超聲參量對制備原油乳化液的影響

楊小鵬，楊大鵬，王殿生

(中國石油大學(華東) 理學院，山東省高校新能源物理與材料科學重點實驗室，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)生的熱效應和空化效應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)量分數(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：進口原油、蒸餾水、Tween 80(化學純)、Span 80(化學純).

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，然后插入超聲桿進行處理，即可制得原油乳化液.

實驗主要配制質(zhì)量分數(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、脈沖重復周期等對原油乳化效果的影響. 實驗中，乳化劑質(zhì)量分數(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. 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

聲強是超聲波的主要參量，對超聲空化有著重要影響，一般聲強越大，空化強度越大，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. 當超聲功率在400 W時已達到較好的處理效果，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、脈沖重復周期15 s.

由圖2可知，當超聲時間從1 min增加到5 min時， 析油率從42.64%降低到3.28%； 當超聲時間為7 min時，析油率反而上升至6.56%，當超聲時間繼續(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

間歇比為脈沖重復周期與脈沖寬度的比值. 在實際應用中，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，當超聲波的間歇比為2,2.4和3時，析油率為3.28%；當間歇比為2.8和3.6時，析油率為6.56%；而當間歇比為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一步研究. 實際應用中，應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 脈沖重復周期的影響

在超聲應用中常使用脈沖波，脈沖重復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 析油率隨脈沖重復周期的變化

由圖4可知，當脈沖重復周期為9,15,27 s時，析油率為3.28%；當脈沖重復周期為3，21 s時，析油率為6.56%. 可見，脈沖重復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周期的改變不會影響實際處理的總時間，因此脈沖重復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) 脈沖重復周期對乳化效果影響較小.

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