Образование эмульсий в техносфере и методы их обезвреживания

Введение

Эмульсия — это дисперсная система, которая состоит из микроскопических капель жидкости, распределенных в другой жидкости.
Эмульсии представляют из себя одну жидкость в другой, при том что между собой они не смешиваются. Вода в эмульсиях является одной из фаз, а другой являются органические жидкости. Органические жидкости обычно имеют вид масел, но это не значит, что они ими являются. Но есть и эмульсии, в которых нет фазы воды, они содержат фтороуглероды и углеводород. Так же есть такие виды эмульсий, в которых присутствует только водная фаза, это обычно растворы полимеров.
Нефтяная эмульсия— это система нефть-вода, в которой находятся две системы, одна из которых в виде глобул. Вода в нефти образуется в процессе поступления к скважине пластовой воды, которая заканчивается в пласте для поддержки давления. Во время движения нефти и воды по скважине и трубам сбора нефти, они начинают взаимодействовать и смешиваться друг с другом. В итоге перемешивание одной жидкости в другой образуется эмульсия.
Во время процесса образования эмульсий, не хватит только перемешивания несмешивающихся жидкостей. Например, возьмем чистую воду и чистую нефть, и сколько бы мы их не мешали, эмульсия все равно не образуется. Для ее образования нужно наличие природных эмульгаторов в нефти. Они всегда содержатся в пластовой нефти. К ним можно отнести асфальтены, смолы, нефтерастворимые органические кислоты и многие другие примеси, например, ил и глина.
Так как водонефтяная эмульсия не особо устойчивая система, и расслоение для нее является вполне естественным явлением. Но в специальных условиях образуются эмульсии, обладающие высокой устойчивостью. Все это зависит от используемой технологии и обработки. Устойчивость эмульсий зависит от времени ее существования и до ее полного разделения образующих эмульсию жидкостей. Если эмульсии получены из нефти, то устойчивость может быть от нескольких секунд до года.


Эмульсии в техносфере
Существую различные типы эмульсий, которые различаются по свойствам и применение. Рассмотрим эмульсии, которые чаще всего встречаются в техносфере.
Топливные эмульсии представляют собой эмульсии вода-в-масле. Когда эта эмульсия впрыскивается в двигатель, вода начинает кипеть, и топливо начинает распыляться. В результате смесь воздуха и топлива способствует полноте сгорания топлива, обеспечивает плавную и плавную работу двигателя и снижает выброс вредных веществ, в основном частиц СО и сажи. Если в топливе содержится большое количество воды, происходит принципиальное изменение механизмов сгорания топлива. ирения и сокращение выбросов оксида азота.
Нефтяные эмульсии - этот тип имеет ту же структуру, что и топливные эмульсии, но вреден в отличие от топливных эмульсий. Когда такая эмульсия нагревается, вода кипит, и смесь начинает интенсивно пениться, что очень затрудняет отгонку масла. При наличии пара сама перегонка часто отличается: смесь кипятят в неправильном порядке. Такие эмульсии также являются более агрессивными, чем сухое масло.
Эмульсии углеводородов в воде и воды в углеводородах имеют широкое и разнообразное применение. Сырая нефть часто представляет собой пример подобной эмульсии, с которым обычно приходится бороться. Основные физико-химические свойства современных топливных эмульсий практически идентичны базовому бензину.
Плюсы использования эмульсий
снижение концентрации горючих веществ в продуктах уноса на 15-18%;
повышение полноты сгорания;
улучшение экологический фактор;
снижение скорости коррозии оборудования.
из-за различных температур кипения воды и мазута капли эмульсии при высоких температурах в зоне горения претерпевают так называемый микровзрыв, в результате чего происходит чрезвычайно тонкое вторичное дробление топлив, которое улучшает перемешивание их с воздухом. Это уменьшает потери тепла с уходящими газами и частично компенсирует расход тепла на испарение воды, содержащейся в топливе.
относительное уменьшение количества оксидов азота, выделяемых дизелями, наблюдается при впрыске воды или использовании водно-топливных эмульсий. Однако при этом уменьшается срок службы деталей топливной аппаратуры и цилиндро-поршневой группы. 
расход топлива может быть снижен на 2-6%

Эмульсии, как и все коллоидные и микрогетерогенные системы, в совокупности нестабильны из-за избытка свободной энергии на границе раздела. Полная нестабильность эмульсии проявляется в самопроизвольном образовании капельных агрегатов с последующим слиянием (слиянием) отдельных капель друг с другом. На границе это может привести к полному разрушению эмульсии и ее разделению на два слоя, один из которых соответствует жидкости, образующей дисперсную фазу в эмульсии, а другой - жидкости, являющейся дисперсионной средой [1].
Агрегативную устойчивость эмульсий характеризуют либо скоростью расслаивания эмульсии, либо продолжительностью существования “(временем жизни)”отдельных капелек в контакте друг с другом или с межфазной поверхностью.
На общ ую стабильность эмул ьсий больше все го влияет ти п и содер жание эмульгатора в системе. С термодинамической точ ки зрения эмуль гатор, адсорбированный н а границе разд ела, уменьшает межфа зное натяжение и в некот орых случаях мож ет даже прив ести к образо ванию коллоидных равнов есных систем (эмул ьсий из эмуль солов). Другое объяс нение состоит в том, чт о в присут ствии стабилизатора н а границе меж ду каплями возни кают силы отталк ивания (энергетический бар ьер). Повышение в известных пред елах концентрации эмульг атора в сист еме способствует устойч ивости эмульсии.
Эмул ьсии термодинамически нестаб ильны. Для пригото вления эмульсии, имею щей приемлемую кинети ческую стабильность, необх одимо присутствие трет ьего компонента, эмульг атора. Наиболее эффект ивными эмульгаторами явля ются поверхностно-акти вные вещества, приро дные материалы (так ие как бел ки) и тонкоизме льченные порошки. Эмульг аторы адсорбируются н а границе разд ела жидкость / жидк ость и предотв ращают образование кап ель так ж е, как дейст вуют стабилизаторы гру нта.
Однако ес ть еще од ин фактор, кото рый определяет стабил ьность эмульсий: коалес ценция (таяние кап ель). Эмульгатор дол жен образовывать плот ную, но эласт ичную пленку вок руг капли. Ес ли пленка порв ана, капли буд ут слиты, и разделение фа з станет возмо жным.
Характер эмульг атора определяет н е только стабил ьность, но и тип эмул ьсии

. Опыт показ ывает, что гидроф ильные эмульгаторы луч ше растворимы в воде, че м в углевод ородах, способствуют образо ванию м / в эмульсий, в то вре мя как гидроф обные (или олеофи льные) эмульгаторы луч ше растворимы в углеводородах. в / м эмул ьсия (принцип Бэнкр офта). Это поня тно, поскольку эмуль гатор предотвращает прили пание капель тол ько тогда, ког да они наход ятся снаружи кап ли, то ес ть он луч ше растворяется в дисперсионной сре де.
В каче стве эмульгаторов мож но использовать сам ые разнообразные веще ства: поверхностно-акти вные вещества, моле кулы которых соде ржат ионные поля рные группы (мы ла в широ ком смысле это го слова), неионо генные поверхностно-акти вные вещества - высокомол екулярные соединения (ВМ С). Даже поро шки обладают эмуль гирующей способ ностью. Стабилизация бол ее или мен ее концентрированных эмул ьсий с использ ованием обычных неорган ических электролитов невоз можна из-з а недостаточной адсор бции их ион ов на непол ярной границе углево дород-вода.
Эффекти вность эмульгатора характе ризуют специальным ч ислом — гидроф ильно-липофильным балансом (ГЛ Б). Если чис ло ГЛБ леж ит в пред елах 3—6, образуется эмул ьсия в/м. Эмульгаторы с числом ГЛ Б 8—13 дают эмул ьсию м/в. Изменяя прир оду эмульгатора и его концен трацию, можно доби ться обращения фа з эмульсии [2].



Физ ико- химические свой ства нефтяных эмул ьсий
При разра ботке нефти присут ствие воды мож ет варьироваться: н а начальной ста дии нефть мож но добывать практи чески без во ды, но зат ем ее колич ество в добыв аемой нефти посте пенно увеличивается, а на после дних этапах разра ботка месторождения мож ет достигать 90% ил и больше.
Стабил ьность масляных эмул ьсий зависит о т дисперсии, плотн ости и вязк ости масла, содер жания легких фрак ций углеводородов, эмульг аторов и стабили заторов эмульсий, а также о т состава и свойства эмульгир ованной воды.
В зависимости о т концентрации фа з, диспергированных в эмульсиях, он и делятся н а разбавленные ил и слабо концентри рованные, концентрированные и высококонцентрированные. Разбав ленные эмульсии с тонкодисперсной струк турой обладают высо кой устойчивостью к разрушению.
Разн ица между эмуль сиями и суспен зиями заключается в том, чт о когда кап ли сталкиваются, он и полностью и легко слива ются - происходит слия ние. Сырая неф ть является стаби льной эмульсией.
Эмульг аторы необходимы дл я создания эмул ьсий.
Эмульгаторы - эт о вещества, кото рые способствуют образо ванию и стабил изации эмульсий. Эт о мыло синтети ческое и натура льное; белки, леци тин. Их осно вной характеристикой явля ется амфифильность моле кул. Другими слов ами, в моле куле присутствуют гидроф ильные и гидроф обные фрагменты.
Эт а комбинация позво ляет молекулам эмульг атора растворяться в жире и з-за гидроф обной области и подвергать гидро филы воде. В результате проис ходит растворение и стабилизация нефт яных нанокапелек в воде.
Эмульс ионная дисперсия предст авляет собой степ ень фрагментации диспе рсной фазы в дисперсной сре де. Дисперсия явля ется основной характер истикой эмульсий, кото рые определяют и х свойства. Разм еры капель диспе рсной фазы в эмульсиях варьи руют от 0,1 д о 100 мкм (10-5-10-2 с м). Дисперсные сист емы, состоящие и з капель одн ого диаметра, назыв аются монодисперсными систе мами, а диспе рсные системы, состо ящие из кап ель разных диаме тров, называются полидисп ерсными системами. Масл яные эмульсии предст авляют собой полидис персные системы, т о есть сист емы, содержащие част ицы разных разм еров.
Размер кап ель воды в эмульсии обы чно обратно пропорц ионален количеству исполь зуемой энергии, и чем бол ьше эта энер гия, тем мен ьше диаметр кап ель, следовательно, и х общая удел ьная площадь поверх ности.
Вязкость эмул ьсии зависит о т вязкости сам ого масла, темпер атуры, при кото рой получается эмул ьсия, количества во ды, содержащейся в масле, степ ени диспергирования и наличия механи ческих примесей.
Вязк ость маслянистых эмул ьсий не обла дает аддитивным свойс твом, то ес ть вязкость эмул ьсии не рав на сумме вязк ости воды и масла. С увеличением обводне нности до определ енного значения вязк ость эмульсии увеличи вается и дости гает максимума пр и критической характе ристике обводненности данн ого месторождения.
Пр и дополнительном увели чении обводненности вязк ость эмульсии заме тно уменьшается. Критич еское значение коэффи циента отсечки во ды называется точ кой инверсии, в которой проис ходит инверси я фазы, т о есть эмул ьсия типа м / в превра щается в эмул ьсию типа в / м. Знач ение точки инве рсии для раз ных месторождений колеб лется от 0,5 д о 0,95 г [3].


Мет оды получения и разрушения эмул ьсий
В проц ессе эмульгирования проис ходит образование кап ель дисперсной фа зы в дисперс ионной среде и происходит стабил изация после адсор бции на поверх ности эмульгатора. В процессе гомоген изации образуются цили ндры, которые нестаб ильны и мог ут легк о разбиться н а капли. Цилиндр начи нает распадаться н а капли, ког да его дли на становится бол ьше, чем окруж ность его сек ции.
Кроме то го, при эмульги ровании с диспе рсией всегда проис ходит коалесценция капе лек, эмульгатор н е успевает адсорбир оваться на поверх ности капель, и они ещ е не обла дают стабильностью, кото рая соответствует стаби льности кап ель в гото вой эмульсии, смачив ающая стенки сос уда, становится дисперс ионной средой.
Влия ние эмульгатора н а образование эмул ьсии определенного ти па становится наиб олее сложным, ес ли эмульга тор может дав ать как м / в эмул ьсию, так и в / м эмульсию. В этом слу чае на хара ктер стенок вли яет род получа ющейся эмульсии, а также дру гие объекты, контакт ирующие с эмуль сией. Если сте нки сосуда влаж ные, то конт акт эмульсии с о стенкой мож ет привести к циркуляции эмул ьсии того ти па, который смачи вает стенки сос уда, становится дисперс ионной средой.
Эмульги рование влияет н а природу использ уемого эмульгатора и тип механич еского воздействия, в дополнение к ряду дру гих услов ий - температуре, фа зе и т. д. Пр и любых усло виях эмульсия с более низ кой концентрацией все гда более стаби льна, поскольку вероят ность столкновения дв ух ее час тиц меньше.
Мож но сделать выв од, что эмульги рование является слож ным процессом, и для пригото вления стабильных высокоди сперсных эмульсий техно логом требуется боль шой опыт.
Ког да происходит проц есс механического рассеи вания, он мож ет плавно вой ти в самопрои звольное рассеивание