屬氧化物的同時完成生物表面活性劑的包覆，使納米顆粒有效分散，提高穩(wěn)定性。

1 實驗部分

1.1 材料與儀器

實驗室自分離菌株T，屬于銅綠假單胞菌，好氧菌屬，在特定發(fā)酵培養(yǎng)基中產(chǎn)生物表面活性劑；水合檸檬酸（C6H8O7·H2O）、十二烷基硫酸鈉（SDS）、NaCl、CaCl2、MgCl2、Na2SO4、NaHCO3，分析純，上海國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司；九水合硝酸鐵（Fe（NO3）3·9H2O），分析純，上海晶純生化科技股份有限公司；潿洲上岸油水混合物；發(fā)酵培養(yǎng)基，將20 g 蔗糖、7 g L-谷氨酸鈉、6.8 g KH2PO4、0.5 g KCl、0.2 g MgSO4、11 mg FeSO4、0.5 mg MnSO4、0.09 mg ZnSO4、0.07 g CuSO4、1.4 g NaOH溶于1 L去離子水中，調(diào)節(jié)pH=7。

THZ-C 恒溫?fù)u床，常州金壇宏華儀器廠；HD-1360超凈工作臺，河南信陵儀器設(shè)備有限公司；LS-B50L 立式壓力蒸汽滅菌器，江陰濱江醫(yī)療設(shè)備廠；H2050R 高速離心機，湘潭湘儀儀器有限公司；BSA224S電子分析天平，賽利斯科學(xué)儀器（北京）有限公司；PT-9030G 烘箱，廣東普賽特電子科技股份有限公司；Zeiss SIGMA 場發(fā)射掃描電子顯微鏡（SEM），英國卡爾蔡司公司；傅立葉紅外光譜分析儀（FTIR），美國Thermo公司；Bettersize2600激光粒度分布儀（濕法），深圳市力達(dá)信儀器有限公司；Zetasizer Nano ZSP納米粒度電位儀，英國馬爾文儀器有限公司；銳影Empyrean 粉末X 射線衍射儀（XRD），荷蘭帕納科公司；XH-C 渦旋混合器，金壇區(qū)白塔新寶儀器廠；HH.B11-500 電熱恒溫培養(yǎng)箱，天津市中環(huán)實驗電爐有限公司；ALPHA1-2 真空冷凍干燥機，德國Chtist公司。

1.2 實驗方法

（1）納米級鐵溶膠的制備

將特定發(fā)酵培養(yǎng)基在滅菌鍋中于121 ℃下滅菌15 min，然后在超凈臺中接種菌株T，接種量為2%（體積分?jǐn)?shù)）。將接種后的錐形瓶放入搖床中培養(yǎng)，培養(yǎng)條件為37 ℃、150 r/min、培養(yǎng)時間6 d。取發(fā)酵液以10 000 r/min 轉(zhuǎn)速離心10 min 除去菌體，留上清液備用。

在100 mL 蒸餾水中加入3.84 g C6H8O7·H2O 和4 g Fe（NO3）3·9H2O，90 ℃水浴鍋中持續(xù)老化16 h，與大氣接觸，合成鐵溶膠。分別將水替換成20%～100%T 發(fā)酵上清液，觀察其是否影響產(chǎn)物形貌和尺寸［43］。

（2）納米級鐵溶膠的表征

SEM測試。用無水乙醇對溶膠產(chǎn)物進(jìn)行洗滌，每次洗滌后以4000 r/min 轉(zhuǎn)速離心10 min，共3 次。離心結(jié)束后取少量樣品滴加于拋光的硅片上，室溫下置于空氣中數(shù)分鐘晾干，用SEM觀察樣品的形貌。

粒度和Zeta 電位測定。用無水乙醇洗滌以不同濃度發(fā)酵上清液作為溶劑制備的溶膠產(chǎn)物，4000 r/min 離心，重復(fù)3 次，取洗滌完成的樣品進(jìn)行Zeta電位測試；用超聲波分散產(chǎn)物5 min，取樣進(jìn)行粒度測試。

FTIR測試。取適量樣品于敞口玻璃瓶中，在烘箱中105 ℃干燥2 d，用FTIR 在4000～400 cm-1范圍進(jìn)行掃描。

XRD測試。將產(chǎn)物置于105 ℃干燥箱中烘干，得到粉末制品，用XRD進(jìn)行廣角掃描測試。

活性成分定量。根據(jù)T菌發(fā)酵上清液的紅外光譜結(jié)果，確定用于合成鐵溶膠的T 菌發(fā)酵上清液中的活性成分，并根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)進(jìn)行定量。

（3）破乳脫水率的測定

在1 L蒸餾水中加入17.787 g NaCl、1.143 CaCl2、0.864 MgCl2、0.133 Na2SO4、0.551 NaHCO3，配制成模擬地層水。稱取微熱后呈液體狀態(tài)的潿洲上岸油水約400 mg，與1 L 模擬地層水混合均勻制得模擬污水。將各合成的干燥好的溶膠分別以400 mg/L的量加入乳化油水混合物中，其中空白組污水不加任何藥劑，T組只加T菌發(fā)酵液離心后的上清液（仍按400 mg/L加量）。用渦旋儀震蕩5 min，室溫下靜置24 h，觀察脫出水色澤。根據(jù)石油天然氣行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)SY/T 5281—2000《原油破乳劑使用性能檢測方法（瓶試法）》，記錄脫水量和乳液中水的總量，計算破乳劑的脫水率［44］。

（4）破乳條件優(yōu)化

破乳劑用量和渦旋時間不變，選取以上破乳實驗脫水率最高的破乳劑組，縮短破乳實驗時間至10、20、30 min，探索在恒定低溫（10～30 ℃）下南海終端現(xiàn)場乳狀液污水的破乳效果。

2 結(jié)果與討論

2.1 發(fā)酵液濃度對鐵溶膠的影響

根據(jù)不同濃度發(fā)酵液作溶劑反應(yīng)產(chǎn)物的結(jié)果，可以看出空白組、20%、40%、60%發(fā)酵液組產(chǎn)物的顏色均為紅黑色，主要組成成分相似，而80%和100%發(fā)酵液組產(chǎn)物的顏色分別為磚紅色和卡其色，與前4組成分大不相同，表明發(fā)酵液作為溶劑，對溶劑熱法合成鐵溶膠產(chǎn)生了較大影響，且濃度改變，產(chǎn)物溶膠物質(zhì)組分也發(fā)生改變。

2.2 表征結(jié)果

2.2.1 掃描電鏡結(jié)果分析

以5 K倍放大，由圖1可見，空白組中未加入發(fā)酵上清液，其產(chǎn)物為不規(guī)則形貌，表面較光滑，長徑大于10 μm，體積較大。當(dāng)溶劑為60%T發(fā)酵液時，用溶膠凝膠法合成的產(chǎn)物粒徑為400～600 nm，主要為球形，大小不一致，上百個小顆粒聚集成為團(tuán)簇，團(tuán)簇間存在空洞使得顆粒分布不均一。當(dāng)溶劑為80%T 發(fā)酵液時，用溶膠凝膠法合成的產(chǎn)物粒徑可以達(dá)到200 nm左右，大量納米小球被一層膜包裹緊密排列在一起，分散在溶膠中，顆粒間無明顯孔隙，說明鐵顆粒之間的分散程度可能與發(fā)酵液濃度有關(guān)。加入了100%T 發(fā)酵液制成的鐵溶膠基本為類似于球狀的小顆粒，產(chǎn)物形貌較一致，且這些小球均包裹著一層薄膜，成百上千個聚結(jié)在一起，呈大團(tuán)簇狀態(tài)，小球粒徑基本全部在40～200 nm范圍內(nèi)。由此可見，該發(fā)酵液對納米材料的合成產(chǎn)生了誘導(dǎo)和分散作用。這可能是由于細(xì)菌代謝物對鐵溶膠的形貌和尺寸產(chǎn)生了影響，濃度越高，產(chǎn)生的納米顆粒平均粒徑越小，顆粒表面包覆的有機膜越厚，無水乙醇難以洗脫，納米材料不易聚集。鐵納米材料表面的膜可能不是普通的物理包覆，而是通過化學(xué)鍵接枝聚合相連，或已形成新的共聚物。

圖1 不同濃度發(fā)酵液作為溶劑的產(chǎn)物SEM圖

2.2.2 粒徑和Zeta電位分析

由表1 可見，空白組和20%發(fā)酵液組的產(chǎn)物平均粒徑均大于1 μm，空白組甚至達(dá)到27.5 μm，與該組SEM圖顯示結(jié)果較一致；而20%發(fā)酵液組產(chǎn)物的平均粒徑為5.3 μm；40%、60%、80%、100%發(fā)酵液組產(chǎn)物的平均粒徑均在700 nm 左右，與SEM 測定結(jié)果不太一致。這可能由于包覆的有機膜難以在超聲波下分散開，因此測得的粒徑偏大，且濃度越高的發(fā)酵上清液組，SEM測定結(jié)果與粒度儀測得的粒徑結(jié)果相差越大。

表1 不同濃度發(fā)酵上清液作為溶劑的產(chǎn)物平均粒徑和Zeta電位

80%和100%T 發(fā)酵液作為溶劑的產(chǎn)物Zeta 電位為正值，鐵溶膠膠體顆粒帶正電。根據(jù)樣品產(chǎn)物的顏色，估計產(chǎn)物可能為Fe（OH）3、Fe3O4、Fe2O3。這兩組產(chǎn)物的Zeta電位絕對值分別為10.6、6.5 mV，溶膠穩(wěn)定性一般。0、20%、40%、60%T 發(fā)酵液作為溶劑合成的鐵溶膠的Zeta 電位均為負(fù)值。根據(jù)膠體粒子帶電性，可能生成了硫化亞鐵或羥基氧化鐵之類的物質(zhì)，需進(jìn)一步探究產(chǎn)物具體的組成成分。由此可知，鐵溶膠產(chǎn)物的Zeta 電位正負(fù)性隨著溶劑T發(fā)酵上清液含量的變化而變化，即產(chǎn)物成分和含量隨發(fā)酵上清液中的有效成分（生物表面活性劑）含量的變化而變化。在膠體粒子電性相同時，即0～60%條件下，根據(jù)Zeta電位可以得知，60%組開始變得不穩(wěn)定，0 和40%組穩(wěn)定性一般，20%組產(chǎn)物的穩(wěn)定性較好。這可能是由于20%發(fā)酵上清液包覆膜的厚度適中，既不會因為膜厚度較高而使顆粒團(tuán)聚沉降，也比純水作為溶劑（發(fā)酵上清液加量為0）組產(chǎn)物完全無膜包覆的穩(wěn)定性高。從SEM 圖中可以看出，純水作溶劑的產(chǎn)物尺寸屬于數(shù)十微米級，沒有分散劑或改善分散狀況的物質(zhì)存在。

Zeta 電位依賴于粒子表面和分散劑的化學(xué)性質(zhì)，是粒子間靜電力相互作用的標(biāo)尺，不受粒子尺寸的影響。Zeta 電位的影響因素有：pH 變化、電導(dǎo)率（由濃度、鹽的類型決定）、組成成分（如高分子、表面活性劑）濃度的變化。這些溶膠產(chǎn)物均是由細(xì)菌發(fā)酵上清液作為溶劑合成的，因此Zeta電位測試結(jié)果不能完全確定膠體產(chǎn)物的穩(wěn)定性。無法測定Zeta電位的實驗組可能受產(chǎn)物中含有的表面活性劑影響。

2.2.3 傅里葉紅外光譜分析

由圖2 可見，T 細(xì)菌的發(fā)酵上清液干燥樣品在3384.5 cm-1出現(xiàn)一個較寬的強吸收峰，表明存在O—H、N—H；2931.3 cm-1為糖類的特征峰；1579.4 cm-1附近為雙鍵伸縮振動區(qū)；1407.8 cm-1處為脂肪酸碳鏈上C—H 鍵的伸縮振動峰；1114.7、1041.4 cm-1附近出現(xiàn)C—O和酯的特征峰，表明T發(fā)酵液上清液中含有糖脂類物質(zhì)。該物質(zhì)與已鑒定的鼠李糖脂的紅外光譜［45］有差別，因此推斷T 發(fā)酵產(chǎn)物為一種新型的糖脂類生物表面活性劑。

圖2 T菌發(fā)酵上清液樣品的紅外光譜圖

不同濃度T發(fā)酵液作為溶劑的條件下，檸檬酸和硝酸鐵反應(yīng)產(chǎn)物的紅外吸收光譜圖極其相似，可能有相同的特征官能團(tuán)［46］。以60%T發(fā)酵上清液的紅外光譜圖（圖3）為例，在3440.4 cm-1附近出現(xiàn)吸收峰，透過率較T 發(fā)酵上清液的3384.5 cm-1處有所下降，峰位置也有所偏移；合成產(chǎn)物在2626.6 cm-1出現(xiàn)了弱峰，可能是O=C=O；1729.9～1058.7 cm-1之間的峰均指向T發(fā)酵上清液的表面活性劑成分。指紋區(qū)內(nèi)599.8～416.6 cm-1范圍內(nèi)的振動帶表明存在Fe—O，說明產(chǎn)物中含有鐵氧化物。

圖3 以60% T發(fā)酵上清液為溶劑的產(chǎn)物的紅外光譜圖

2.2.4 XRD測試結(jié)果分析

合成產(chǎn)物的XRD 譜圖表現(xiàn)為彌散峰。對比6個樣品的XRD圖可見，產(chǎn)物很有可能為相同或相似結(jié)構(gòu)的鐵溶膠，由于成分含量不一而呈現(xiàn)不同的顏色。經(jīng)XRD 分析軟件Jade6.5 擬合得出，不同濃度發(fā)酵液參與合成的鐵溶膠物相及晶面。其中，部分三氧化二鐵晶相為γ-Fe2O3，與四氧化三鐵峰的位置重合，F(xiàn)eO（OH）與FeOOH 統(tǒng)一用FeO（OH）表示。通過半定量分析可以發(fā)現(xiàn)各組產(chǎn)物中含量較高的物質(zhì)依次為Fe2O3、FeO（OH）、Fe3O4，另有Fe（OH）2、Fe、FeO也出現(xiàn)了特征峰，但含量較少。

根據(jù)上述實驗結(jié)果，可以初步判定T 菌合成的生物表面活性劑為糖脂，即用于鐵溶膠合成的活性成分為糖脂。用蒽酮-硫酸法測定發(fā)酵上清液中糖脂的總含量［47］。按1.2.1中的發(fā)酵條件，T菌在特定的發(fā)酵培養(yǎng)基中發(fā)酵6 d后，以10 000 r/min轉(zhuǎn)速離心10 min，取上清液測得其糖脂含量為0.99～1.08 g/L。

2.3 破乳實驗結(jié)果分析

乳化液震蕩后，部分組上層出現(xiàn)澄清現(xiàn)象。震蕩結(jié)束后于室溫下放置24 h，60%組上清液的高度最大，破乳效果最好最穩(wěn)定；不加藥劑的空白組在該環(huán)境下不能自發(fā)破乳，加T 菌發(fā)酵上清液的組無明顯破乳層。根據(jù)破乳層厚度（上清液高度）計算破乳系數(shù)，結(jié)果如表2所示。

表2 不同比例T發(fā)酵液作為溶劑的鐵溶膠對破乳效果的影響

破乳實驗結(jié)果表明，純水作為溶劑的鐵溶膠對模擬油田污水具有一定的破乳效果，室溫放置24 h后能保持在18%；發(fā)酵上清液（T 組）對乳化油水的破乳系數(shù)為40%，說明純發(fā)酵上清液即表面活性劑對乳化油水也存在一定的破乳作用。加表面活性劑穩(wěn)定的鐵溶膠對模擬油田污水有不同程度的破乳影響。室溫下能保持穩(wěn)定破乳效果的有40%、60%、80%、100%發(fā)酵上清液組。其中效果優(yōu)于純水作為溶劑合成的溶膠的有40%、60%、100%發(fā)酵上清液組，且60%發(fā)酵上清液組合成的鐵溶膠的破乳效果持久，在平均約10 ℃的溫度下靜置24 h 仍能保持78%的破乳系數(shù)，可以考慮后續(xù)用于低溫油藏環(huán)境中的油水分離。由圖1 可見，60%發(fā)酵上清液合成的產(chǎn)物中，鐵顆粒表面包覆有機物較少，顆粒分明，與80%和100%發(fā)酵上清液組相比，顆粒之間分開程度高，沒有以團(tuán)簇形式被包裹，因此在投入乳化油水混合物中時，鐵顆粒與乳狀液的接觸面積大，這可能是其破乳性能好的原因。另一方面，合成的生物表面活性劑穩(wěn)定的鐵溶膠結(jié)構(gòu)可能隨著發(fā)酵上清液中糖脂含量的變化而發(fā)生改變，整體來說由60%發(fā)酵上清液制備的鐵溶膠產(chǎn)物的Zeta電位絕對值更低，因而比80%和100%發(fā)酵上清液組的納米鐵顆粒穩(wěn)定，破乳效果更好。

本實驗所用的T菌發(fā)酵液無需分離提純即可直接應(yīng)用于合成納米鐵溶膠，成本較低。工業(yè)級檸檬酸和硝酸鐵價格分別約為295 元/500 g 和41 元/500 g，則合成1 g成品破乳劑約需成本0.3元。

選用60%發(fā)酵上清液合成的鐵溶膠和南海終端現(xiàn)場污水作為待處理的乳化廢水進(jìn)行優(yōu)化實驗。破乳實驗結(jié)果表明，按400 mg/L藥劑投加后再渦旋5 min使其充分混合，污水溫度為10、20、30 ℃時，靜置20 min 均可使污水澄清，脫水率為100%，下層無沉淀和絮狀物，破乳效果好。

3 結(jié)論與展望

以T菌株微生物在培養(yǎng)基中好氧培養(yǎng)6 d，取發(fā)酵離心上清液與水混合，分別制得體積比為0、20%、40%、60%、80%、100%的離心上清液，以上清液作為溶劑，采用溶劑熱法和溶膠-凝膠法合成了生物表面活性劑穩(wěn)定的鐵溶膠。由于生物產(chǎn)表面活性劑有復(fù)雜的代謝途徑，這些代謝途徑可能會因環(huán)境的外部變化而發(fā)生突變，從而導(dǎo)致代謝產(chǎn)物產(chǎn)量的表述不明確。建議研究致突變物種以及控制方法，以進(jìn)一步研究外部條件優(yōu)化對生物內(nèi)部代謝活性的影響。

制備的鐵溶膠的主要無機相成分為鐵氧化物Fe2O3、FeO（OH）、Fe3O4，鐵顆粒外包覆的有機組分為一種新型的糖脂類生物表面活性劑。20%發(fā)酵上清液作溶劑時合成的鐵溶膠的Zeta 電位電負(fù)性最強，膠體穩(wěn)定性最高。

生物表面活性劑穩(wěn)定的鐵溶膠可以用于低溫油水混合物的破乳，60%發(fā)酵上清液（糖脂）穩(wěn)定的鐵溶膠的破乳效果最好，低溫下放置24 h后的破乳系數(shù)為78%，破乳效果好于純水作溶劑合成的產(chǎn)物。表面活性劑的包覆增加了鐵納米的生物相容性，后續(xù)處理簡單環(huán)保，可降低污染。用制備的破乳劑進(jìn)行南海終端現(xiàn)場乳狀液的破乳，效果明顯。

制備納米鐵溶膠時使用離心后的發(fā)酵上清液，未全部利用發(fā)酵液中的培養(yǎng)基成分，如菌體蛋白等，后續(xù)也可單獨研究其對納米鐵溶膠合成和穩(wěn)定性的影響。未來應(yīng)加強生物穩(wěn)定破乳劑的研究，同時關(guān)注破乳后破乳材料的再生和可回收性，以期在污水處理尤其是破乳除油方面產(chǎn)生較穩(wěn)定持久的效果，實現(xiàn)藥劑殘留對后續(xù)生化處理污水中有機污染物的微生物向無毒害化轉(zhuǎn)變。