คุณรู้จักสารแยกอิมัลชันในน้ำมันดิบมากแค่ไหน

กลไกการทำงานของสารแยกอิมัลชันในน้ำมันดิบนั้นมีพื้นฐานมาจากหลักการเปลี่ยนเฟสและการเปลี่ยนรูปย้อนกลับ เมื่อเติมสารแยกอิมัลชันลงไป จะเกิดการเปลี่ยนเฟสขึ้น: สารลดแรงตึงผิวที่สามารถสร้างอิมัลชันชนิดตรงข้ามกับที่เกิดจากสารสร้างอิมัลชัน (เรียกว่าสารแยกอิมัลชันแบบเฟสย้อนกลับ) จะเกิดขึ้น สารแยกอิมัลชันเหล่านี้จะทำปฏิกิริยากับสารสร้างอิมัลชันแบบไม่ชอบน้ำเพื่อสร้างสารเชิงซ้อน ซึ่งจะทำให้สารสร้างอิมัลชันสูญเสียความสามารถในการสร้างอิมัลชันไป

กลไกอีกอย่างหนึ่งคือการแตกตัวของฟิล์มที่ส่วนต่อประสานเนื่องจากการชนกัน ภายใต้สภาวะที่มีความร้อนหรือการกวน สารแยกอิมัลชันจะมีโอกาสชนกับฟิล์มที่ส่วนต่อประสานของอิมัลชันอย่างมาก ไม่ว่าจะโดยการดูดซับลงบนฟิล์มหรือแทนที่ส่วนหนึ่งของสารลดแรงตึงผิว ทำให้ฟิล์มแตกตัว ซึ่งจะลดความเสถียรลงอย่างมาก กระตุ้นให้เกิดการจับตัวเป็นก้อนและการรวมตัวกันจนนำไปสู่การแยกอิมัลชัน

อิมัลชันน้ำมันดิบเกิดขึ้นบ่อยครั้งในกระบวนการผลิตและการกลั่นผลิตภัณฑ์ปิโตรเลียม น้ำมันดิบขั้นต้นส่วนใหญ่ของโลกได้มาในสภาพที่เป็นอิมัลชัน อิมัลชันประกอบด้วยของเหลวอย่างน้อยสองชนิดที่ไม่สามารถผสมกันได้ โดยชนิดหนึ่งกระจายตัวอย่างละเอียด—เป็นหยดขนาดเส้นผ่านศูนย์กลางประมาณ 1 ไมโครเมตร—อยู่ภายในอีกชนิดหนึ่ง

โดยทั่วไปของเหลวชนิดหนึ่งในจำนวนนี้จะเป็นน้ำ ส่วนอีกชนิดหนึ่งมักจะเป็นน้ำมัน น้ำมันอาจกระจายตัวอย่างละเอียดในน้ำจนเกิดเป็นอิมัลชันแบบน้ำมันในน้ำ (O/W) ซึ่งน้ำเป็นเฟสต่อเนื่องและน้ำมันเป็นเฟสที่กระจายตัว ในทางกลับกัน หากน้ำมันเป็นเฟสต่อเนื่องและน้ำเป็นเฟสที่กระจายตัว อิมัลชันนั้นจะเป็นแบบน้ำในน้ำมัน (W/O) ซึ่งอิมัลชันน้ำมันดิบส่วนใหญ่อยู่ในประเภทหลังนี้

โมเลกุลของน้ำดึงดูดซึ่งกันและกัน เช่นเดียวกับโมเลกุลของน้ำมัน แต่ระหว่างโมเลกุลของน้ำและน้ำมันแต่ละโมเลกุลนั้น มีแรงผลักเกิดขึ้นที่บริเวณรอยต่อ แรงตึงผิวจะลดพื้นที่ผิวสัมผัสให้น้อยที่สุด ดังนั้นหยดน้ำมันในอิมัลชันแบบน้ำในน้ำมัน (W/O) จึงมีแนวโน้มที่จะมีรูปร่างกลม นอกจากนี้ หยดน้ำมันแต่ละหยดมักจะรวมตัวกัน ซึ่งพื้นที่ผิวรวมของกลุ่มที่รวมตัวกันนั้นเล็กกว่าผลรวมของพื้นที่ผิวของแต่ละหยด ดังนั้น อิมัลชันของน้ำบริสุทธิ์และน้ำมันบริสุทธิ์จึงไม่เสถียรโดยธรรมชาติ เฟสที่กระจายตัวจะโน้มเอียงไปสู่การรวมตัวกัน ก่อตัวเป็นสองชั้นที่แยกจากกันเมื่อแรงผลักที่บริเวณรอยต่อถูกหักล้าง เช่น โดยการสะสมของสารเคมีพิเศษที่บริเวณรอยต่อ ซึ่งจะช่วยลดแรงตึงผิว ในทางเทคโนโลยี การใช้งานหลายอย่างใช้ประโยชน์จากปรากฏการณ์นี้โดยการเติมอิมัลซิไฟเออร์ที่รู้จักกันดีเพื่อสร้างอิมัลชันที่เสถียร สารใดๆ ที่ทำให้เกิดความเสถียรของอิมัลชันในลักษณะนี้จะต้องมีโครงสร้างทางเคมีที่ช่วยให้เกิดปฏิกิริยาพร้อมกันกับทั้งโมเลกุลของน้ำและน้ำมัน กล่าวคือ ควรมีหมู่ที่ชอบน้ำและหมู่ที่ไม่ชอบน้ำ

อิมัลชันน้ำมันดิบมีความเสถียรเนื่องจากสารธรรมชาติในน้ำมัน ซึ่งมักมีหมู่ขั้ว เช่น หมู่คาร์บอกซิลหรือหมู่ฟีนอล สารเหล่านี้อาจอยู่ในรูปสารละลายหรือสารแขวนลอยคอลลอยด์ และจะมีอิทธิพลเป็นพิเศษเมื่อเกาะติดกับส่วนต่อประสาน ในกรณีเช่นนี้ อนุภาคส่วนใหญ่จะกระจายตัวอยู่ในเฟสน้ำมันและสะสมตัวอยู่ที่ส่วนต่อประสานระหว่างน้ำมันกับน้ำ โดยเรียงตัวเคียงข้างกันโดยให้หมู่ขั้วหันไปทางน้ำ จึงเกิดเป็นชั้นส่วนต่อประสานที่มีความเสถียรทางกายภาพ คล้ายกับเปลือกแข็งที่คล้ายกับชั้นอนุภาคหรือโครงผลึกพาราฟิน เมื่อมองด้วยตาเปล่า จะปรากฏเป็นเหมือนสารเคลือบที่ห่อหุ้มชั้นส่วนต่อประสาน กลไกนี้อธิบายถึงการเสื่อมสภาพของอิมัลชันน้ำมันดิบและความยากลำบากในการแตกตัวของอิมัลชันเหล่านั้น

ในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมา การวิจัยเกี่ยวกับกลไกการแยกตัวของอิมัลชันน้ำมันดิบส่วนใหญ่มุ่งเน้นไปที่การตรวจสอบกระบวนการรวมตัวของหยดน้ำมันในระดับละเอียด และผลกระทบของสารแยกอิมัลชันต่อคุณสมบัติทางรีโอโลยีของพื้นผิวสัมผัส อย่างไรก็ตาม เนื่องจากปฏิกิริยาของสารแยกอิมัลชันต่ออิมัลชันมีความซับซ้อนมาก และถึงแม้จะมีการศึกษาอย่างกว้างขวางในสาขานี้ แต่ก็ยังไม่มีทฤษฎีที่เป็นเอกภาพเกี่ยวกับกลไกการแยกอิมัลชันเกิดขึ้น

ปัจจุบันมีการยอมรับกลไกหลายอย่าง:

 ③ กลไกการละลาย – โมเลกุลเดี่ยวหรือโมเลกุลเพียงไม่กี่โมเลกุลของสารแยกอิมัลชันสามารถก่อตัวเป็นไมเซลล์ได้ ขดโมเลกุลขนาดใหญ่หรือไมเซลล์เหล่านี้จะละลายโมเลกุลของสารทำให้เกิดอิมัลชัน ส่งผลให้การตกตะกอนของน้ำมันดิบที่เป็นอิมัลชันแตกตัวออก

 ④ กลไกการพับและเปลี่ยนรูป – การสังเกตด้วยกล้องจุลทรรศน์เผยให้เห็นว่าอิมัลชันแบบน้ำในน้ำมัน (W/O) มีชั้นน้ำสองชั้นหรือหลายชั้น โดยมีชั้นน้ำมันคั่นอยู่ระหว่างชั้นน้ำเหล่านั้น ภายใต้ผลกระทบร่วมกันของความร้อน การกวน และการทำงานของสารแยกอิมัลชัน ชั้นภายในของหยดน้ำมันจะเชื่อมต่อกัน ทำให้เกิดการรวมตัวของหยดน้ำมันและเกิดการแยกอิมัลชัน

นอกจากนี้ งานวิจัยภายในประเทศเกี่ยวกับกลไกการแยกอิมัลชันสำหรับระบบน้ำมันดิบที่เป็นอิมัลชันแบบน้ำมันในน้ำ (O/W) ชี้ให้เห็นว่า สารแยกอิมัลชันที่เหมาะสมจะต้องมีคุณสมบัติตามเกณฑ์ต่อไปนี้: มีฤทธิ์ทางพื้นผิวสูง; ประสิทธิภาพในการเปียกที่ดี; พลังในการจับตัวเป็นก้อนที่เพียงพอ; และความสามารถในการรวมตัวเป็นอนุภาคอย่างมีประสิทธิภาพ

สารแยกอิมัลชันมีหลากหลายประเภท โดยแบ่งตามชนิดของสารลดแรงตึงผิว ได้แก่ ชนิดประจุบวก ประจุลบ ไม่มีประจุ และประจุคู่ (zwitterionic)

สารแยกอิมัลชันประจุลบ: คาร์บอกซิเลต ซัลโฟเนต โพลีออกซีเอทิลีนแฟตตีแอซิดซัลเฟตเอสเทอร์ ฯลฯ ข้อเสีย ได้แก่ ต้องใช้ปริมาณมาก ประสิทธิภาพต่ำ และอาจมีประสิทธิภาพลดลงเมื่อมีอิเล็กโทรไลต์อยู่ด้วย

สารแยกอิมัลชันประจุบวก: ส่วนใหญ่เป็นเกลือแอมโมเนียมควอเทอร์นารี—มีประสิทธิภาพสำหรับน้ำมันเบา แต่ไม่เหมาะสำหรับน้ำมันหนักหรือน้ำมันที่เก็บไว้นาน

สารแยกอิมัลชันแบบไม่มีประจุ: โคพอลิเมอร์แบบบล็อกที่เริ่มต้นด้วยเอมีน; โคพอลิเมอร์แบบบล็อกที่เริ่มต้นด้วยแอลกอฮอล์; โคพอลิเมอร์แบบบล็อกเรซินอัลคิลฟีนอล-ฟอร์มาลดีไฮด์; โคพอลิเมอร์แบบบล็อกเรซินฟีนอล-เอมีน-ฟอร์มาลดีไฮด์; สารแยกอิมัลชันที่ใช้ซิลิโคนเป็นพื้นฐาน; สารแยกอิมัลชันที่มีน้ำหนักโมเลกุลสูงมาก; โพลีฟอสเฟต; โคพอลิเมอร์แบบบล็อกที่ดัดแปลง; และสารแยกอิมัลชันแบบซวิตเตอร์ไอออนิก ซึ่งเป็นตัวแทนโดยสารแยกอิมัลชันน้ำมันดิบที่ใช้ไอมีดาโซลีนเป็นพื้นฐาน