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IOP会议系列：材料科学与工程

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氧化石墨烯对水包油（O/W）乳液的破乳作用

引用本文：Nur Hidayati Othman et al 2018 IOP Conf. Ser.: Mater. Sci. Eng. 458 012023

最近的引用

使用光催化石墨氮化碳纳米纤维有效去除聚合物驱采出水中的部分水解聚丙烯酰胺

Nur Hashimah Alias等人

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氧化石墨烯对水包油（O/W）乳液的破乳作用

Nur Hidayati Othman1*，Ahmad Fadhil Jahari1,2，Nur Hashimah Alias1，，Husna Hayati Jarni1，Munawar Zaman Shahruddin1Mohd Fazril Irfan，Akilah Dollah1and Nor Hadhirah Halim2

,

1 马来西亚雪兰莪州沙阿阿拉姆40500号马拉科技大学化学工程学院油气工程系。

2 马来西亚雪兰莪州雪兰莪州卡江市川崎研究所，马来西亚马石油研究私人有限公司，3288和3289号地块，流动评估和地层损害小组。

摘要：最近纳米技术在石油和天然气工业中的应用，特别是在提高石油采收率（EOR）方面的应用，引起了人们的兴趣。本文合成了氧化石墨烯（GO），并将其用作水包油（O/W）乳液的纳米破乳剂。采用改进的Hummers法合成了GO，并用X射线衍射仪（XRD）和傅立叶变换红外光谱（FTIR）对其进行了表征。随后，通过改变纳米破乳剂的浓度和接触时间，对纳米破乳剂的性能进行了现场测试。采用紫外可见分光光度法测定了GO对水包油乳状液的破乳性能。破乳试验表明，最佳GO浓度为20-40ppm，最佳接触时间为30min，分离水中残余油含量低至100ppm。这可能是由于GO的两亲性。这说明GO是一种很有前途的破乳剂，通过进一步了解GO与原油之间的内在相互作用，使得GO的性能在未来得到调整。

介绍

油田乳化液是一种稳定的液液胶体悬浮液，破乳是一个复杂的过程。然而，O/W乳液的破乳可以通过几种方法来加速，例如热法、电法、机械法和过滤法。其中，化学破乳法由于工艺简单而更受青睐。寻找高效、快速、通用、低成本的破乳材料，在常温条件下破除水包油乳液（O/W）和乳化含油废水一直是石油工业的目标[1]。

D油田是马来西亚利用强化水交替气（EWAG）进行提高采收率（EOR）开发项目的海上油田之一。天然气资源丰富，有充足的注水和注气设施。对添加表面活性剂M的D油田进行了乳化研究。但是，根据目前的分析，发现水中的油含量仍然高于目标值。因此，在排放至平台废水处理系统之前，必须确保水中的油浓度尽可能低， 以避免产生成本高昂的辅助工艺。

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由IOP Publishing Ltd 1授权出版

近年来，纳米技术在石油工业中的应用引起了人们极大的兴趣，大多数研究表明，纳米技术在未来提高石油采收率（EOR）方面具有广阔的应用前景。纳米技术现在被选为降低粘度（氧化铝、氧化铜（II）、氧化铁）、界面还原（氧化硅、聚丙烯酰胺微凝胶纳米球）、润湿性改变（氧化锡、氧化硅、氧化铝包覆二氧化硅）和提高扫描效率（聚合物包覆纳米颗粒）—[2]的替代方法。

近年来，氧化石墨烯（GO）作为一种高效破乳剂，在油水分离方面得到了广泛的应用。一般来说，GO由含氧官能团组成，包括环氧基、羟基、羰基和羧基。这些含氧官能团的存在为GO的广泛应用提供了潜在的优势。GO膜中的极性氧官能团使其具有很强的亲水性，使其在许多溶剂中，特别是在水中具有良好的分散性。这种材料是亲水性的，在水和其他溶剂中形成稳定的悬浮液，因为GO有许多亲水性官能团，如羧基和羟基[3]。由于具有很强的亲水性和这些性质，它们将形成稳定的水包油乳液。

破乳开始于水滴的絮凝，这些水滴倾向于聚集在一起，形成一种称为“絮状物”的聚集体。 这些液滴彼此足够接近，但可能不会聚结，因为聚结只有在液滴周围有一层弱乳化剂膜时才会发生[1]。影响絮凝率的因素有：乳状液含水量（高）、乳状液温度（高）、油粘度（低）、油水密度差（高）、静电场的应用。随后，在破乳过程中发生聚结，水滴开始聚结形成更大的水滴，最终导致水滴的存在减少，直到完成该过程 [5]。

影响聚结过程的因素有：絮凝速率（高）、缺少机械性强度高的膜、界面张力（高）、含水率（高）、界面粘度（低）、乳液温度（高）和化学破乳剂的应用[6]。在破乳过程中，水滴在乳液中沉淀或油滴在水相中上升时，也会发生沉淀或乳脂化。这两个过程都是由油水密度差引起的，不会引起乳化液的失稳。不完整的乳化液滴可能在油/水界面聚集，并很可能形成乳化液垫[6]。这些乳状液垫是由无效或不足的破乳剂，其他化学品，无效破乳剂的效果，低温和存在积累固体。由于这些衬垫的存在，可能会出现一些问题，如滞留时间缩短、BSamp;amp;W增加、水中残余油增加以及设备故障频率增加[7]。同时，采用改进的Hummers′法合成了GO，并对其进行了表征，研究了其作为纳米破乳剂对水包油乳状液的破乳性能。

方法论

    1. 化学品和材料

从D油田获得原油样品。根据D油田配方制备合成盐水（采出水和海水）。用于制备合成盐水的化学品二水氯化钙（CaCl2.2H2O）、六水氯化镁（MgCl2.6H2O）、氯化钾（KCl）、二水氯化钡（BaCl2.2H2O）、六水氯化锶（SrCl2.6H2O）、碳酸氢钠（NaHCO3），氯化钠（NaCl）。制备GO所用的化学物质为石墨、硝酸钠（NaNO3）、浓硫酸（H2SO4）、高锰酸钾（KmNO4）、过氧化氢（H2O2，30%w/w）、盐酸（HCl，37%）。所有的化学品都是从默克、Ramp;M chemicals、Syterm购买的，未经进一步纯化就使用了。

    1. 氧化石墨烯（GO）的制备与表征

采用改进的Hummers氧化法合成了氧化石墨烯（GO）

以及石墨的剥落[7]。凝胶状GO溶液在60℃—烘箱中干燥24小时，形成GO纳米破乳剂。然后使用傅里叶变换红外光谱（FTIR，Perkin Elmer）在400 cm1到4000 cm1范围内对GO纳米破乳剂进行表征，以确认含氧官能团的存在。 用X射线衍射仪（XRD， Rigaku）观察了GO的晶体结构。发射电流和加速电压分别为 40毫安和 40千伏。 数据是用 5˚到 50˚的 2theta;范围内的Cu K辐射收集的。

    1. 乳状液的制备

从D油田提取了原油，并将其保存在取样瓶内，以供进一步的实验室分析。将装有原油的取样瓶浸入储层条件温度（54°C）下的水浴中。然后根据油田D配方制备盐水溶液（采出水PW和海水，SW）。向烧杯中加入预定量的CaCl.2H2O、MgCl2.6H2O、KCl、BaCl2.2H2O、SrCl2.6H2O和NaCl，并连续搅拌以形成均匀的盐水溶液。然后在实验室分析之前将NaHCO3添加到盐水溶液中。在野外实验研究的基础上，采用M表面活性剂制备了O/W乳液。在中试条件下，将20ml原油与80ml盐水溶液混合，含水率为80%。盐水配方基于海水（SW）和采出水（PW）的组合，比例为SW:PW=40:60。SW首先与M表面活性剂以8 ml M与400 ml SW的比例混合。然后，将新型表面活性剂SW与PW混合形成盐水溶液，再与原油混合。将所有样品管摇晃2分钟，然后在54°C的水浴中放置5分钟。

    1. 破乳试验

在破乳过程中，GO纳米破乳剂的浓度和与O/W乳液的接触时间分别为20-100ppm和30-240min。然后用紫外可见分光光度计测定盐水溶液中的油浓度。

结果和讨论

    1. 氧化石墨烯的表征

XRD用于鉴定晶相并确定GO的结构性质[9]。图1比较了石墨和GO的XRD光谱。可以看出，在2theta;=26.4时，观察到一个尖锐而强烈的峰，这表明石墨是一种高度结晶的材料。在氧化剥落过程中，2theta;=26.4处的峰消失，2theta;=9.58处出现低角度峰。峰的底部有一点宽大，这可能是由于晶粒尺寸或硬度因素影响的非均匀应变状态。

图1.石墨和GO的XRD数据

图2比较了石墨和GO的FTIR光谱。可以看出，石墨没有观察到官能团。然而，在石墨的氧化过程中，出现了一些新的官能团。在3178.3cm-1处观察到的宽光谱是由于OH伸缩振动引起的，这可能归因于移动中吸附的水。1716.96cm-1处的光谱称为COOH基团的伸缩振动，对应于羰基和羧基，而1622.56cm-1处的光谱归因于面内振动（C-OH的C-O伸缩振动）。在1043cm-1处的光谱归因于（C–O–C）伸缩振动模式。这些功能团的出现证实了GO的形成。

图2.石墨和GO的FTIR光谱

    1. 氧化石墨烯（GO）破乳剂性能研究

图3显示了GO纳米破乳剂在不同浓度和接触时间下的破乳性能。研究发现，由于GO的纳米特性，即使在很低的浓度下，GO也能有效地破膜。在20ppm的GO浓度和30min的接触时间下，发现 O/W 的浓度为 90.5ppm。 随着GO纳米破乳剂接触时间的增加，o f/W浓度略有下降。这表明用 GO可以在较短的时间内实现O/W的破乳。

有趣的是，当GO纳米破乳剂的浓度增加到100ppm时，O/W值更高。这表明，虽然使用了更多的GO，但油的吸附量降低了。这可能是因为随着GO添加量的增加，GO不能完全分散在溶液中。因此发生破乳的接触面积减小。

添加GO纳米破乳剂后，D油田乳状液的含油量显著降低，在GO含量为2040ppm的范围内达到了与最大破乳效率相对应的最低含油量。当GO用量超过阈值时，水中含油量较高。这可能是由于破乳后GO分散体的分布。由于GO主要分布在水相中，GO表面吸附的油使分离水样中的油略有增加。

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图3. 氧化石墨烯纳米破乳剂的残油率研究

3.3. 氧化石墨烯的观察研究

图4显示了选定接触时间的破乳研究。结果表明，接触时间越长，分离效率越高。在开始时观察到较高的油吸附，在最初的30分钟内，大约有超过75%的乳状液分离。通过增加接触时间到240分钟，可以观察到较好的乳状液分离。随着GO浓度的增加，分离漏斗底部有大量固体残渣沉淀。这些固体残留物作为乳状液存在元素的一部分出现，可能附着并吸引吸附剂，最终将乳状液分解成两层。

将GO纳米破乳剂应用于乳状液中，发现水相中有大量的不规则油絮体，其粒径大于原乳状液。这些结果表明，GO悬浮液在与乳状液中的细油滴接触后，能与乳状液中的细油滴发生相互作用，直接加入GO悬浮液后，最终使乳状液颜色清晰。分散促进细油滴在乳状液中的结合，形成大油滴[14]。油絮体在充分摇动后迅速聚集，在水面上形成浮积油相。破乳机理可能与形成原油水乳状液稳定性的排斥力有关。油和水界面上的分子通常由沥青质、树脂和环烷酸组成的排斥力。为了打破稳定的乳状液，这些替代方案的实施应侧重于减少排斥力和破坏粘弹性薄膜位于油水界面[15]。

图 4. O/W破乳使用不同GO浓度和接触时间的可视化

结论

结果表明，GO纳米破乳剂能有效地破乳。较低的GO浓度和较短的接触时间有

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