Der Wirkmechanismus von Rohöl-Demulgatoren beruht auf dem Prinzip der Phasenumwandlung und umgekehrten Deformation. Bei Zugabe eines Demulgators findet ein Phasenübergang statt: Es entstehen Tenside, die eine Emulsion des entgegengesetzten Typs zu der des Emulgators bilden (sogenannte Umkehrphasen-Demulgatoren). Diese Demulgatoren reagieren mit hydrophoben Emulgatoren und bilden Komplexe, wodurch dem Emulgator seine emulgierende Wirkung entzogen wird.
Ein weiterer Mechanismus ist das durch Kollisionen hervorgerufene Aufbrechen des Grenzflächenfilms. Unter Erhitzungs- oder Rührbedingungen hat der Demulgator ausreichend Gelegenheit, mit dem Grenzflächenfilm der Emulsion zu kollidieren, sich entweder daran anzulagern oder Teile der oberflächenaktiven Substanzen zu verdrängen und zu ersetzen, wodurch der Film aufbricht. Dies reduziert die Stabilität drastisch und führt zu Flockung und Koaleszenz, die schließlich zur Demulgierung führen.
Rohölemulsionen entstehen häufig bei der Gewinnung und Raffination von Erdölprodukten. Die meisten der weltweit gewonnenen Rohöle werden in emulgiertem Zustand gewonnen. Eine Emulsion besteht aus mindestens zwei nicht mischbaren Flüssigkeiten, von denen eine fein dispergiert ist – Tröpfchen mit einem Durchmesser von etwa 1 μm – in der anderen.
Eine dieser Flüssigkeiten ist typischerweise Wasser, die andere meist Öl. Öl kann so fein in Wasser dispergiert sein, dass eine Öl-in-Wasser-Emulsion (O/W) entsteht, bei der Wasser die kontinuierliche und Öl die dispergierte Phase bildet. Bildet hingegen Öl die kontinuierliche und Wasser die dispergierte Phase, handelt es sich um eine Wasser-in-Öl-Emulsion (W/O) – die meisten Rohölemulsionen gehören zu dieser Kategorie.
Wassermoleküle ziehen sich gegenseitig an, ebenso wie Ölmoleküle; dennoch wirkt zwischen einzelnen Wasser- und Ölmolekülen an ihrer Grenzfläche eine abstoßende Kraft. Die Oberflächenspannung minimiert die Grenzfläche, sodass Tröpfchen in einer W/O-Emulsion eine kugelförmige Gestalt annehmen. Darüber hinaus neigen einzelne Tröpfchen zur Aggregation, deren Gesamtoberfläche kleiner ist als die Summe der Oberflächen einzelner Tröpfchen. Daher ist eine Emulsion aus reinem Wasser und reinem Öl von Natur aus instabil: Die dispergierte Phase tendiert zur Koaleszenz und bildet zwei getrennte Schichten, sobald die Grenzflächenabstoßung – beispielsweise durch die Anreicherung spezieller Chemikalien an der Grenzfläche, welche die Oberflächenspannung senkt – aufgehoben wird. Technologisch nutzen viele Anwendungen diesen Effekt durch die Zugabe bekannter Emulgatoren zur Herstellung stabiler Emulsionen. Jede Substanz, die eine Emulsion auf diese Weise stabilisiert, muss eine chemische Struktur aufweisen, die eine gleichzeitige Wechselwirkung mit Wasser- und Ölmolekülen ermöglicht – das heißt, sie sollte eine hydrophile und eine hydrophobe Gruppe enthalten.
Rohölemulsionen verdanken ihre Stabilität natürlichen Substanzen im Öl, die häufig polare Gruppen wie Carboxyl- oder Phenolgruppen tragen. Diese können als Lösungen oder kolloidale Dispersionen vorliegen und wirken besonders an Grenzflächen. In solchen Fällen dispergieren die meisten Partikel in der Ölphase und sammeln sich an der Öl-Wasser-Grenzfläche an, wobei sie sich mit ihren polaren Gruppen zum Wasser hin ausrichten. So bildet sich eine physikalisch stabile Grenzflächenschicht, ähnlich einer festen Hülle, die einer Partikelschicht oder einem Paraffinkristallgitter ähnelt. Mit bloßem Auge erscheint dies als ein die Grenzflächenschicht umhüllender Belag. Dieser Mechanismus erklärt die Alterung von Rohölemulsionen und die Schwierigkeit, sie zu trennen.
In den letzten Jahren konzentrierte sich die Forschung zu Demulgierungsmechanismen von Rohölemulsionen vorwiegend auf die detaillierte Untersuchung von Tröpfchenkoaleszenzprozessen und den Einfluss von Demulgatoren auf die rheologischen Eigenschaften der Grenzfläche. Da die Wirkung von Demulgatoren auf Emulsionen jedoch äußerst komplex ist, konnte trotz umfangreicher Studien auf diesem Gebiet keine einheitliche Theorie der Demulgierungsmechanismen entwickelt werden.
Derzeit werden mehrere Mechanismen anerkannt:
③ Solubilisierungsmechanismus – Ein einzelnes Molekül oder wenige Moleküle des Demulgators können Mizellen bilden; diese makromolekularen Knäuel oder Mizellen solubilisieren Emulgatormoleküle und führen so zum Abbau des emulgierten Rohöls.
④ Faltungsdeformationsmechanismus – Mikroskopische Beobachtungen zeigen, dass W/O-Emulsionen doppelte oder mehrfache Wasserschichten aufweisen, zwischen denen sich Ölschichten befinden. Unter dem Einfluss von Erhitzen, Rühren und Demulgatoren verbinden sich die inneren Schichten der Tröpfchen, was zur Tröpfchenkoaleszenz und Demulgierung führt.
Darüber hinaus legen inländische Untersuchungen zu Demulgierungsmechanismen für O/W-emulgierte Rohölsysteme nahe, dass ein idealer Demulgator folgende Kriterien erfüllen muss: starke Oberflächenaktivität; gute Benetzungseigenschaften; ausreichende Flockungskraft; und effektive Koaleszenzfähigkeit.
Demulgatoren gibt es in großer Vielfalt; sie werden nach Tensidtypen klassifiziert und umfassen kationische, anionische, nichtionische und zwitterionische Varianten.
Anionische Demulgatoren: Carboxylate, Sulfonate, Polyoxyethylenfettsäuresulfatester usw. – Nachteile sind hohe Dosierung, geringe Wirksamkeit und Anfälligkeit für verminderte Leistung in Gegenwart von Elektrolyten.
Kationische Demulgatoren: hauptsächlich quaternäre Ammoniumsalze – wirksam bei leichten Ölen, aber ungeeignet bei schweren oder gealterten Ölen.
Nichtionische Demulgatoren: Blockcopolymere, initiiert durch Amine; Blockcopolymere, initiiert durch Alkohole; Alkylphenol-Formaldehyd-Harz-Blockcopolymere; Phenol-Amin-Formaldehyd-Harz-Blockcopolymere; Demulgatoren auf Silikonbasis; Demulgatoren mit ultrahohem Molekulargewicht; Polyphosphate; modifizierte Blockcopolymere; und zwitterionische Demulgatoren, vertreten durch Rohöldemulgatoren auf Imidazolinbasis.
Veröffentlichungsdatum: 04.12.2025