* ЭБК – эмульсия битумная катионная ГОСТ 52128-2003 ТК-3 – крекинг остаток термического крекинга ВККО – крекинг остаток вакуумной концентрации крекинг остатка ПД


Чтобы посмотреть этот PDF файл с форматированием и разметкой, скачайте его и откройте на своем компьютере.
220

© Нефтегазовое дело: электронный научный журнал. 2014. №1

http://www.o
gbus.ru

UDC

665.455:006.354
;
543

ИССЛЕДОВАНИЕ ЭЛЕКТРО
КИНЕТИЧЕСКОЙ ПРИРОДЫ

ЭМУЛЬСИОННЫХ ВЯЖУЩИХ

ВЕЩЕСТВ


STUDY OF
E
OF
EMULSION BINDES

Кошкаров В.Е.
,

Ахметов А.Ф.
,

ФГБОУ ВПО «Уфимский государственный нефтяной технический
университет»,

г.

Уфа, Ро
ссийская Федерация


ООО «
Научно
-
исследовательский центр «
НАНО
.
БИТ»,


г.

Екатеринбург
, Российская Федерация

V.E. Koshkarov, A.F.
A
k
,

FSBEI HPE “Ufa Stat Ptrolum Tcnological Univrsity”,

Ufa, the Russian Federation

LLC
"Research and Development C
entre

"
NANO
.
BIT
",

Ekaterinburg, the Russian Federation

e
-
mail:
[email protected]

Аннотация.

Э
лектрокинетическая природа
нефтяных
эмульсий

наиболее полно проявляется

в связи с демульгированием
их
при добыче

нефти.

Разработаны методики исслед
ования эмуль
сий обратного типа.
П
ри пропускании постоянного или переме
нного тока через эмульсию
может
наступить коалесценция капел
ь

в
оды,
фиксируемая

фотоэлементами [6].
Под

микроскоп
ом видно
, что капли эмульсии в
электрическом поле

деформируются и группируются в цеп
и,
располагающиеся параллельно

силовым линиям. В эмульсиях
типа «Вода
в Масле» (
В/М
)

коалесценция наступает,

когда капли, образующие
цепочку, приходят в соприкосновение.

Эти цепи проводят ток и
отталкиваются друг от друга.


В эмульсиях
типа «Масло в Воде»

(
М

)

коалесценция не наступает
.
При заря
дке
конденсатора, содержащего
221

© Нефтегазовое дело: электронный научный журнал. 2014. №1

http://www.o
gbus.ru

эмульсию,

энергия расходуется не только на поляризацию
диэлектрической

среды, но и на механическую работу, а именно на
деформацию

капел
ь
и на изменение распределения дисперсной фазы в
объеме

[2]
.

Исследованный м
еханизм электрокинетич
еского
взаимодействия основан

на поляризации дипольных молекул
углеводородных связующих (М/В) или молекул воды (В/М). В настоящей
статье рассмотрены
принципиально

те же механизмы образования и
коалесценции э
мульсий
, но

в присутствии полярного эмульгатора, за счет
которого мы искусственно задаем необход
имый нам принцип
взаимодей
ствия, обеспечивая тем самым на
перед заданные свойства
эмульсии.

Экспериментально установлены

электрокинетические аспекты
эмульсионны
х связующих, методика определения параметров двойного
электрического слоя эмульсий и увязка этих параметров с действующими
представлениями по формированию, существованию во времени и их
распада. По результатам сравнительных испытаний электрокинетических
св
ойств различных эмульсий предложена методика сопоставительного
анализа эмульсионных связующих, приготовленных на разных вяжущих
веществах.

Abstract
.

of crude oil
emulsions
is evident
to t
he
fullest extent

in connection with
the
de
mulsifying
of
oil emulsions
during

c
rude
oil

production
.

The techniques of reverse
-
type emulsions studies

are developed
.

During the passage of

direct or alternating current through the emulsion
coalescence of water droplets observed solar cells
may occur

[
6]. Through the
microscope, it was
seen

are

d
eformed and grouped into chains
, which are located parallel

to the power lines.
In
water
-
in
-
oil

(
W/
O
)

emulsion coalescence occurs when droplet
s

fo
rming a
chain com
e into contact
. These chains are
conductive and repel each other. In
oil
-
in
-
water (
O
/
W
)

emulsion such chains do not
coalescence
. When charging
the capacitor containing emulsion energy is used not only on the polari
zation of
222

© Нефтегазовое дело: электронный научный журнал. 2014. №1

http://www.o
gbus.ru

the dielectric medium
,
but also
on the mechanical work
, namely droplet
deformation and changes in the distribution of th
e dispersed phase in the
volume
[2].
The in
vestigate
d

mechanism of

interaction
is

based
on polarization dipole molec
ules of hydrocarbon bin
ders (O/W) or
water
molecules (W
/
O
). In this paper we consider fundamentally the same mechanism
of format
ion and coalescence of emulsion
s
, but in t
he presence of polar
emulsifier
, due to which we artificially

the nec
essary principle of interaction
,
thus providing th
e desired properties of the emulsion

in advance
. Experiments
have revealed
electrokinetic

aspects of emulsion binders
, a

of

emulsions and
the
tie

of


current ideas on th
e formation
, existence in time and
their decay. According to the results of comparative tests of electrokinetic
binders pr
epared

with

different binders

is proposed
.

Ключевые слова
:
эмульсия, связующие, эмульгатор, электрофорез,
адсорбция, потенциал, электролит, битум, дисперсные системы.

Key

words:

emulsion
,

binder
,

emulsifier, elect
rophoresis, adsorption
capacity
, the electrolyte
,

bitumen
,

dispersions
.


Эмульсионные вяжущие предст
авляют собой пленкообразующий
материал,
однородную

маловязк
ую

жидкость темно
-
коричневого цвета,
состоящую из нефтяного связующего и водного раствора
поверхностно
-
активных веществ (эмульгатора)
.

Причем эмульсионные капли
стабилизиру
ю
тся эмульгатором после и
х образования в соответствии с
определенными закономерностями эмульгирования
[
1
]
. В

зависимости от
того, каков
а
электрокинетическая

природа
конкретно исследуемого
эмульгатора, мы можем
получить разные типы эмульсий (М
\
В, В
\
М
), и
даже разные виды дисперсной

системы (эмульсии, пасты, пены) на одном
и том же вяжущем.

223

© Нефтегазовое дело: электронный научный журнал. 2014. №1

http://www.o
gbus.ru

Эмульсионные
вяжущие материалы

разрабатывались
и изучались
отечественными [
2
-
3,
9
] и зарубежными

[
6, 10
-
1
1
]
исследователями. В

дорожном строительстве
битумные эмульсии начали применять с начала
X
X века

[
10
]. Отличительной особенностью битумных эмульсий является
возможность применения «холодных» технологий дорожного
строительства, исключение

необходимости применения нефтяных
растворителей и нагрева
вяжущих
материалов, уменьшение расхода
топлива для

подогрева

высушивания
каменного

материала. Кроме того,
возросшие требования к
экологическим параметрам

производства
дорожных работ

выявили
также
преимущества битумных эмульсий перед
горячими и
разжиженными
дорожными
битумами.

В настоящее время широко расп
ространены дорожные эмульсии,
применяемые

для обработки минеральных материалов

(холодные смеси)

при устройстве конструктивных слоев дорожных одежд, для устройства
защитных слоев с шероховатой поверхностью,

ухода за свежеуложенным
бетоном, закрепления откос
ов и подвижных песков,
подгрунтовк
и

и
обеспыливания покрытий
. В
дорожной отрасли дей
ствует

ГОСТ Р 52128
-
2003 «Эмульсии битумные дорожные. Технические условия»
,

регламентирующий

классификацию, методы получения, хранения,
использования и контроля качества эм
ульсий и
эмульсионно
-
минеральных
смесей

для дорожного строительства
.

Разработаны
и испытаны
составы
битумных эмульсий
[
3
,
4
]
на основе
вязких дорожных битумов
БНД

60/90,
90/130

с использ
ованием доступных эмульгаторов

(
БП
-
3
)
,
полимерных
модификаторов

(латекс
ов), с использованием

известных

способов
и
машин для
эмульгирования битума
(
диспергаторы
)
.

Эмульсионные вяжущие
для дорожного строительства и
обеспыливания покрытий автомобильных, сельских и карьерных дорог
должны быть получены наиболее простым путем, быть

экономичными,
удобными в применении и разрушаться (распадаться) при контакте с
субстратом смеси или поверхностью покрытия только в определенное,
224

© Нефтегазовое дело: электронный научный журнал. 2014. №1

http://www.o
gbus.ru

требуемое
по технологии
время. При этом вяжущее должно максимально
сохранять или даже улучшать свои первоначал
ьные свойства после
распада эмульсии.

Тем не менее, теория эмульсионных
вяжущих и
связующих
веществ
до
сих пор значительно отстает от практики. Приготовление эмульсий и
материалов на их основе, использование и контроль их качества в
народном хозяйстве пока

еще остается эмпирической областью. В
частности
,

показатели
качества эмульсии при хранении определя
ю
тся
весьма трудоемким
и и неточными способа
м
и, например, по остатку
вяжущего

на стандартном сите

сразу после приготовления, затем на 7
сутки, затем на 31 су
тки [
8
]. В зарубежных нормах показатель качества
при хранении и транспортировании эмульсий определятся принципиально
тем же методом

[
9
]
, с той лишь разницей, что у них согласованы другие
стандартные сита
и нормированы
несколько
иные

сроки испытаний.

Задаче
й
настоящего
исследования
является

установление
количественного показателя

электрокинетической природы
, наиболее
обобщенно и
более

точно
указывающего

на качество
битумных и
углеводородных эмульсий, характеризующего параметры эмульсий

при их
получен
ии, тран
спортировании, хранении

и использовании.

С этой целью
была
предложена

методика исследования электрических свойств
,
аналогичная методике исследования

дисперсных материалов в
коллоидных растворах
[
5
]
.


При формировании нефтяных эмульсий основным фактором их
устойчивости является двойной электрический слой (ДЭС) капель
дисперсной фазы в дисперсионной среде, полный потенциал которой
слагается из адсорбционного потенциала (формируем
ого

молекулами
эмульгатора) и потенциала диффузного слоя (формируем
ого

системой

пр
отивоионов)
.
Модель двойного электрического слоя гранул эмульсии
прямого типа показана
на рисунке 1.


225

© Нефтегазовое дело: электронный научный журнал. 2014. №1

http://www.o
gbus.ru



Рисунок

1
.

Двой
ной

электрический слой гранул эмульсии:

φ


общий потенциал системы, φ
s



потенциал упорядоченного слоя,

ξ


потенциал диффузного сло
я

Общий потенциал
φ

ДЭС снижается по мере удаления от поверхности
капли, причем в адсорбционном слое наблюдается линейное снижение
φ
.
Нарушение линейной зависимости происходит на границе между
адсорбционн
ы
м и диффузным слоями противоионов. В диффузном слое

потенциал
φ
снижается по экспоненте.

Прямых методов измерения
потенциалов на границе
адсорбционного слоя не существует, однако
можно измерить другую близкую величину


электрокинетический
потенциал
ξ

(дзета
-
потенциал)

[10
]
. Дзета
-
потенциал можно определит
ь
как потенциал границы скольжения фаз при их относительном движении
во внешнем электрическом поле.

Для определения дзета
-
потенциала нами разработана

методика
определения
сил
взаимодействия
двойного
электрического слоя
грубодисперсной

системы, обуславлива
ющих степень агрегации и
226

© Нефтегазовое дело: электронный научный журнал. 2014. №1

http://www.o
gbus.ru

седиментации эмульсионных в
яжущих,
а так же скорость распада
дисперсной системы при контакте с субстратом.

Сущность
разработанной
методики

основана на определении скорости движения заряженных
гранул дисперсной фазы относительно дис
персионной среды во внешнем
электрическом поле.

Опытная установка включает источник постоянного тока, блок
измерительных устройств, определяющий электрические параметры
системы
, и рабочий орган установки

-

U
-
образную трубку
, показанную на
рисунке 2.




Рисунок 2.

Рабочий орган
у
становк
и

для определения

электро
-
кинетического
потенциала эмульсии методом
электрофореза

Рисунок 3.

Ход эксперимента:
эмульсия из
левого

колена
поднимается в анодном
пространстве

(правое колено
)


При прохождении электрического ток
а через двухфазную систему
,
состоящую из
заря
женных гранул

эмульсии
и диффузного слоя раствора
ПАВ,

вследствие

разности потенциалов
происходит

относительное
смещение фаз
и перемещение системы по

границе

раздела фаз
. Для
наблюдения
и измерения
этого
явления

мы воспользовались методом
движения подвижной границы Гельмгольца
-
Смолуховского [
5
]
, приняв
необходимые допущения, связанные с грубод
исперсными системами
.


В основании

U
-
образной трубки
помещается эмульсия
.
На

поверхность
эмульсии

налита контактная жидкость, которая является диспер
сионной
средой
эмульсии

или имеет одинаковую с ней электропро
водность.

В
227

© Нефтегазовое дело: электронный научный журнал. 2014. №1

http://www.o
gbus.ru

контактную жидкость погружены электроды с запасом хода подвижной
границы.

На электроды подают напряжение. Че
рез некоторое время
подвижная
граница установит
новый уровень в колене
U
-
образной трубки
противоположного знака заряда гранул эмульсии
, как показано на рисунке
3
.

Следовательно, в нашем случае частицы
эмульсии

заряжены
положительно
, так как
подвижная грани
ца

повы
шается

в анодном
пространстве.

Зная величину смещения уровня
S

за определенный про
межуток
времени
t
, можно экспериментально рассчитать ско
рость
электрофореза
:
V

=
S
/
t
, м/с.

С другой стороны, скорость движения частиц дисперсной
фазы в элек
трическо
м поле по
выражению линейной скорости жид
к
ости

Гельмгольца


Смолуховского равна
:

, (1)

где
V



линейная скорость перемещения частиц
, м/с; ε



относительная
диэлектрическая прониц
аемость среды;

ε
0



относительная
диэлектрическая проницаемость
вакуума, равная 8.854

10
-
12
;


Н



напряженность электрического пол
я (градиент по
тенциала), В/м;


ξ



электрокинетический потенциал
,

В;
k



коэффициент, зависящий от
формы частиц
(
k

= 2
/
3



дл
я сферических частиц,
k



1

для
цилиндрических); η



вязкость среды, Н

с/м
2
.

Как видно из уравнения, скорость электрофореза тем больше, чем
выше диэлектрическая проницаемость среды, напряженность

электрического поля, величина ξ
-
потенциала (т.е. заряд части
ц) и чем
меньше вязкость среды, а также зави
сит от формы частиц.

Заключительное уравнение, позволяющее рассчитать величину
дзэта
-
потенциала
,

имеет выражение
:


(2)

228

© Нефтегазовое дело: электронный научный журнал. 2014. №1

http://www.o
gbus.ru

В результате эксперимен
тов
, в отличи
е

от аналогичных
,

ли
шь
качественно свидетельствующих

об явлении электрофореза
(электроосмоса)
,

основанных на пропускании электрического тока между
неподвижными электродами в

ванне с эмульсией

[
9
]
,
по данной методике
получаем потенциал
заряженн
ых гранул эмульсии, выраженный в
в
ольтах
и определенный

с точностью
до

0,01В

менее чем за 15 минут.

В рамках эксперимента
получены данные и сопоставлены показатели
дзета
-
потенциала (
ξ
-
потенциала) для следующих дисперсных систем
эмульгированных вяжущих и тя
желых нефтяных

остатков: эмульсии
дорожные по ГОСТ Р 52128
-
2003


ЭБК
-
1, ЭБК
-
2, ЭБК
-
3;
опытные
углеводородные
эмульсии
,

разработанные и приготовленные
на основе
ТНО



ТК
-
57/2, ПД
-
36
1/1, Б
Н 50
/3, М
-
100/1.

Результаты
сопоставительного анализа показаны в таб
лице 1.

Таблица 1. Величины ξ
-
потенциал
ов исследуемых образцов*

Наименование
образца

Состав эмульсии, %

Условная
вязкость,
с

Остаток на
сите №014,

г

рН
боковой
жидкости

Дзета
-
потенциал
ξ, мВ

у.в.с.

к
-
та (HCL,
36%)

эм.

ЭБК
-
1

55

0,25

0,4

15

0,3

1,97

6
7,11

ЭБК
-
2, 57

57

0,4

0,6

12

0,3

1,98

78,8

ЭБК
-
2, 55

55

0,3

0,5

10,3

0,08

2

77,9

ЭБК
-
3,57

57

0,54

1

11,2

0,2

2,01

79,4

ЭБК
-
3, 60

60

0,7

1

10,7

0,2

2,34

81

ТК
-
3, 57

57

1,2

2

7,2

0,12

2,2

115,1

ВККО, 60

60

0,7

1

12

0,1

2,29

79,51

ПД 36/1, 51

51

1,13

2

н.д.

0,06

2,14

166,32

ПД 36/1, 57

57

0,7

1,5

12

0,09

2,15

84,3

ПД 36/1, 60

60

0,7

1

11,8

0,14

2,29

82,9

ПД 36/1, 60

60

0,36

0,5

11,9

0,9

1,8

69,81

БН 50 (к4)

53

0,7

1,5

9

0,76

2,15

86,3

М
-
100, 50

50

0,35

0,5

4,75

0,02

2,13

71,2

М
-
100, 70

70

0,36

0,5

11,2

0,15

1,8

68,14

* ЭБК


эмульсия битумная катионная ГОСТ 52128
-
2003; ТК
-
3


крекинг остаток термического
крекинга; ВККО


крекинг остаток вакуумной концентрации крекинг остатка; ПД


асфальт пропановой
деасфальтизации; БН


битум строительный нефтян
ой


Величина
ξ
-
потенциала позволяет судить об устойчивости
эмульсии
и степени ее распада при контакте с субстратом
, поскольку
последнее

зависит от
его

величины.

229

© Нефтегазовое дело: электронный научный журнал. 2014. №1

http://www.o
gbus.ru

Как видно, полученные данные с одной стороны подтверждают
распределение по качеству между собой

эмульсий разных марок,
с

другой



служ
а
т инструментом для оптимизации состава исследованных
образцов.

При широком рассмотрении данной методики можно рекомендовать в
дальнейшем замену трудоемких, м
а
лоточных методов исследования
битумных и углеводородных эм
ульсий из тяжелых нефтяных остатков на
более точные (по
ξ
-
потенциалу) и подготовить на базе статистического
материала обобщенную классификацию эмульсий в соответствии с
показателем силы двойного электрического слоя.

Выводы

1. Разработана и апробирована в э
кспериментальном режиме методика
исследований электрокинетических свойств эмульсионных битумных
вяжущих и тяжелых нефтяных остатков, предназначенных для дорожного
строительства и обеспыливания
грунтовых

автомобильных дорог.

2. Получены данные по дзета
-
поте
нциалу исследованных образцов с
целью классификации и
сопоставления эмульгированных нефтяных
продуктов (БНД, ТНО).

Список используемых источников

1

Карпенко Ф.В., Гуреев А.А. Битумные эмульсии. Основы физико
-
химической технологии производства и применения.
М.:
ЦНИИТЭнефтехим, 1998. 192 с.

2

Ребиндер

П.А. Физико
-
химическая механика дисперсных
структур// Физико
-
химическая механика дисперсных структур.

М.: Наука,
1966.

С.

3

-

16.

3

Будник В.А.
,

Евдокимова

Н.Д, Пушкарева

Т.В.

Способы
модификации битума в воде и спос
обы их совершенствования
/
/
230

© Нефтегазовое дело: электронный научный журнал. 2014. №1

http://www.o
gbus.ru

Нефтегазовое дело
: электрон. журн.
2007
.
www
.
ogbus
.
ru
/
authors
/
Budnik
/
Budnik
_4.
pdf
.

4

Битумная эмульсия: пат. 2243245 РФ: МПК C08L95/00
2003124110/04
/

Черкасова

Е.В.
[и др.]
; заявл. 2003.07.31
;

опубл. 2004.12.27.

5

Баранов В.Я., Фролов


В.И.
Электрокинетические явления
:

у
чеб
.

пособие
.

М.:

и
зд
-
во
РГУ нефти и газа им
.

И. М. Губкина
,
2007
.

23

с.


6

Клейтон В.

Эмульсии
, их теория и технические применения
;

пер. с
англ. М.
:

и
зд
-
во иностр
.

лит
.,

1950
.

С
. 603
.

7

Никишина

М.Ф., Назаров В.В., Че
лухина Г.А. Выбор оптимальных
ус
ловий приготовления катионных эмульсий в машинах непрерывного
действия.

Исследование и применение дорожных эмульсий
:
Тр.
/
СоюздорНИИ
.

М.,
1
972
.

-

Вып. 57.

С. 25
-
37.

8

Технические указания по приготовлению и применению дорож
ных

эмульсий.

ВСН

115
-
75.

М.: Транспорт, 1976.

80 с.

9

Алферов В. И.

Дорожные материалы на основе битумных
эмульсий. Воронеж: ВГАСУ, 2003. 152

с.

10

Broughton
,
G
.,
and

L. Squres,

J. Phys. Chem., 42, 253 (1938).

11

Traxler, R.N., Ind. Eng.
Chem., 28
, 1011 (1936).

References

1

Karpenko

F
.
V
.,
Gureev

A
.
A. Bitumnie emulsii. Osnovi fiziko
-
himicheskoy tehnologii proizvodstva I primeneniya
M.: CNIITEneftexim, 1998.
192
p
.

[in
R
ussian]
.

2

Rebind
er

P
.
A
.
Fiziko
-
himichesk
aya

mehanika

dispersnih

struktur

//
Fiziko
-
himicheskaya

mehanika

dispersnih

struktur
.

M
.:
Nauka
, 1966.

pp
. 3
-
16.

[
in

R
ussian
]
.

3

Budnik

V
.
A
.

Evdokimova

N
.
D
.,
Pushkareva

T
.
V
.
Sposobi

modifikacii

bituma

v

vode

I

sposobi

ih

soveshenstviv
ania
/
/
Neftegazovoe

delo
.
2007.
www.ogbus.ru/authors/Budnik/Budnik_4.pdf
.

[in
R
ussian]
.

4

Bitumnaya emulsya. Patent RF
№ 2243245
от

27.12.2004.

[in
R
ussian]
.

231

© Нефтегазовое дело: электронный научный журнал. 2014. №1

http://www.o
gbus.ru

5

Baranov

V
.
A
.,
V
.
.

М
.:
Uchebnoe posobie,
2007.

23
p
.

[in
R
us
sian]
.

6

Kleiton V.
Emulsii
,
ih teoriya I tehnicheskoe pimenenie, per. s angl.,

М
.,
1950,
с
. 603

[in
R
ussian]
.

7

Nikishina

N
.
F
.
,
Nazarov

V
.
V
.
,
Cheluhina

G
.
А
.
Vibor optima
lnih
usloviy

prigotovlenia kationnih emulsify v mahnah nepririvnogo deistvia
.
-

Issledovanie I pimenenie dorozih emulsiy
:

т
r
.
/
SousDorNII
.

М
., 1972
-
Vip
.
57.
-

pp
. 25
-
37

[in
R
ussian]
.

8

Tehnichskie ukazania

po prigotovleniu I primeneniu

dorozih
emulsify

VSN

115
-
75.
М
.:
Transport
, 1976.80
p
.

[in
R
ussian]
.

9

Alferov

V
.
I
.

Doroznie materiali na osnove bitumnih emulsii
.
Voronez
:
VGASU
, 2003.
p
.

152

[in
R
ussian]
.

10

Broughton
,
G
.,
and

L. Squres, J. Phys. Chem., 42, 253 (1938).

[in

E
ngl
ish
]
.

11

Traxler, R. N., Ind. Eng.
Chem
.,

28, 1011 (1936).

[
in

E
ngl
ish
]
.

Сведения

об

авторах

A
bout

the

authors


Кошкаров В.Е., аспирант кафедры «Технология нефти и газа»
ФГБОУ
ВПО УГНТУ, г. Уфа, Российская Федерация

V
.
E
.

Koshkarov
,

Post
graduate
St
udent

of

the Chair of
"Oil and Gas
Technology" FSB
EI НРЕ USPTU, Ufa, t Russian Fdration

e
-
mail:
[email protected]


Ахметов А.Ф.
,
д
-
р

техн. н
аук, проф., заведующий кафедрой
«Технология нефти и газа
» ФГБОУ ВПО УГНТУ, Уфа, Российская
Федерация

A.F.
A
k
,

Doctor

of
Engineering

Sciences, Professor, He
ad of the
Chair

"Oil and Gas Tcnology" FSBEI НРЕ USPTU, Ufa, t Russian
Federation


Приложенные файлы

  • pdf 44564593
    Размер файла: 319 kB Загрузок: 0

Добавить комментарий