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摘要:簡(jiǎn)要概述了超聲波的發(fā)展歷程，并對(duì)超聲波在石油化工，尤其是在污水處理、除垢、乳化、有機(jī)合成、電化學(xué)、改善原油性質(zhì)、強(qiáng)化原油脫鹽脫硫以及分離技術(shù)中的應(yīng)用進(jìn)行了詳細(xì)的介紹。討論了超聲波技術(shù)在石油化工中的研究進(jìn)展，由于其清潔、高效、無(wú)污染的特點(diǎn)，將廣泛應(yīng)用于石油化工領(lǐng)域。
關(guān)鍵詞:超聲波;石油化工;脫金屬;乳化
超聲波是指頻率高于20000Hz的彈性波，其有波長(zhǎng)短、能量集中等特點(diǎn)。超聲波的熱作用、機(jī)械作用和空化作用，能引起一連串的化學(xué)、熱學(xué)和力學(xué)等方面的改變。美國(guó)學(xué)者Richard和Loomis于1920年首次發(fā)現(xiàn)超聲波可以促進(jìn)汞的分散、氯化銀的絮凝等［1］;1927年，由Loomis第一次提出超聲波化學(xué)的概念。1986年，哈威爾研究所首次于化工領(lǐng)域使用超聲波，成立超生化學(xué)協(xié)會(huì)。1994年，關(guān)于超聲波的學(xué)術(shù)刊物《UltrasonicsSonochemistry》公開(kāi)發(fā)行。2014年6月1日至8日，第十四次歐洲聲化學(xué)會(huì)議(ESS14)在法國(guó)阿維尼翁大學(xué)舉行，探討了化學(xué)反應(yīng)機(jī)理、氣泡動(dòng)力學(xué)等基礎(chǔ)聲化學(xué)方面的問(wèn)題和食品聲化學(xué)、化學(xué)催化劑等應(yīng)用聲化學(xué)方面的研究。在超聲波的早期應(yīng)用中，其更多應(yīng)用于有機(jī)合成、聚合物化學(xué)、電化學(xué)等方面。作為一種新興的手段，其成本低廉、應(yīng)用范圍大、操作過(guò)程方便，被廣泛應(yīng)用于石油化工領(lǐng)域。
1超聲波技術(shù)應(yīng)用
1．1超聲波處理污水
迄今，水污染問(wèn)題日益嚴(yán)峻，其根本原因在于隨意排放污染物多、組成復(fù)雜的工業(yè)廢水和有機(jī)物含量高的生活污水。常見(jiàn)的廢水處理技術(shù)，如活性炭法、有機(jī)溶劑脫脂法、浮選法、膜法等都存在某些問(wèn)題，并不能很好的達(dá)到預(yù)期目標(biāo)。經(jīng)過(guò)超聲波作用后的膜生物反應(yīng)器能夠顯著提高水的凈化效率，劉紅等［2］經(jīng)實(shí)驗(yàn)證實(shí)10W的超聲波作用效果最為明顯，凈化效率提升的幅度最大。對(duì)于低溫和常溫下超聲波對(duì)污水中生物的處理效果，進(jìn)一步的探索表明:在低溫時(shí)，超聲波作用后，污泥活性可以增加30%，較常溫下超聲波的作用效果更明顯［3］。Tian等［4］通過(guò)堿和超聲波(ALK+ULS)的協(xié)同作用處理污水，能夠使生物降解能力提高37．8%，可溶性腐殖酸類(lèi)微生物排放量顯著增加。楊鐵金等［5］將超聲波與H2O2處理污水法相結(jié)合，可以大大降低氨氮含量，并將黑色的污水變?yōu)闇\黃色。Ping［6］課題組的研究結(jié)果表明，與金剛烷胺制藥廢水的處理方法相比，F(xiàn)enton/超聲波聯(lián)合作用能夠更有效的處理廢水中的有機(jī)物，尤其是含苯環(huán)的有機(jī)物。Abramov等［7］使用超聲波處理油污，得到水的凈化劑。利用超聲波的空化作用，姜秉辰等［8］對(duì)被工業(yè)污染的水進(jìn)行了一系列實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明:頻率相同時(shí)，超聲波功率越大，污水黏度降低得越多，復(fù)雜油分子的裂解先增多后減少，隨著超聲波作用時(shí)間的增加，污水的裂解效果和黏度不斷下降。王秀蘅等［9］將超聲波與膜生物反應(yīng)器結(jié)合，能夠有效降低水質(zhì)的化學(xué)需氧量(COD)。Kotowska等［10］結(jié)合了超聲波輔助乳化-萃取方法和氣相色譜質(zhì)譜(GC-MS)，檢測(cè)并處理城市污水中的氯，在處理含量0．06～551．96μg/L的酸性化合物和0．03～102．54μg/L的酚類(lèi)化合物的污水時(shí)，去除率分別達(dá)到了85%和99%。
1．2超聲波合成有機(jī)物
超聲波可以使合成反應(yīng)的條件更溫和、效率更高、時(shí)間更短。張素風(fēng)等［11］通過(guò)超聲波水解膠原蛋白合成施膠劑，超聲波處理后的膠原蛋白分子結(jié)構(gòu)不變，分子變小且分布均勻。安琳［12］通過(guò)超聲波輻射，由叔丁基杯［n］芳烴制備磺化杯［n］芳烴。熊利芝等［13］通過(guò)超聲輻射，合成糠酸正丁酯，與傳統(tǒng)方法相比較，超聲波合成有機(jī)物具有用時(shí)短，收率高、能耗低等特點(diǎn)。Shabalala等［14］通過(guò)超聲波輻射合成吡唑，避免了傳統(tǒng)色譜法中純化的步驟，其選擇性高、無(wú)副產(chǎn)物。
1．3超聲波電化學(xué)
超聲波可以提高電流效率，改善電路微觀分布，還能影響電沉積過(guò)程中的金屬鍍層。盛敏奇等［15］通過(guò)超聲波作用可以提高Co-Ni合金層平整度，與傳統(tǒng)方法相比，其沒(méi)有裂紋、硬度變大、腐蝕性高。有研究表明通過(guò)超聲波輔助化學(xué)電鍍，在室溫下進(jìn)一步活化合成亞微米級(jí)的Co-Al2O3，隨著粉末負(fù)載的增加，Co-Al2O3相對(duì)含量降低。Lili等［16］在泡沫炭上用真空法和超聲波協(xié)同無(wú)電鍍銅，泡沫炭?jī)?nèi)壁及表面涂層均勻，其機(jī)械性能明顯改善。超聲波與電化學(xué)的協(xié)同作用還可以合成納米材料。通過(guò)超聲波作用合成的納米Ni(OH)2有α和β相混合結(jié)構(gòu)［17］。張仲舉等［18］將超聲波與共沉淀法協(xié)同作用制備α-Ni(OH)2，實(shí)驗(yàn)表明，該方法制備的樣品化學(xué)性能更好，放電比容量更大。
1．4超聲波除垢、清洗技術(shù)
超聲波除垢技術(shù)具有安全、可靠、高效等特點(diǎn)，近年來(lái)已廣泛應(yīng)用于各種換熱器中［19］。例如，大港石化公司在油漿換熱器中應(yīng)用超聲波在線(xiàn)除垢技術(shù)，該技術(shù)可以使油漿換熱器的傳熱系數(shù)大幅度增加，運(yùn)行周期有所延長(zhǎng)，汽包發(fā)汽量增加0．404t/h，油漿系統(tǒng)的運(yùn)行狀況得到了較大改進(jìn)［20］。超聲波由于空化作用產(chǎn)生的微射流能夠不斷沖擊物體表面，使得污垢難以在表面附著，Chang等［21］將超聲波應(yīng)用于一種數(shù)碼設(shè)備清洗過(guò)程中，并設(shè)計(jì)和制作了一個(gè)多功能的超聲波清洗系統(tǒng)，極大的提高了清洗效率。對(duì)于超聲波參數(shù)與除垢效果的相關(guān)性，黃磊落等［22］經(jīng)實(shí)驗(yàn)證明，隨著超聲波功率和流體流速的增加，除垢效果越來(lái)越好，當(dāng)流體溫度為60℃時(shí)，除垢效果最佳。
1．5超聲波的乳化作用
超聲波的乳化是指在超聲波作用下，使兩種或兩種以上的不相溶液體以及其微小的液滴均勻的分布在另一種液體中形成的乳狀溶液的過(guò)程。李博等［23］通過(guò)超聲波-機(jī)械攪拌聯(lián)合乳化重質(zhì)油工藝，研究影響乳化重油中分散相(水)的分散度的因素。結(jié)果表明:聯(lián)合法乳化重油比超聲波法乳化的重油分散度高。使用超聲波乳化技術(shù)可以洗煤，Sahino-glu等［24］實(shí)驗(yàn)表明，超聲波作用后，灰分和黃鐵礦含量顯著降低。Lemos等［25］利用一種基于超聲波輔助乳化微萃取的火焰原子吸收光譜法進(jìn)行鎳的測(cè)定，該方法簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)、快速、高效，被用于測(cè)定參考材料和水中的鎳。近十年，超聲波乳化應(yīng)用于越來(lái)越多的方面，其在食品、涂料、高分子聚合以及液-液不相溶液體反應(yīng)等方面都具有重要影響。例如，Tonanon等［26］利用超聲波的乳化作用得到一種亞微米級(jí)的介孔碳球，其表面紋理和介孔性能較機(jī)械乳化法制得的碳球有明顯改變，且其尺寸更小、數(shù)量更多。Gashti等［27］使用超聲波輻射軟水劑，發(fā)現(xiàn)其乳化作用可以提高軟水劑的分散性。目前，大部分研究都屬于工業(yè)應(yīng)用研究，對(duì)于其乳化機(jī)理的理論研究較少，這將是未來(lái)的研究熱點(diǎn)問(wèn)題。
2超聲波技術(shù)研究進(jìn)展
2．1超聲波改善油品性質(zhì)
在一定條件下，通過(guò)超聲波作用可以改善分散體系的穩(wěn)定性并可用于降黏。張龍力等［28］在超聲波的作用下處理中東常壓渣油，用質(zhì)量分率電導(dǎo)率法研究膠體穩(wěn)定性的變化，實(shí)驗(yàn)表明，超聲波作用越強(qiáng)，膠體穩(wěn)定性的改善效果越好，其改善作用主要來(lái)自于物理作用。超聲波可以改變?cè)退慕M分的變化，包括結(jié)構(gòu)、含量和分布狀態(tài)。渣油中的瀝青質(zhì)對(duì)膠體的穩(wěn)定性有很大影響，超聲波使瀝青質(zhì)的結(jié)構(gòu)和含量發(fā)生改變，并增加了膠質(zhì)含量，增加了膠體的穩(wěn)定性［29］。楊帆等［30］通過(guò)超聲波處理乳化基質(zhì)，提高其穩(wěn)定性。在高能超聲波作用下，鐘偉華等［31］研究了減壓渣油的降黏實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)證明超聲波作用時(shí)間越長(zhǎng)，輸出電壓越大，降黏率越高。對(duì)于降黏率最大時(shí)超聲波的最佳工藝參數(shù)，陳潔［32］實(shí)驗(yàn)組進(jìn)行了進(jìn)一步研究，研究認(rèn)為:溫度70℃、時(shí)間70min、功率750W時(shí)，降黏率最大。Mullakaev等［33］在超聲波作用下對(duì)各種不同原油的黏溫性能進(jìn)行了研究，超聲波的效率與原油的族組成和處理時(shí)間有關(guān)，通過(guò)增加處理時(shí)間來(lái)增加超聲效率會(huì)導(dǎo)致黏度和傾點(diǎn)的顯著降低。Gridneva等［34］使用各種催化劑和一系列超聲波處理過(guò)但沒(méi)有失去其特性的汽油，在超聲波作用下提高所研究的汽油的辛烷值。許洪星等［35］研究超聲波輔助催化劑裂解超稠油，結(jié)果顯示，超聲波輔助水的熱裂解效果顯著，十分具有可行性。進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)表明，與單純催化水裂解相比，超聲波作用可降低稠油分子質(zhì)量、增加輕組分含量。Wang［36］課題組和Pawar等［37］也深入研究了超聲波對(duì)黏度的影響。隨著世界原油日益重質(zhì)化，常規(guī)重油密度大、黏度大，開(kāi)采和運(yùn)輸具有一定困難，因此，降黏就成為亟待解決的熱點(diǎn)問(wèn)題之一。目前，降黏手段包括稀釋降黏、升溫降黏和表面活性劑降黏等，超聲降黏已取得一定的進(jìn)展［38］。由于超聲波是一種即清潔又環(huán)保的綠色技術(shù)，其在降黏方面將會(huì)擁有更好的市場(chǎng)前景。
2．2超聲波脫金屬
完成三次采油后，采出液通常是穩(wěn)定的二維分散體系，其中含有一些影響其性質(zhì)的不良物質(zhì)，如釩、鎳等。這些雜質(zhì)不但對(duì)原油加工影響惡劣，而且對(duì)環(huán)境造成污染。如何高效地實(shí)現(xiàn)脫鹽過(guò)程，凈化原油成分，去除雜質(zhì)，是目前急需解決的難題之一。超聲波脫鹽技術(shù)成為原油預(yù)處理的一種新途徑，可以加強(qiáng)煉油生產(chǎn)的穩(wěn)定性。葉國(guó)祥等［39］研究了影響超聲波強(qiáng)化原油脫鹽脫水預(yù)處理工藝的一些因素，實(shí)驗(yàn)表明，隨著電場(chǎng)強(qiáng)度和超聲波功率的增加，原油的脫鹽脫水效率也增加，當(dāng)電場(chǎng)強(qiáng)度為12000V/cm、超聲波功率為150W時(shí)，達(dá)到最好的脫鹽脫水效果。陳菲菲等［40］對(duì)超聲波脫金屬進(jìn)行研究，超聲波作用后，脫鈣率為85．24%，脫鎳率為83．24%，其脫除效果較好。宋官龍等［41］以焦化蠟油為研究對(duì)象，采用超聲波輔助，脫鋅率達(dá)到90%，鈣和鎳的脫除率超過(guò)80%。對(duì)于脫除頁(yè)巖油中的金屬，張蕾等［42］的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，超聲波作用下，金屬脫除效果顯著，F(xiàn)e脫除率為80%以上，Mg脫除率超過(guò)90%。以魯寧管輸原油為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，以工廠的實(shí)際電脫鹽流程為參照，謝偉等［43］設(shè)計(jì)了超聲波-電脫鹽聯(lián)合破乳實(shí)驗(yàn)裝置。在超聲波-電脫鹽聯(lián)合作用下，鹽水質(zhì)量濃度大幅度降低。宗松等［44］以鈣含量為180μg/g的新疆重質(zhì)原油為研究對(duì)象，采用超聲波破乳技術(shù)對(duì)重質(zhì)原油脫水脫鈣進(jìn)行研究。實(shí)驗(yàn)表明，原油脫鈣率達(dá)到37．8%，含水量降低至0．64%(體積分?jǐn)?shù))。Sun等［45］實(shí)驗(yàn)表明，通過(guò)超聲波輻射可以從金屬卟啉中噴射出大量金屬離子，用超聲波代替合成金屬鹽法，脫除金屬離子效果顯著。
2．3超聲波脫硫
目前，環(huán)境污染愈加惡劣，已經(jīng)成為大眾關(guān)注的重點(diǎn)，尤其汽車(chē)尾氣中硫的排放已經(jīng)成為環(huán)境污染的首要問(wèn)題，嚴(yán)重威脅著人們的健康。已研究出多種解決此問(wèn)題的方法，其中采用超聲波能有效脫硫，促使空氣更加清新，最終滿(mǎn)足人們渴求良好環(huán)境的要求。超聲波脫硫工藝是一種有前景的深度脫硫技術(shù)，是學(xué)者們關(guān)注的重點(diǎn)領(lǐng)域。戴詠川等［46］為降低柴油中的硫含量，達(dá)到低硫或超低硫柴油的標(biāo)準(zhǔn)，在超聲波作用下，搭建超聲波/類(lèi)Fenton試劑的柴油氧化脫硫反應(yīng)體系。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，當(dāng)類(lèi)Fenton試劑的水相pH值≈2．00時(shí)，脫硫成效顯著;隨著超聲波功率的增大，有助于氧化脫硫，使反應(yīng)進(jìn)行完全。進(jìn)一步研究得知，反應(yīng)時(shí)間相同時(shí)，超聲波-fenton體系氧化脫硫效果最佳［47］。在不加氫的情況下，通常采用催化氧化脫硫來(lái)降低硫含量。例如韓雪松等［48］在催化氧化溶劑抽提的前提下，通過(guò)超聲波的引入提供反應(yīng)能量。結(jié)果顯示，加超聲波的萃取脫硫率為94．8%，而不加超聲波的脫硫率只有67．2%，此實(shí)驗(yàn)說(shuō)明超聲波氧化脫硫效果較好。在前人基礎(chǔ)上，董麗旭等［49］通過(guò)加入Fe鹽、Cu鹽和其他吸附劑研究影響超聲波脫硫的因素，結(jié)果表明，使用H2O2為氧化劑，F(xiàn)e鹽和無(wú)機(jī)酸為催化劑，其脫硫率最大可達(dá)到97．7%。Sister［50］通過(guò)高強(qiáng)度的超聲波震動(dòng)研究原油和柴油脫硫過(guò)程發(fā)現(xiàn)，超聲波處理后，在一個(gè)兩相系統(tǒng)中，聚集在水相中的氧化硫比聚集在烴相中的硫減少了30%～40%，其脫硫作用明顯。此外，還有學(xué)者通過(guò)超聲波改善了Fe-Zn吸附劑的硫化特性，使得金屬氧化物粒子更小，且更均勻的分散在焦炭基質(zhì)上，其脫硫效果顯著［51］。
2．4超聲波分離技術(shù)
用超聲波分離油砂或從油砂中提純石油產(chǎn)品的研究并不多，即使對(duì)于研究最多的瀝青-油砂系統(tǒng)，瀝青回收率的工藝參數(shù)的探討也很少。在上述條件基礎(chǔ)上，Swamy等［52］在大功率超聲波流動(dòng)型系統(tǒng)中設(shè)計(jì)一個(gè)工業(yè)規(guī)模的高容量分離設(shè)備，超聲波反應(yīng)器的功率高達(dá)10000W。從超聲處理過(guò)的油砂中提取瀝青質(zhì)、石油和殘余燃料油，Abramov等［53］的實(shí)驗(yàn)表明，超聲波裝置可以替代目前使用的從頁(yè)巖油和油渣中萃取瀝青和石油產(chǎn)品的工業(yè)設(shè)備。Lu等［54］通過(guò)超聲波霧化從掌葉大黃中萃取蒽醌類(lèi)化合物，與傳統(tǒng)方法相比，此方法高效、快捷、成本低、更容易操作。也有學(xué)者［55］在超聲波作用下從煙草種子中萃取凈油，隨著萃取溫度的增加，種子和溶劑的比重減少，凈油產(chǎn)率增加。超聲波萃取的優(yōu)點(diǎn)是，能夠在相對(duì)短的時(shí)間內(nèi)，獲得較大的萃取率。
3結(jié)論及展望
隨著世界經(jīng)濟(jì)技術(shù)的迅猛發(fā)展，超聲波還可應(yīng)用于石油化工的其他方面，如干燥、結(jié)晶、霧化、過(guò)濾、強(qiáng)化膜分離以及納米材料制備等方面。超聲波作為一項(xiàng)世界公認(rèn)的高科技手段，由于其空化作用、熱作用和機(jī)械作用，必使其廣泛用于科研生產(chǎn)中，如化工、醫(yī)藥、航空、國(guó)防，創(chuàng)造巨大的市場(chǎng)價(jià)值。目前，國(guó)內(nèi)對(duì)超聲波的理論方面的研究還比較薄弱，對(duì)于空化作用與物質(zhì)間的具體作用機(jī)制理解還不夠全面;超聲波設(shè)備的針對(duì)性也需要進(jìn)一步加強(qiáng);超聲波的空化作用及熱作用等促進(jìn)反應(yīng)的同時(shí)也產(chǎn)生一系列異常的副反應(yīng)，如何減少副反應(yīng)的發(fā)生是研究的難點(diǎn)之一;雖然超聲波在石油化工領(lǐng)域取得了重要成果，但實(shí)現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)還缺乏一定的理論依據(jù)和放大實(shí)驗(yàn)研究，因此，深入研究超聲波實(shí)驗(yàn)的操作過(guò)程，優(yōu)化實(shí)驗(yàn)參數(shù)，進(jìn)行放大實(shí)驗(yàn)的開(kāi)發(fā)是目前亟待解決的難題，也是未來(lái)研究的重點(diǎn)之一。
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作者:張志偉 趙德智 宋官龍 張強(qiáng) 單位:遼寧石油化工大學(xué)