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納米乳液的類型、制備、粒徑分布、界/表面張力、接觸角和Zeta電位
來源：鉆井液與完井液 瀏覽 905 次 發(fā)布時間:2024-10-08
國內外針對作業(yè)含油廢物的無害化處理工業(yè)化應用的技術主要有高溫熱裂解、熱解吸、化學破乳離心、萃取、生物降解等，其中高能耗處理的熱解吸技術較為成熟，具有處理量大，油相脫附徹底等優(yōu)點，但存在設備成本高、能耗高的缺點；化學破乳離心、萃取和生物降解等方法雖然符合低能耗、小型化的現場處理要求，但存在油水兩相不易破乳分離、現場處理工藝復雜、處理效率受限等弊端。目前國內外相關含油廢棄物處理技術的研究重點集中在如何低能耗、高效率地實現含油廢棄物的無害化處理。針對以上問題研究了一種低表面張力、超低界面張力的納米乳液，將其用于頁巖氣作業(yè)現場含油廢物脫附除油時，可在常溫下進行，現場使用時工藝簡單易行，有望解決目前化學萃取法和高溫熱解析法處理含油鉆屑工藝復雜，處理裝備龐大，難以隨鉆處理的難題。
1、納米乳液的類型介紹與制備
1.1納米乳液簡述
納米乳液是一種透明、均勻、具有熱穩(wěn)定性的體系。典型的納米乳液粒徑一般在1～100 nm范圍。與普通乳液（macroemulsion，1～10μm)相比，納米乳液具有一定的動力學穩(wěn)定性，能夠在數月甚至數年內不發(fā)生明顯的絮凝和聚結。納米乳液具有較低的油/水界面張力，水相和烴相間界面張力可低至0.001 mN/m。這使其具有良好的潤濕、鋪展、沉積和滲透性，小的液滴和大的比表面積使得納米乳液具有很強的傳送和運輸能力，可在較低的能量下使油水分離，達到脫附除油的目的。
一般來說，納米乳液分為3種類型，即油包水型納米乳液（簡稱W/O）、水包油型納米乳液（簡稱O/W）和雙連續(xù)型納米乳液。Winsor根據油相或水相是否連續(xù)對納米乳液進行分類，如圖1所示，即WinsorⅠ型是油包水型納米乳液，表面活性劑存在于水相中；WinsorⅡ型是水包油型納米乳液，表面活性劑存在于油相中；WinsorⅢ型是通過表面活性劑吸附界面膜作用形成的雙連續(xù)相體系，油相水相相對平衡，同時WinsorⅢ型納米乳液在高濃度表面活性劑作用下不能完全溶解油水，因此產生了WinsorⅣ型單相納米乳液，該體系中油相和水相總量大致相同；其中WinsorⅣ型和WinsorⅢ型均是超低界面張力的納米乳液。
1.2納米乳液的制備
室內研究中選用表面活性劑和助表面活性劑組合（S+A）為Tween 80、十八烷基二甲基溴化銨和正丁醇，油相為正辛烷，乳化溫度設為75℃時，制備WinsorⅣ型單相納米乳液；其中，S+A與油相正辛烷按9∶1、8∶2、7∶3、6∶4、5∶5、4∶6、3∶7、2∶8和1∶9依次混合，然后逐滴加入蒸餾水，觀察加入蒸餾水后乳液的澄清渾濁現象來確定H2O/（S+A）/正辛烷體系單相微乳液的微觀結構類型，得到的相圖如圖2所示。選取三相圖中A點的微乳液用蒸餾水定容稀釋并以60 Hz頻率超聲波震蕩5 min后，制得納米乳液NR-A。
2、納米乳液的性能評價
2.1納米乳液的粒徑分布
利用英國馬爾文2000激光粒度儀采用濕法進行微乳液粒徑測量。圖3為微乳液在不同稀釋倍數下得到納米乳液的粒徑分布。從圖3可知，微乳液稀釋50倍時得到的納米乳液粒徑D50為10～50 nm；微乳液稀釋500倍時納米乳液粒徑D50為5～20 nm；微乳液粒徑隨稀釋倍數的增加而減小，符合乳液的粒徑分布規(guī)律。納米乳液NR-A由微乳液稀釋500倍后制得，其粒徑分布結果見圖4，從圖4可知，納米乳液NR-A的粒徑分布較窄，90%膠團粒徑在11 nm以下。
2.2納米乳液的表面張力
利用吊環(huán)法測定納米乳液NR-A在不同濃度下的表面張力，測試結果如圖5所示。由圖5可知，納米乳液的濃度越高，表面張力越低，這是因為隨濃度增加，納米乳液中的表面活性劑、助表面活性劑和油相協同作用下鋪展在溶液表面的密度加大，溶液表面能隨之大幅下降；當NR-A的濃度為0.2%時，表面張力降為33 mN/m，之后隨著納米乳液濃度的增加表面張力不再變化，說明溶液表面吸附的表面活性物質已達到飽和，溶液內穩(wěn)定的微膠團結構開始形成。
圖5不同濃度納米乳液NR-A的表面張力
2.3納米乳液的界面張力
納米乳液的油水相界面張力采用吊環(huán)法進行測試，即先在表面皿下層注入納米乳液的水相，使吊環(huán)完全浸沒于納米乳液中，然后在上層緩慢注入油相，最后下降臺面進入油相，記錄鉑金環(huán)由水相進入油相瞬間的界面張力，即為納米乳液的油水界面張力。實驗測量不同濃度下納米乳液NR-A油相和水相之間的界面張力，測試結果見圖6。
圖6納米乳液NR-A濃度與界面張力的關系圖
由圖6可以看出，納米乳液NR-A的油水界面張力在0.2%的濃度下達到最低值，僅4.34 mN/m，遠小于納米乳液的表面張力（33 mN/m），超低的油水界面張力更有利于納米乳液把油相從含油廢物表面剝離出來。研究中在NR-A中加入2%氯化鉀之后表面張力不變而界面張力進一步下降到1.35 mN/m，較之前下降了75%，這是因為氯化鉀壓縮了納米乳液分子間的雙電層，增大分子間的排斥力，從而進一步降低了界面張力。
2.4納米乳液的接觸角和Zeta電位
研究測試納米乳液NR-A在致密砂巖巖心表面的接觸角和Zeta電位，評價其在致密砂巖巖心表面的潤濕情況和穩(wěn)定性，為含油廢物的脫附剝離提供判斷依據，測試結果如表1所示。
由表1可以看出，當蒸餾水滴與巖心表面接觸后迅速展開，接觸角呈40.84°，致密氣藏巖心表面為親水性，隨著NR-A濃度的增大，接觸角也增大，這是由于納米乳液隨表面活性劑和油相含量的增大，其改變界面特性的能力加強，親油性增加，更利于油相的脫附除油處理。納米乳液NR-A的Zeta電位較大，達-52.8 mV，有利于微膠團在靜電斥力作用下維持動力學穩(wěn)定性。