聲化破乳-離心分離處理廢棄油基鉆井液實驗研究

夏家祥 劉宇程 徐俊忠 陳明燕

（1．中國石化西南工程有限公司四川鉆井分公司）（2．西南石油大學化學化工學院）

廢棄油基鉆井液是油氣井鉆井開采過程中產(chǎn)生 的污染物［1］，它是由油、水、乳化劑、潤濕劑、降濾失劑和泥沙等形成的穩(wěn)定油包水（W／O）乳狀液體系［2］，成分復雜、處理困難、具有一定的毒性［3］。廢棄油基鉆井液中油的含量較高，具有回收利用的價值。但是，由于廢棄油基鉆井液中含有大量泥沙，使得油包水乳狀液變得更加穩(wěn)定難處理［4］。目前，處理廢棄油基鉆井液的主要方法有：填埋回注法、微生物處理法和回收利用法等［5］。而回收利用廢棄油基鉆井液中的油的關鍵在于破乳分離，目前破乳的方法主要有：自然沉降破乳、化學破乳、超聲波破乳、加熱破乳和離心破乳等［6－7］。

由表1可知，在條件相近的情況下，聲化破乳－離心分離廢棄油基鉆井液的脫油率遠遠大于化學破乳－離心分離和超聲破乳－離心分離。聲化破乳－離心分離實驗所需加熱時間、破乳劑加量、加熱溫度、離心時間和離心機轉速都小于化學破乳－離心分離。因此，為了有效回收廢棄油基鉆井液中的油，采用超聲輻照協(xié)同化學破乳劑破乳，再用離心機分離回收廢棄油基鉆井液中的油。

表1 不同處理方法的脫油率Table 1 Deoiling rate of different treatment methods

1 實驗部分

1．1 實驗儀器及藥品

JK－50B型超聲波清洗器，合肥金尼克機械制造有限公司；SCY－15B超級恒溫水浴，南京桑力電子設備廠；TG16－WS臺式高速離心機，湖南滬康離心機有限公司；電子天平，沈陽龍鵬電子有限公司；電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀（ICP－OES），德國斯派克分析儀器公司；二甲苯（分析純），成都科龍化工有限公司。

1．2 廢棄油基鉆井液性質分析

實驗所用廢棄油基鉆井液取自川慶鉆探工程有限公司川東鉆探公司的威201－H3井，其含水量采用國家油水混合物標準測定方法測定（參照GB／T 8929－2006《原油水含量的測定 蒸餾法》），油含量采用索氏提取法測定，利用灼燒后重量差值測定泥沙和瀝青質等有機物質含量，利用電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀（ICP－OES）測量其重金屬含量。測定結果為廢棄油基鉆井液中油的質量分數(shù)為33．69%、水為5．56%、泥沙為53．79%、有機物和揮發(fā)性物質為6．96%；重金屬Cr的質量濃度為0．539 5 mg／L、Cd為0．120 1mg／L、Pb為1．175 5mg／L、Hg為0．000 4mg／L，其中 Cd和 Pb超過 GB 8978－1996《污水綜合排放標準》中第一類污染物排放標準。

1．3 實驗原理和方法

1．3．1 實驗原理

廢棄油基鉆井液體系的溫度升高，體系黏度降低、流動性增強；再向體系中加入破乳劑，破乳劑進入W／O乳狀液界面吸附或置換界面上的乳化劑，促使界面膜強度降低；再利用超聲輻照W／O乳狀液，促使界面膜破裂并釋放膜內(nèi)小液滴，然后聚結成大液滴。超聲波對粒子有凝聚作用，超聲波對不同性質的流體介質會產(chǎn)生位移效應，位移效應會使水中的油滴向波腹或波節(jié)運動［8－9］。最后，在離心力作用下利用油水砂三相之間的密度差來實現(xiàn)油的分離回收。

1．3．2 實驗方法

取廢棄油基鉆井液在燒杯內(nèi)預熱10min；向燒杯內(nèi)加入破乳劑，并攪拌均勻，持續(xù)10min；再向燒杯內(nèi)加入30mL清水，并取出燒杯放入超聲器中超聲；將聲化破乳后的溶液轉移到離心管內(nèi)離心10 min；最后計算脫油率（即油回收率）。由于破乳劑加量、加熱溫度、超聲時間和離心機轉速是聲化破乳－離心分離廢棄油基鉆井液的主要影響因素，加熱時間和離心時間是次要因素，故確定次要因素來尋找4個主要因素的最佳值。

2 實驗結果與討論

2．1 破乳劑的評選

取廢棄油基鉆井液10g，在加熱溫度70℃、破乳劑加量 300mg／L、超聲 10min、轉速 8 000 r／min、加熱時間20min和離心時間10min的條件下，考察不同破乳劑時聲化破乳－離心分離廢棄油基鉆井液的脫油率。

圖1為西安萬德化工系列和巴斯夫系列油溶性破乳劑對廢棄油基鉆井液的破乳效果圖，由圖1可知，對廢棄油基鉆井液脫油率最高的破乳劑是BASF－L62。BASF－L62破乳劑是 EO／PO 嵌段共聚物類型破乳劑，其起始劑為甲醛樹脂［10］。BASFL62破乳劑主要被用作重質原油的破乳脫水，而廢棄油基鉆井液的黏度大，成分復雜，與稠油的性質十分相似。所以，選用BASF－L62破乳劑來考察聲化破乳－離心分離廢棄油基鉆井液各因素對其脫油率的影響。

2．2 單因素實驗

2．2．1 破乳劑加量的影響

取廢棄油基鉆井液10g，在加熱溫度70℃、加熱時間20min、超聲10min、轉速8 000r／min和離心時間10min的條件下，考察破乳劑加量對聲化破乳－離心分離廢棄油基鉆井液脫油率的影響。破乳劑加量分別取0～300mg／L，各加量之間間隔為50 mg／L。

由圖2可知，在條件一定的情況下，破乳劑加量增加，聲化破乳－離心分離廢棄油基鉆井液的脫油率也在增加；但是，當破乳劑加量大于200mg／L后再增加破乳劑加量，脫油率反而有所下降。向廢棄油基鉆井液中加入破乳劑，破乳劑進入W／O乳狀液界面置換或吸附界面上的乳化劑，促使界面膜強度降低，然后破裂、固體脫落、小液滴聚并成大液滴［11］，最后在離心力作用下實現(xiàn)油水砂三相的分離，達到回收其中油的目的。因此，向乳狀液體系加入破乳劑有助于破乳，但是由圖2可知，破乳劑加量過大，體系的油回收率沒有增加反而降低，這是由于破乳劑通常存在一個臨界聚結濃度，達到臨界濃度之前破乳率隨著破乳劑加量的增加而增加，超過臨界濃度之后破乳率就不會增加反而有時候還存在降低的情況［12］。

前文不避瑣贅，對清初傳記散文中遺民形象書寫的道德范式做四個方面的梳理，然尚有一個重要的問題，亦需做出系統(tǒng)的解釋，即這些傳記散文中遺民道德范式的實現(xiàn)途徑。茲試作粗略之解如下。

綜上所述，確定破乳劑的最佳加量范圍為150～250mg／L。

2．2．2 加熱溫度的影響

取廢棄油基鉆井液10g，在破乳劑200mg／L、加熱時間20min、超聲10min、轉速8 000r／min、離心時間10min的條件下，考察加熱溫度對聲化破乳－離心分離廢棄油基鉆井液脫油率的影響。加熱溫度分別取40～90℃，升溫間隔為10℃。

廢棄油基鉆井液體系的溫度增加以后，其黏度降低、流動性增大、界面膜穩(wěn)定性降低［13］，有助于固體顆粒從界面膜上脫落。溫度升高，分子熱運動加劇，乳狀液滴之間的相互碰撞次數(shù)增加，在超聲和破乳劑的協(xié)同作用下促使乳狀液滴碰撞破裂、聚并成大液滴，最終在離心力作用下實現(xiàn)各相分層［14］。由圖3可知，在條件一定的情況下，適當增加加熱溫度可以提高聲化破乳－離心分離廢棄油基鉆井液的脫油率。體系溫度越高，脫油率越大，但是當溫度大于60℃后，脫油率增加很緩慢，70℃后再增加溫度體系脫油率幾乎沒有增加。所以，最佳加熱溫度范圍為60～80℃。

2．2．3 超聲時間的影響

取廢棄油基鉆井液10g，在加熱溫度70℃、破乳劑 200mg／L、加熱時間 20min、轉速 8 000 r／min、離心時間10min的條件下，考察超聲時間對聲化破乳－離心分離廢棄油基鉆井液脫油率的影響。超聲時間分別取0～18min，時間增加間隔為3 min。

由圖4可知，在條件一定的情況下，超聲時間增加，聲化破乳－離心分離廢棄油基鉆井液的脫油率在增加；但是當超聲時間超過12min后，體系的脫油率又降低。廢棄油基鉆井液體系中加入破乳劑后，再用超聲輻照有助于體系的破乳脫油；因為超聲波可以加速界面膜的碰撞破碎，促進膜內(nèi)液滴的碰撞聚并，最終增加脫油率；但是如果超聲時間過長，本來已經(jīng)聚結的油和水的大液滴在超聲作用下又重新被乳化［15］，所以確定適當?shù)某晻r間對協(xié)助并提升破乳劑破乳效果十分重要。因此，最佳超聲時間范圍為9～15min。

取廢棄油基鉆井液10g，在加熱溫度70℃、破乳 劑2 0 0mg／L、加 熱 時 間2 0min、超 聲 時 間1 2 min、離心時間10min的條件下，考察離心機轉速對聲化破乳－離心分離廢棄油基鉆井液脫油率的影響。離心機轉速分別取4 000～9 000r／min，轉速增加間隔為1 000r／min。

在破乳劑和超聲輻照聯(lián)合作用之下，破乳后的廢棄油基鉆井液中存在散亂分布的油滴，若讓其自由沉降分層則需要較長時間，而在離心力作用下卻很快就能夠實現(xiàn)各相的分層。離心機轉速越大，所提供的離心力越大，也就越有利于分散油滴之間的聚結。由圖5可知，在條件一定的情況下，增加離心機轉速可以增加聲化破乳－離心分離廢棄油基鉆井液脫油率；但是當轉速超過7 000r／min之后，再增加轉速，脫油率增加極其微小。而且，轉速越大所消耗的電能越多，回收油的成本也越高。所以，考慮能耗選取最佳離心機轉速范圍為6 000～8 000 r／min。

2．3 正交實驗

為了確定幾種主要因素對聲化破乳－離心分離廢棄油基鉆井液脫油率的影響情況。在各因素最佳實驗條件范圍內(nèi)對各影響因素進行四因素三水平的正交實驗。正交實驗中破乳劑加量（A）分別取150 mg／L、200mg／L、250mg／L；超聲時間（B）分別取9 min、12min、15min；加熱溫度（C）分別取60℃、70℃、80℃；離心轉速（D）分別取6 000r／min、7 000 r／min、8 000r／min，并按照設計的正交實驗表進行實驗。

正交實驗結果的均值和極差是由脫油率計算而得，極差是反應同一影響因素在不同水平條件下的波動情況，某因素的極差越大，說明該因素對廢棄油基鉆井液聲化破乳－離心分離的影響越大，反之亦然。正交實驗結果中，極差R（A）＞R（C）＞R（B）＞R（D），所以影響廢棄油基鉆井液破乳脫油率的因素依次為：A＞C＞B＞D，影響最為顯著的因素是破乳劑加量，影響最小的是離心機轉速。正交實驗結果表明：最優(yōu)實驗組合為破乳劑加量200mg／L、超聲時間9min、加熱溫度70℃、離心轉速8 000r／min。

2．4 最佳條件下的脫油實驗

取10g廢棄油基鉆井液在100mL燒杯內(nèi)，把燒杯放入70℃的水浴鍋中預熱10min；邊攪拌邊向燒杯內(nèi)加入200mg／L的破乳劑，并持續(xù)加熱10 min；將水浴鍋中的燒杯取出并放入超聲器中，向燒杯內(nèi)加入30mL清水，開啟超聲器，持續(xù)超聲9 min，并不斷攪拌燒杯內(nèi)的溶液（超聲器中水的溫度與之前加熱用的水浴均為70℃）；將破乳劑和超聲波聯(lián)合破乳后的廢棄油基鉆井液轉移到50mL的離心管內(nèi)，在8 000r／min的轉速下離心10min。計算離心分層后的脫油率為81．78%，最佳實驗條件下的脫油率比單因素實驗和正交實驗的脫油率都高。

3 結 論

（1）比較了幾種常用于處理廢棄油基鉆井液的方法，結果表明，聲化破乳－離心分離廢棄油基鉆井液的脫油率最高。

（2）評選出了BASF－L62破乳劑，其用于聲化破乳－離心分離廢棄油基鉆井液的脫油率最高。

（3）由正交實驗結果可知，破乳劑加量對聲化破乳－離心分離廢棄油基鉆井液的脫油率影響最大，離心機轉速影響最小。最佳條件為：加熱時間20 min、加熱溫度70℃、破乳劑200mg／L、超聲時間9 min、離心轉速8 000r／min和離心時間10min，在此條件下聲化破乳－離心分離廢棄油基鉆井液的脫油率為81．78%。

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