Fe3O4/PDA復(fù)合納米材料回收高黏度油田采出水中油相的研究

＊何佳興 施文劍 邵菊芳 朱玉蕙 Adi Pranoto 石美*

（1.中國礦業(yè)大學(xué)化工學(xué)院 江蘇 221116 2.浙江省麗水市蓮都區(qū)花園學(xué)校 浙江 323000）

引言

油田采出水是油田產(chǎn)油過程中主要的副產(chǎn)品，其成分復(fù)雜，包含大量的有機(jī)物和無機(jī)離子[1]，易形成類似乳液的復(fù)雜體系，諸如油包水（W/O）和水包油（O/W）的多相體系。隨著現(xiàn)代采油技術(shù)地不斷發(fā)展，采出水中油水兩相中包含的物質(zhì)愈來愈復(fù)雜，組分間存在多重物理化學(xué)作用，導(dǎo)致乳液體系經(jīng)長時(shí)間靜置后仍不能實(shí)現(xiàn)油水兩相分離。因此，油水分離過程變得復(fù)雜，經(jīng)典破乳方法已不能滿足油水兩相分離的要求[2]，所以需要探索新方法或材料破壞乳液體系的穩(wěn)定狀態(tài)，使油水兩相界面能量重新分配而改變表面張力，實(shí)現(xiàn)油水兩相分離。納米材料具有較高的比表面積，并通過吸附分子或離子降低其表面Gibbs 自由能的特性，因此，可以通過表面改性或修飾材料，使其更傾向于吸附具有特定官能團(tuán)的分子或離子，破壞原有乳液系統(tǒng)的相平衡，達(dá)到破乳之目的。目前研究的納米復(fù)合材料著重于親油、親水和響應(yīng)型三方面。親油型納米復(fù)合材料將超疏水性材料附著于納米材料表面，使水相被排斥而油相被吸附，從而實(shí)現(xiàn)油水分離。親水性納米復(fù)合材料與親油型相反[3-6]。響應(yīng)型復(fù)合納米材料是改變外部物理化學(xué)條件如光照、pH、磁場、溫度等，應(yīng)激做出的反應(yīng)，可提高分離效率和分離速度[7]。本文針對現(xiàn)有油田采出水黏度高難以實(shí)現(xiàn)油水分離的問題，利用Fe3O4納米材料高比表面積和磁性的特點(diǎn)，制備Fe3O4/PDA 納米復(fù)合材料，實(shí)現(xiàn)高黏度采出水的油水分離，且Fe3O4納米材料易于回收，可反復(fù)使用。

1.實(shí)驗(yàn)部分

(1)藥品與儀器

FeCl2·4H2O、FeCl3·7H2O、Tris-HCl、鹽酸多巴胺、二水檸檬酸三鈉、氨水、鹽酸均為分析純，購自國藥集團(tuán)；Nicolet iS5 傅里葉變換光譜儀、Autosorb-IQ2-MP-XR 物理吸附儀、VHX-6000 高倍率大縱深顯微鏡，用于制備材料性能表征；Eclipse100 尼康顯微鏡用于油水分離過程的研究。

(2)Fe3O4/PDA復(fù)合納米材料的制備

按照文獻(xiàn)[3]采用共沉淀法制備Fe3O4納米材料，用磁分離法得到Fe3O4納米顆粒，并分別用去離子水和無水乙醇洗滌3 次，備用。配置濃度為0.10 mol·L-1Tris-HCl 溶液，備用。稱取40 mg Fe3O4顆粒于50.00 mL Tris-HCl 緩沖溶液中，超聲使其分散均勻，加入0.2270 g 鹽酸多巴胺，超聲反應(yīng)3 h，分別用去離子水和無水乙醇洗滌3 次。在40 ℃真空干燥箱中烘干12 h，備用。

(3)Fe3O4/PDA復(fù)合納米材料的表征

應(yīng)用FTIR、物理吸附儀和高倍率大縱深顯微鏡表征所制備納米復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)、粒徑大小范圍和表面性質(zhì)。根據(jù)不同儀器的操作規(guī)范制備樣品后測試。

(4)油水分離效果評估

將40 mg Fe3O4/PDA 復(fù)合納米材料均勻分散于50.00 mL 高黏度采出水，置于自制可調(diào)節(jié)頻率交變磁場，采用0.1～10 Hz 范圍內(nèi)交變頻率磁場使納米材料在高黏度采出水中做往復(fù)運(yùn)動(dòng)，用顯微鏡觀察油相變化，評價(jià)頻率和時(shí)間對油水分離效果的影響。之后用磁鐵回收Fe3O4/PDA 復(fù)合納米材料，并用去離子水和無水乙醇分別洗滌3 次，之后重復(fù)上述步驟，評價(jià)Fe3O4/PDA 復(fù)合納米材料的重復(fù)使用次數(shù)。

2.結(jié)果與討論

(1)PDA@Fe3O4復(fù)合納米材料的表征

如圖1 所示，與Fe3O4與Fe3O4/PDA 的IR 圖比較可知，虛線部分對應(yīng)的568 cm-1、1500 cm-1和3000 cm-1處的峰為Fe3O4典型特征峰；將PDA 與Fe3O4復(fù)合后，在1200～1700 cm-1間出現(xiàn)了多峰重疊的寬強(qiáng)峰，歸屬于PDA 中C-N、C-C 和C=C 振動(dòng)峰。3000 cm-1以上變?yōu)榈膶拸?qiáng)峰歸屬于N-H 振動(dòng)，結(jié)果表明PDA 復(fù)合在Fe3O4納米顆粒上，其中胺基與Fe3O4中得鐵形成配位鍵，得到結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的響應(yīng)性納米復(fù)合材料。

圖1 Fe3O4 與Fe3O4/PDA 的FTIR 圖

用高倍率大縱深顯微鏡放大4000 倍后，觀察制備的Fe3O4/PDA 納米材料粒徑分布狀態(tài)，如圖2 所示，大部分Fe3O4/PDA 尺度在納米范圍內(nèi)，其分布范圍在50～200 nm 之間。圖中有些粒子尺寸較大，在400～500 nm 之間，這是由于在使用高倍率大縱深顯微鏡時(shí)，需用無水乙醇超聲分散團(tuán)聚的復(fù)合材料，其中有部分復(fù)合材料分散不完全，因此在視界范圍內(nèi)出現(xiàn)尺寸較大的納米復(fù)合材料。

圖2 高倍率大縱深顯微鏡Fe3O4/PDA 復(fù)合材料的形貌

根據(jù)BET 吸附公式，可計(jì)算材料的比表面積：

式中，p 為N2分壓，kPa；p0為吸附溫度下N2的飽和蒸氣壓，kPa；V 是樣品表面N2的實(shí)際吸附量，mol/g；Vm為N2單層飽和吸附量，mol/g；C 為與樣品吸附能力相關(guān)的常數(shù)。

圖3 為Fe3O4/PDA 的物理吸附圖，途中吸附與解析曲線形成滯后環(huán)，屬于典型的介孔材料等溫吸附，F(xiàn)e3O4/PDA 平均孔徑為4.752 nm，相對壓力應(yīng)在0.05～0.35 范圍內(nèi)，防止毛細(xì)凝聚現(xiàn)象和不能形成多層物理吸附，以相對壓力p/p0對p/V 作圖得到一條直線，其線性關(guān)系表示為y=87.861x+1.035，相關(guān)系數(shù)為0.9998，由公式（1）計(jì)算可得復(fù)合材料的比表面積為39.175 m2/g。因此，可為PDA 與高黏度采出水相互作用提供較大的比較面積，從而破壞原有乳液多相平衡系統(tǒng)，使W/O 和O/W 系統(tǒng)中的液滴相互融合逐漸變大，形成易于油水分離的狀態(tài)。

圖3 Fe3O4/PDA 粒子的物理吸附圖

(2)采出水中油水相分離效果評估

在磁場的作用下，F(xiàn)e3O4/PDA 復(fù)合材料在高黏度采出水中往復(fù)運(yùn)動(dòng)，分別在起始點(diǎn)、10 min、20 min和30 min 使用光學(xué)顯微鏡，放大10 倍后，觀察采出水中油滴的變化，由圖4 可得，當(dāng)增大Fe3O4/PDA 與乳液體系中W/O 和O/W 液滴的作用頻率與時(shí)間，提高了PDA 與體系中水相作用機(jī)會(huì)，破壞了原有乳液系統(tǒng)（a）的相平衡，使原本體系細(xì)小的油滴逐漸增大團(tuán)聚，油水兩相相界面明顯，單位面積內(nèi)油滴數(shù)目顯著減少（b），易于與水相分離，之后油相在乳液體系中比例逐漸減少（c），達(dá)到高黏度乳液體系油水分離的目標(biāo)（d）。

圖4 Fe3O4/PDA 存在時(shí)，使用放大10 倍光學(xué)顯微鏡，觀察在極低磁場頻率0.1 Hz 的交變磁場作用不同時(shí)間（a）0 min；（b）10 min；（c）20 min；（d）30 min 后，油相的變化

同時(shí)，考察了Fe3O4/PDA 復(fù)合納米材料的使用次數(shù)。在固定交變磁場頻率6.0 Hz 下，重復(fù)上述實(shí)驗(yàn)，在相同時(shí)間內(nèi)達(dá)到同樣的破乳分離效果，復(fù)合納米材料使用次數(shù)可達(dá)11 次，之后由于材料表面性質(zhì)或結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，促使油水相分離效果降低，但仍不影響復(fù)合納米材料回收效率。因此，復(fù)合納米材料的重復(fù)使用次數(shù)高、油水相分離率高，材料回收方法簡單，是一種環(huán)境友好材料。

3.結(jié)論

針對乳液體系黏度高、油水分離效率低、分離成本高等特點(diǎn)，本研究探討了響應(yīng)性Fe3O4/PDA 復(fù)合納米材料的制備，并優(yōu)化了制備條件，同時(shí)將所制備Fe3O4/PDA 復(fù)合納米材料用于實(shí)際油田采出水的油水分離效果和條件研究，結(jié)果表明，該響應(yīng)性材料對油水相分離效果顯著，油相回收率高，可重復(fù)使用11 次，且材料可利用其磁性回收，是一種不會(huì)造成二次污染的環(huán)境友好型材料，因此，該方法為油田采出水處理提供一種潛在的采出水油水相分離技術(shù)，具有較為廣闊的應(yīng)用前景。