磁流體油水分離技術現狀及研究進展

王文奇，左 凱，程 然，田景武

(1.中國石化勝利油田 東勝精攻石油開發集團股份有限公司，山東 東營 257100；2.山東省東營市東營區城市建設工程質量檢測有限公司，山東 東營 257100；3.中國石油大學 儲運與建筑工程學院，山東 青島 266580；4.大慶油田天然氣分公司，黑龍江 大慶 163457)

磁流體是將一些具有鐵磁性的超細微粒用表面活性物質進行包裹，然后在載體中充分分散而形成的具有穩定性的膠體溶液。這種膠體溶液巧妙地將磁性固體與流變液體結合起來，利用外加電磁場實現一系列的特有物性，是膠體科學與相關學科進行研究的活躍領域[1-2]。磁流體技術用于油水分離是近年來興起的，可以有效地被用來進行含有乳化液的油水分離。隨著工業的發展，更多石油的開采，目前國內大多數油田都逐漸進入高含水期，有的油井含水率高達99%，高含水率的出現直接導致現有集輸系統無法有效生產，設備無法實現預期處理目標，因此油水分離技術越來越發揮其重要作用。但是傳統的電場分離技術存在著一些缺陷：電場油水分離器極易發生電極放電，從而無法實現穩定的電場，最終不能實現油水深度分離。因此，進行超導磁流體油水分離技術研究有利于解決油田高含水引發的一系列生產問題，對保證油田穩定生產和環境保護具有重要意義。總體來說盡管磁流體用于油水分離技術在我國剛剛起步，但是由于磁流體的獨特性能，以及當前油田高含水率的現狀，使得該技術越來越受到國內學者的重視。本文就磁流體應用于油水分離方面的發展狀況，結合相關領域的技術研究現狀及最新進展作簡要概述。

1 磁流體凈化油污水研究

1991年4月，康鴻業、王允軍等人進行了磁流體凈化油污水的研究[3]，他們主要研究了磁粉性能與表面活性劑對除油效果的影響，并探討了除油機理，結果表明，應用磁流體凈化含油污水，可使水中含油量從幾百ppm降到幾十ppm。實驗裝置原理如圖1所示。

圖1 磁流體除油裝置示意圖

2 磁流體在外加磁場中應用于油水分離的研究

1999年，李海英等人進行了磁流體在外加磁場中應用于油水分離的研究[4]，他們利用化學共沉淀法制備的煤油基四氧化三鐵磁流體(油酸為表面活性劑)，對乳化的模擬含油污水進行凈化處理。探討了磁場、攪拌對磁流體除油效果的影響，提出了磁場作用下磁流體可能的除油模式。實驗裝置如圖2所示。

1-滴液漏斗,2-電磁鐵,3-Y型管,4-導氣管,5-磁流體

實驗圍繞磁流體的制備、模擬含油污水的凈化及污水中含油量的測定進行。之后還對除油效果、除油模式進行了探討，最終得出結論：不同條件下，磁流體對含油污水的除油效果差距明顯。在有磁場和攪拌條件下，具有非常好的除油效果，除油率達到91.3%。磁流體之所以能除油在于破壞污水中油珠上的表面活性劑層，使油珠裸露在污水中，進而被磁流體所吸附，在磁場作用下，使其停留在磁場區從而與水分離。

3 磁性材料和改型磁性材料的除油機理分析

2008年陳毅忠等人[5]對磁技術處理含油廢水的研究進展進行了調查。他們在磁技術除油力學原理的基礎上，分析了磁性材料和改型磁性材料的除油機理，介紹了磁技術在處理油田廢水、機械加工廢水、軋鋼廢水和餐飲廢水等方面的應用，指明了磁技術處理含油廢水的發展方向。他們發現在含油廢水處理中很少有單獨應用磁技術的研究，更多的是與其他處理技術并用來提高整個工藝流程的處理效果。改進磁性材料能增強含油廢水的磁處理效果。此外，他們還對磁技術油水分離的研究方向提出了針對性的意見。

4 表面改性磁種-磁濾技術處理含油廢水研究

2008年2月，王利平、胡原君等人發表了表面改性磁種-磁濾技術處理含油廢水的研究[6]，他們將表面改性后的磁粉、磁性顆粒分別作為磁種和磁濾材料，以出水含油量、除油率為試驗指標，采用磁種-磁濾技術處理江蘇油田廢水。試驗結果表明，經改性后的四氧化三鐵磁種粒度小、比表面積大，與油滴的吸附親和力增強，且包覆在四氧化三鐵表面的偶聯劑能阻止四氧化三鐵微粒聚結，減緩沉降速度，從而提高除油效果。當進水含油量為140.3 mg/L，磁種投加量300 mg/L、攪拌強度250 r/min、攪拌時間20min、磁濾速度25 m/h、磁感應強度0.0839 T時，出水含油量降為19.8 mg/L，除油率達85.9%。

5 電場、磁場協同的污水除油機理研究

2014年邊江等人[7-9]在傳統磁流體油水分離的基礎上，提出了電場、磁場協同的污水處理方法。依據電磁分離原理建立了電磁場油水分離物理模型和實驗裝置，進行油水分離特性模擬研究和實驗研究，分析磁場強度、流速、電流、含油率、油滴粒徑等關鍵因素對油水分離過程的影響，結果表明：其他條件不變時，分離效果隨磁場強度或電流密度的增大而增強；分離效果隨入口速度而增大，隨油水混合流在電磁場中的分離作用時間的較少而減弱；分離效果隨油滴粒徑的增大，隨分散油相受到的浮力的增大而增強。搭建了電磁場油水分離動態實驗裝置，如圖3所示，通過開展電場、磁場協同的污水處理實驗，結果表明，處理流量和處理時間不變時，存在一個臨界電磁力數值，當大于這個臨界值時，電磁力才會有效促進油水分離過程。

圖3 電磁場油水分離動態實驗裝置

6 結論

隨著我國磁流體油水分離技術日趨成熟，最新的研究成果在海上漏油回收和污水處理等方面的應用越來越廣泛。但現行技術仍然存在很多缺陷，需要技術改進，具體體現在以下幾個方面：

(1)成本合理化—在尋求高效率的同時，努力降低分離成本。目前的油水分離技術雖然大部分都達到了預期的效果，但多數技術仍存在高成本低收益的缺陷，這一缺陷有賴于技術的進步和優化才能解決。我們可以從以下幾方面進一步突破：尋找經濟廉價的磁性材料，尋求可輕易獲得高磁場的方法；研究磁粉與表面活性劑最佳的搭配方式，最佳的比例狀態；研發集高效、經濟和簡單易用等特點于一體的磁處理裝置；尋找一個能達到較高收益且分離成本較低的最優點等。(2)技術復合化—多項技術綜合應用，達到分離最佳效果。多模式復合法是在油水分離的各個階段可同時采用兩種或兩種以上方法共同完成分離任務的先進技術，如用生物膜法與磁流體法共同實現油水分離。在油水分離的應用中，原油種類多種多樣，分離效果又極易受電磁場強度與方向、攪拌方式、介質溫度、磁流體烴基種類、磁流體制備工藝等因素影響，為提高油水分離效率，減少資源浪費，發展復合化油水分離技術勢在必行。