利用多重光散射原理分析石油磺酸鹽乳狀液穩(wěn)定性

竇 韋，劉 霜

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利用多重光散射原理分析石油磺酸鹽乳狀液穩(wěn)定性

竇 韋，劉 霜

（東北石油大學(xué) 提高采收率教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，黑龍江 大慶 163318）

對(duì)石油磺酸鹽中的活性物質(zhì)進(jìn)行了提取，利用Turbiscan Lab穩(wěn)定性分析儀多重光散射原理，對(duì)石油磺酸鹽活性物與原油乳狀液穩(wěn)定特性進(jìn)行了研究。測(cè)量了TSI穩(wěn)定指數(shù)和粒徑大小隨時(shí)間的變化值，并通過(guò)光強(qiáng)度曲線變化分析靜置后乳狀液的狀態(tài)變化。結(jié)果顯示，轉(zhuǎn)速越高TSI值越小，乳狀液的穩(wěn)定性越好。轉(zhuǎn)速為4 000 r/min的乳狀液平均粒徑值最小，并且達(dá)到了極穩(wěn)定乳狀液粒徑范圍。根據(jù)光強(qiáng)度曲線的變化能夠客觀地反映出上浮、絮凝和聚結(jié)等一系乳狀液體系的變化，較大地提高了效率和準(zhǔn)確度。

光散射；穩(wěn)定性；粒徑

石油磺酸鹽作為一種應(yīng)用廣泛的陰離子型表面活性劑，具有生產(chǎn)工藝簡(jiǎn)單，成本相對(duì)較低，水溶性好，與原油配伍性強(qiáng)，高界面活性等優(yōu)點(diǎn)。使它成為礦場(chǎng)試驗(yàn)及研究最為深入的一種驅(qū)油用表面活性劑。石油磺酸鹽是一種十分復(fù)雜的混合物，通常驅(qū)油用石油磺酸鹽由無(wú)機(jī)鹽、未磺化油、以及石油磺酸鈉（也稱(chēng)有效物或者活性物）等組成。其中未磺化油、無(wú)機(jī)鹽會(huì)在一定程度上對(duì)乳狀液穩(wěn)定性產(chǎn)生較大的影響[1]。因此為了精確的研究石油磺酸鹽乳化性能，本實(shí)驗(yàn)提取了石油磺酸鹽中的活性物質(zhì)，對(duì)活性物與原油形成乳狀液的穩(wěn)定性進(jìn)行評(píng)價(jià)。

乳狀液穩(wěn)定性評(píng)價(jià)方法有多種，光散射是近年來(lái)發(fā)展迅速的測(cè)定方法，主要有：小角光散射法、動(dòng)態(tài)光散射法和多重光散射法等[2]。目前最好的乳狀液評(píng)價(jià)儀器之一是基于多重光散射的穩(wěn)定分析儀Turbiscan，具有操作便利、結(jié)果準(zhǔn)確的特點(diǎn)。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)試劑與儀器

原油密度0.853 g/cm3；石油磺酸鹽（含量50%）；大慶三廠污水；無(wú)水乙醇，石油醚，異丙醇，正戊烷（均為分析純）。

Turbiscan Lab穩(wěn)定性分析儀；ULTRA-TURRAX T25 digital分散機(jī)；紅外烘箱；分液漏斗。

1.2 實(shí)驗(yàn)原理

圖1 儀器測(cè)量原理

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

1.3.1 活性物提取

將石油磺酸鹽樣品放入紅外烘箱至恒重，向剩余物中加入熱無(wú)水乙醇、石油醚交替洗滌3~4次，除去無(wú)機(jī)鹽。將脫鹽后的樣品中按照體積比3:1加入50%異丙醇-水和正戊烷進(jìn)行萃取，得到上層液和部分活性物；向分離出的上層液中按照體積比1:1加入50%異丙醇-水和正戊烷進(jìn)行反萃取。反萃取后得到的活性物與之前得到的活性物合并，放入紅外烘箱至恒重，從而得到活性物質(zhì)。

1.3.2 乳狀液制備

將石油磺酸鹽活性物質(zhì)配置成濃度0.3%的水溶液。將原油樣品和活性物水溶液按照1∶1的比例混合，用ULTRA-TURRAX T25 digital分散機(jī)在2 000、3 000、4 000 r/min的條件下攪拌5min。將得到的乳狀液倒入樣品玻璃瓶中，用Turbiscan Lab穩(wěn)定性分析儀在恒溫45 ℃條件下進(jìn)行測(cè)量。每1 min掃描一次樣品，共掃描120 min。

2 結(jié)果與分析

2.1 乳狀液穩(wěn)定指數(shù)分析

TSI是一個(gè)計(jì)算，它是將獲得的儀器測(cè)量的原始數(shù)據(jù)：透射光和背散射光的信號(hào)直接計(jì)算而得。在選定的高度，比較每一次掃描測(cè)量對(duì)前一次掃描測(cè)量的光強(qiáng)度的變化，并將結(jié)果累計(jì)至樣品總高度而獲得一個(gè)結(jié)果，它不依賴于產(chǎn)品的數(shù)量。其值反映了樣品不穩(wěn)定的一個(gè)程度，穩(wěn)定指數(shù)TSI越高，越不穩(wěn)定。

圖中可以直觀的看出隨著轉(zhuǎn)速的增加，不穩(wěn)定性動(dòng)力學(xué)指數(shù)減小，說(shuō)明乳狀液穩(wěn)定性越好。并且轉(zhuǎn)速為4 000 r/min時(shí)，前20 min內(nèi)TSI值相對(duì)于另外兩條曲線增長(zhǎng)緩慢。這是因?yàn)槿闋钜菏且环N液體以微小液珠形式分散在另一種與其不相溶液體中形成的多相分散體系，是熱力學(xué)不穩(wěn)定體系[3]。隨著轉(zhuǎn)速增加，液滴聚并阻力增大，乳狀液的脫水率降低，穩(wěn)定性增強(qiáng)。剪切力增大，使液滴的粒徑減小，在連續(xù)相中的分布更加均勻，使得比表面積增大，乳化時(shí)所做的功以表面能形式貯存在油/水界面上，體系的總能量增加。并且隨著時(shí)間的增加，體系的穩(wěn)定性越差，在測(cè)量時(shí)間范圍內(nèi)不穩(wěn)定性指數(shù)仍在緩慢增長(zhǎng)，說(shuō)明體系仍未達(dá)到穩(wěn)定。

圖2 不同轉(zhuǎn)速下TSI值隨時(shí)間變化曲

2.2 乳狀液粒徑分布影響

乳狀液穩(wěn)定后會(huì)產(chǎn)生分層，分層位置處于測(cè)試樣品瓶中部，因此選取中部粒徑變化曲線進(jìn)行分析，如圖3所示。

圖3 不同轉(zhuǎn)速下粒徑隨時(shí)間變化曲線

根據(jù)粒徑分布曲線中粒徑顆粒分布集中的程度以及隨時(shí)間變化程度可判斷出乳狀液的穩(wěn)定程度。初始階段粒徑曲線隨時(shí)間變化明顯，表明乳狀液是不穩(wěn)定的；40 min后粒徑曲線隨時(shí)間變化較小，表明該階段乳狀液逐漸趨于穩(wěn)定。隨著剪切速率的增加，乳狀液粒徑逐漸減小。若剪切速率較小，形成的油水界面積不穩(wěn)定，內(nèi)向水在油中分散不均勻，易形成尺寸較大的不規(guī)則水包；在靜置時(shí)乳狀液在重力的作用下水包下沉較快，造成大量破乳[4]。平均粒徑大的乳狀液容易聚并，穩(wěn)定性相對(duì)較差。Simone研究發(fā)現(xiàn)對(duì)于極穩(wěn)定原油乳狀液粒徑分布窄，且平均粒徑為8 μm左右[5]。因此可進(jìn)一步看出轉(zhuǎn)速為4 000 r/min的乳狀液穩(wěn)定性最好，并且達(dá)到了極穩(wěn)定乳狀液粒徑范圍。

2.3 乳狀液聚結(jié)分層過(guò)程分析

通過(guò)TSI指數(shù)和粒徑曲線的分析得出轉(zhuǎn)速為4 000 r/min的乳狀液穩(wěn)定性好，利用背散射光強(qiáng)值對(duì)該轉(zhuǎn)速下乳狀液聚并、分層過(guò)程進(jìn)行分析。在參比模式下看原始數(shù)據(jù)，背散射光強(qiáng)度隨樣品瓶高度變化曲線如圖4所示。

圖4 背散射光強(qiáng)度隨樣品瓶高度變化曲線

從圖中可以看出背散射光強(qiáng)隨著樣品高度和時(shí)間的變化均發(fā)生了改變。背散射光強(qiáng)度在掃描圖的最左端（樣品高度0~4.5 mm）減少，顆粒的濃度在底部降低；在樣品高度范圍4.5~21mm內(nèi)，背散射光強(qiáng)度值逐漸增加，顆粒的濃度增加，說(shuō)明在乳狀液樣品下端發(fā)生不穩(wěn)定的上浮現(xiàn)象，最后產(chǎn)生分層。分層的發(fā)生主要是因?yàn)橛偷拿芏缺人?，造成油滴上浮。在圖的右側(cè)，樣品高度范圍21~43 mm，背散射光強(qiáng)度曲線下降平穩(wěn)，在該區(qū)域乳狀液發(fā)生了聚結(jié)或絮凝。分層和絮凝都不改變?cè)瓉?lái)液滴的大小，只是在位置上發(fā)生變化。通常絮凝時(shí)，一個(gè)大的液滴在中間，一些小的液滴圍在周?chē)纬梢粋€(gè)比較大的統(tǒng)一體，攪拌之后絮凝的液滴又可以被分開(kāi)。聚結(jié)時(shí)，通常是兩個(gè)或者更多的液滴融合成一個(gè)液滴，降低了表面積，最終使乳狀液變成單純的油相和水相，聚結(jié)是不可逆轉(zhuǎn)的過(guò)程[6]。

3 結(jié) 論

（1）乳狀液TSI值隨時(shí)間增大，隨后趨于穩(wěn)定。轉(zhuǎn)速高的乳狀液TSI值越小，乳狀液的穩(wěn)定性越好。

（2）轉(zhuǎn)速為4 000 r/min時(shí)乳狀液平均粒徑值最小，達(dá)到了極穩(wěn)定乳狀液粒徑范圍，并且平均粒徑越小乳狀液越穩(wěn)定。

（3）采用穩(wěn)定性分析儀測(cè)量，不僅能觀測(cè)到反映乳狀液狀態(tài)的穩(wěn)定指數(shù)隨時(shí)間的變化值，還能觀測(cè)乳狀液粒徑大小的變化，并能根據(jù)曲線光強(qiáng)度的變化客觀地反映出上浮、絮凝和聚結(jié)等一系乳狀液體系的變化，較大地提高了效率和準(zhǔn)確度。

［1］ 劉磊. 石油磺酸鹽與原油的配伍性研究[D]. 大慶：東北石油大學(xué)，2013.

［2］ 程航，黃翔峰，劉佳等. 原油乳狀液穩(wěn)定性評(píng)價(jià)指標(biāo)研究進(jìn)展[J].化學(xué)世界，2009：295-296.

［3］ 康萬(wàn)利，李金環(huán)，趙學(xué)乾. 界面張力和乳滴大小對(duì)乳狀液穩(wěn)定性的影響[J]. 油氣田地面工程，2015(24)：11-12.

［4］ 張文玲，徐冬梅，韓曉強(qiáng)，等. 建立一種檢測(cè)乳狀液油滴粒徑的方法[J]. 新疆石油科技，2007(17)：46-47.

［5］Less S,Hannisdal A,Bjorklund E,et al. [J].Fuel,2008,87(12):2572-2581.

［6］李奇. 陰非離子表面活性劑油水界面性質(zhì)研究[D]. 成都：西南石油大學(xué)，2014.

Analysis on the Stability of Petroleum Sulfonate Emulsion Based on Multiple Light Scattering Principle

DOU Wei，LIU Shuang

（ Key Laboratory of Enhanced Qil Recovery of Education Ministry,Northeast Petroleum University,Heilongjiang Daqing 163318,China）

Active substances in petroleum sulfonate were extracted. Through using multiple light scattering principle of Turbiscan lab stability analyzer, the stability of the petroleum active substance and crude oil emulsion was studied. Changes of TSI stability index and the particle size with time were measured, and change of the state of the emulsion was analyzed by the variation of light intensity curve. The results show that, the higher the rotation rate, the smaller the TSI, the better the stability of emulsion. When the rotation rate is 4 000 r/min, mean particle size of the emulsion is the minimum, and achieves a very stable emulsion particle size range. The variation of light intensity curve can objectively reflect the changes of flotation, flocculation and coalescence of emulsion system.

Light scattering; Stability; Particle size

O 657

A

1671-0460（2016）06-1138-03

2016-05-04

竇韋（1992-），女，河北省唐山人，碩士研究生，研究方向：從事提高采收率原理方面研究。E-mail：shuiyeyl@qq.com。