원유 탈유화제의 작용 메커니즘은 상전이-역변형 원리에 기반합니다. 탈유화제를 첨가하면 상전이가 일어나며, 유화제와는 반대되는 형태의 유화를 생성할 수 있는 계면활성제(역상 탈유화제)가 생성됩니다. 이러한 탈유화제는 소수성 유화제와 반응하여 복합체를 형성함으로써 유화제의 유화 능력을 제거합니다.
또 다른 메커니즘은 계면막의 충돌 유도 파열입니다. 가열 또는 교반 조건에서 탈유화제는 에멀젼의 계면막과 충돌할 충분한 기회를 갖게 되며, 이때 탈유화제는 계면막에 흡착되거나 계면활성 물질의 일부를 치환 및 대체하여 계면막을 파열시킵니다. 이는 안정성을 급격히 감소시켜 응집 및 합체를 유발하고, 결국 탈유화로 이어집니다.
원유 에멀젼은 석유 제품의 생산 및 정제 과정에서 흔히 발생합니다. 전 세계에서 생산되는 대부분의 원유는 유화 상태로 얻어집니다. 에멀젼은 적어도 두 가지 이상의 섞이지 않는 액체로 구성되며, 그중 한 액체가 다른 액체 내에 미세하게 분산되어 있는 형태입니다. 이때 미세한 입자는 직경이 약 1μm 정도입니다.
일반적으로 이 두 액체 중 하나는 물이고, 다른 하나는 기름입니다. 기름이 물에 매우 미세하게 분산되면 에멀젼은 유중수(O/W)형이 되는데, 이때 물은 연속상이고 기름은 분산상입니다. 반대로 기름이 연속상을 형성하고 물이 분산상을 형성하면 에멀젼은 수중유(W/O)형이 되며, 대부분의 원유 에멀젼은 후자에 속합니다.
물 분자는 서로 끌어당기고, 기름 분자도 마찬가지입니다. 하지만 개별 물 분자와 기름 분자 사이에는 계면에서 작용하는 반발력이 존재합니다. 표면 장력은 계면 면적을 최소화하므로, W/O 에멀젼의 액적은 구형에 가까운 형태를 보입니다. 또한, 개별 액적은 서로 응집되는 경향이 있는데, 응집된 액적의 전체 표면적은 개별 액적 표면적의 합보다 작기 때문입니다. 따라서 순수한 물과 순수한 기름으로 이루어진 에멀젼은 본질적으로 불안정합니다. 분산상은 서로 합쳐져 계면 반발력이 상쇄되면 두 개의 분리된 층을 형성하게 됩니다. 예를 들어, 계면에 특수 화학물질을 축적시켜 표면 장력을 낮추는 방법이 있습니다. 기술적으로 많은 응용 분야에서는 이러한 효과를 이용하여 잘 알려진 유화제를 첨가함으로써 안정적인 에멀젼을 만듭니다. 이처럼 에멀젼을 안정화하는 물질은 물 분자와 기름 분자 모두와 동시에 상호작용할 수 있는 화학 구조, 즉 친수성 그룹과 소수성 그룹을 모두 포함해야 합니다.
원유 에멀젼은 원유 내에 존재하는 천연 물질, 특히 카르복실기나 페놀기와 같은 극성기를 가진 물질 덕분에 안정성을 유지합니다. 이러한 물질들은 용액이나 콜로이드 분산액 형태로 존재하며, 계면에 부착될 때 특히 중요한 역할을 합니다. 이 경우, 대부분의 입자는 오일 상에 분산되어 오일-물 계면에 축적되고, 극성기가 물 쪽으로 향하도록 나란히 배열됩니다. 이렇게 형성된 계면층은 마치 입자층이나 파라핀 결정 격자와 유사한 고체 막처럼 물리적으로 안정한 구조를 이룹니다. 육안으로는 계면층을 감싸는 코팅처럼 보입니다. 이러한 메커니즘이 원유 에멀젼의 노화와 분해의 어려움을 설명해 줍니다.
최근 몇 년 동안 원유 에멀젼 탈유화 메커니즘에 대한 연구는 주로 미세 규모에서 액적 합착 과정과 탈유화제가 계면 유변학적 특성에 미치는 영향에 초점을 맞춰 왔습니다. 그러나 탈유화제가 에멀젼에 미치는 작용은 매우 복잡하고, 이 분야에 대한 광범위한 연구에도 불구하고 탈유화 메커니즘에 대한 통합적인 이론은 아직 정립되지 않았습니다.
현재 몇 가지 메커니즘이 알려져 있습니다.
③ 용해 메커니즘 – 탈유화제 분자 하나 또는 소수가 미셀을 형성할 수 있습니다. 이러한 거대 분자 코일 또는 미셀은 유화제 분자를 용해시켜 유화된 원유를 분해하고 침전시킵니다.
④ 접힘 변형 메커니즘 – 현미경 관찰 결과, W/O 에멀젼은 오일 껍질이 그 사이에 끼워진 이중 또는 다중 수막 구조를 가지고 있음이 밝혀졌습니다. 가열, 교반 및 유화제 작용의 복합적인 효과로 인해 액적의 내부 층들이 서로 연결되어 액적의 합체 및 유화 분리가 일어납니다.
또한, O/W 유화 원유 시스템의 탈유화 메커니즘에 대한 국내 연구에 따르면 이상적인 탈유화제는 다음과 같은 기준을 충족해야 합니다. 즉, 강력한 계면활성, 우수한 습윤 성능, 충분한 응집력 및 효과적인 합체 능력입니다.
유화분리제는 종류가 매우 다양하며, 계면활성제 유형에 따라 양이온성, 음이온성, 비이온성 및 양쪽성 계면활성제로 분류됩니다.
음이온성 유화분해제: 카르복실산염, 설폰산염, 폴리옥시에틸렌 지방산 황산 에스테르 등 - 단점으로는 높은 투여량, 낮은 효능, 전해질 존재 시 성능 저하 가능성 등이 있다.
양이온성 유화분리제: 주로 4급 암모늄염으로 구성되며, 가벼운 오일에는 효과적이지만 무겁거나 오래된 오일에는 적합하지 않습니다.
비이온성 유화탈유제: 아민으로 개시된 블록 공중합체; 알코올로 개시된 블록 공중합체; 알킬페놀-포름알데히드 수지 블록 공중합체; 페놀-아민-포름알데히드 수지 블록 공중합체; 실리콘계 유화탈유제; 초고분자량 유화탈유제; 폴리인산염; 변성 블록 공중합체; 그리고 이미다졸린계 원유 유화탈유제로 대표되는 양쪽성 이온 유화탈유제.
게시 시간: 2025년 12월 4일