使用硫酸、PDMDAAC 及 CPAM 三种药剂制备稠油乳化污水破乳药剂。实验中充分利用硫酸的破乳性能、PDMDAAC 的强电荷特性以及 CPAM 的快速絮凝能力对曙一区稠油乳化污水进行破乳实验。本文在实验室中通过正交实验考察了硫酸、PDMDAAC 及 CPAM 三种药剂的最佳制备条件：反应温度 40 ℃，硫酸浓度 0.2%，PDMDAAC 浓度为 20%，PAM 浓度为 2.4%。通过实验证明该破乳剂在药剂投加量为 140 mg/L 时对辽河油田曙一区稠油乳化污水的处理效果最佳，此时除油率可以达到93.46%，处理成本约为 0.83 元/m3。
关 键 词：
PDMDAAC（聚二甲基二烯丙基氯化铵）；硫酸；CPAM；除油率
我国有丰富的稠油资源，稠油年产超过 3 000万吨，稠油污水产出量超过 1 亿 m3。稠油油气田所处的油藏地质条件、开采工艺和开采年限等不同，导致了稠油污水的水质非常复杂。稠油污水中含有原油微粒、机杂、地层粘土微粒及少量的原油破乳剂。其乳化原因有以下两点:
（1）原油中含有天然乳化剂、石油类磺酸盐、沥青胶质及固体粉末等，降低油水界面；
（2）开采和集输过程中受泵和管道机械外力搅拌作用，使其更加的稳定。
由于油田 O/W 乳状液界面膜一般具有负电性，破乳关键首先是减弱界面膜的强度。针对这种负电性，加入带有相反电荷物质中和电荷，压缩破坏双电层，减弱界面膜强度，使得乳化液滴相互碰撞聚结破乳。产生桥联和絮凝作用，形成粒径大的油珠，在水的浮力作用下逐渐从水中分离出来，从而达到O/W 乳状液破乳的目的。
研究表明研制稠油污水 O/W 乳状液破乳剂必须具备以下几点要求：（1）有很强的亲电荷能力，足以平衡乳化剂形成的负电荷；（2）有很强的絮凝能力，能够把乳状液微粒絮凝起来便于形成大的矾花；（3）有很强的表面活性，能够破坏乳状液的界面能。
根据研制稠油污水 O/W 乳状液破乳剂的特点，目前水处理领域中 PDMDAAC 产品带有较强的正电荷，可以快速与污水中的负电荷进行中和，进而达到平衡污水中电荷的作用。而在絮凝能力方面PAM 依靠其自身较长分子链结构可以将污水中油珠等物质聚结，进而上浮将其去除。至于破坏乳状液的界面能，硫酸类的破乳效果不言而喻。综上所述，本文采用硫酸类、PDMDAAC 及 PAM 三种药剂对曙一区稠油乳化污水进行破乳实验，通过正交实验考察不同因素对破乳剂的影响。
1 破乳剂破乳机理研究
破乳剂的作用机理较复杂，主要有以下几种：反相破乳机理、絮凝-聚结破乳机理、碰撞击破界面膜破乳机理、电荷中和机理等。对于某种特定的原油乳液和破乳剂而言，破乳作用机理可能是多种机理并存或是某种破乳机理起主要作用。
相转移—反向变形机理：尽管乳状液存在许多稳定的因素，但是从热力学观点看，乳状液是不稳定体系。即使最稳定的乳状液其最终的平衡也应是两相分离，破乳是必然结果，只是方式和时间的差别而已。加人了破乳剂，发生了相转变，即能够生成与乳状液类型相反的破乳剂(反相破乳剂)。这类破乳剂与憎水的乳化剂作用生成络合物，从而使乳化剂失去了乳化性能。这一机理对于水包油型比较实用。
碰撞击破界面膜机理：在加热或搅拌的条件下，破乳剂有许多机会碰撞乳化液的界面膜或吸附于界面膜上，或排潜部分表面活性物质，从而击破界面膜，使其稳定性大大降低，发生了絮凝聚结而破乳。
增溶机理：所使用的破乳剂，一个分子或少数几个分子即可形成胶束，这种高分子线团或胶束对乳化剂分子起到增溶作用，从而引起破乳作用。
褶皱变型破乳机理：水包油型的乳状液中油珠表面带有大量的负电荷，扩散层很厚，油滴之间排斥力占主导地位，处于相对稳定状态。加入破乳剂后，油滴表面电荷被中和一部分，扩散层变薄，颗粒距离变小。但其表面仍带有相当多的负电荷，排斥力仍占主导地位，油珠仍能稳定存在。加入的破乳剂增多，油珠表面的电荷被中和的越多，扩散层变得越薄。Zeta 电位进一步降低，在增加破乳剂投量时，颗粒表面电荷几乎完全被中和，Zeta 电位更低，甚至可以降到零，扩散层更薄，甚至可以消失。在范德华力的作用下两个油珠相互吸引从水中分离出来，从而达到破乳的目的。
2 实验部分
2.1 实验仪器及试剂
2.1.1 实验仪器恒温水浴锅、电动搅拌装置、紫外分光光度计等。
2.1.2 实验试剂石油醚、盐酸、无水硫酸钠等。
2.2 破乳剂评价方法
采用比色管法，取 100 mL 稠油乳化污水倒入100 mL 比色管中。投加一定剂量破乳剂，充分震荡30 次，静置 15 min 后，抽取中层清液，按照《碎屑岩油藏注水水质指标及分析方法》SY/T5329-2012标准 5.4 规定检测含油量。
2.3 评价标准
破乳后污水中含油量要求除油率大于 80%。
2.4 含油量计算
3 结果与讨论
3.1 破乳剂实验设计
按正交试验方法，考察反应温度(因素 A，以下称为 A 反应温度)、硫酸浓度(因素 B，以下称为 B组分投加量)、PDMDAAC 浓度(因素 C，以下称为C 组分投加量)和 PAM 浓度(因素 D，以下称为 D 组分投加量)这 4 个因素对合成产物破乳性能的影响差异，确定为每个因素取 4 个水平，设计成正交表L16(44)得到试验数据表 1。正交试验数据处理结果见表 2。从表 2 可以看出，PDMDAAC 对反应的影响最大，其次为反应温度及 PAM 浓度，硫酸浓度对实验的影响相对较小。通过实验确定最佳复配条件为 A4B4C4D4，即反应温度 40 ℃，硫酸浓度 0.2%，PDMDAAC 浓度为 20%，PAM 浓度为 2.4%。后面的实验中将采用 A4B4C4D4 条件制备出的破乳剂为研究对象进行试验。
3.2 破乳实验结果
本文使用曙一区某站进站稠油乳化污水为实验水样，该污水具有水温高、乳化较为严重等特点。污水水质数据如表 3 所示。
根据上述正交实验得出的最佳制备条件A4B4C4D4，考察该破乳剂样品在药剂投加量分别为 80 mg/L、100 mg/L、120 mg/L、140 mg/L、160mg/L 和 180 mg/L 时对曙一区进站稠油污水的破乳效果。
由图 1 和图 2 可以看出，当破乳剂投加量为 140mg/L 时对曙一区稠油污水的处理效果较为理想，除油率为 93.46%。随着破乳剂投加量的继续增大，除油率显著降低。
4 经济效益评价
根据破乳实验所确定出的破乳剂的最佳药剂投加量，对破乳剂的经济性进行计算，计算结果如表4。
由表4 数据可以看出，破乳剂最佳投加量为140mg/L 时的处理成本约为 0.83 元/m3。
5 结 论
（1）通过室内系统的正交实验，得出针对曙一区稠油乳化污水破乳剂的最佳制备条件为反应温度40 ℃，硫酸浓度 0.2%，PDMDAAC 浓度为 20%，PAM 浓度为 2.4%。该制备方法制备出的破乳剂除油率可以达到 80%以上。
（2）在正交实验的基础上，使用辽河油田曙一区稠油乳化污水对最佳制备方法制备出的破乳药剂的最佳药剂投加量进行了破乳实验，通过实验确定出该药剂的最佳投加量为 140 mg/L，此时除浊率为93.46%，处理成本约为 0.83 元/m3。
原标题：稠油乳化污水破乳剂的研究与应用
原作者：邹德斌，李玉华
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