破乳剤の原理とその用途

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この投稿は、2016年6月2日11時59分にsdos34によって最終的に編集されました。
破乳剤の原理とその用途
破乳剤とはDemulsifierのことです。一部の固体は水に溶けにくいため、これらの固体が1種類または複数種類、水溶液中に多量に存在すると、水流や外部からの力によってかき混ぜられることで、これらの固体が水の中で乳化状態となり、乳濁液が形成されます。理論的にはこの系は不安定だが、界面活性剤（土壌粒子など）が存在し、乳化状態が極めて進行して両相の分離が困難になる場合がある。最も典型的な例は、油水分離における油水混合物や、汚水処理における水油混合物であり、こうした両相間には比較的安定した水包油または油包水構造が形成される。その理論的根拠は「二重電層構造」である。 この場合、安定した二重電層構造や乳化系を破壊するために薬剤を添加し、二相分離を達成する。乳化作用を破壊するために使用されるこれらの薬剤は、破乳剤と呼ばれます。 主な用途　破乳剤は界面活性物質であり、乳化状態の液体構造を破壊し、乳化液内の各相を分離させる目的で使用されます。原油の脱乳とは、脱乳剤の化学的作用を利用して乳化状態にある油水混合物から油と水を分離し、原油の脱水を図ることで、原油の輸送時の水分含有基準を満たすことを指します。 有機相と水相を効果的に分離する最も簡単な方法の一つは、乳化剤を使用して乳化を解消し、ある程度の強度を持つ乳化界面をなくすことで、二相を分離させることである。しかし、異なる破乳剤の有機相に対する破乳能力は異なり、破乳剤の性能が二相分離の効果に直接影響を与える。ペニシリンの製造過程において、重要な工程の一つは、有機溶剤（例えばブチルアセテート）を用いてペニシリン発酵液からペニシリンを抽出することです。発酵液にはタンパク質、糖類、菌糸体などの複雑な成分が含まれているため、抽出時に有機相と水相の界面が不明瞭になり、ある程度の強度の乳化領域が生じ、最終製品の収率に大きな影響を与えます。そのためには乳化剤を用いて乳化を破壊し、乳化現象を除去して、二相が迅速かつ効果的に分離されるようにしなければならない。 一般的な破乳剤 現在、油田でよく使用されている非イオン系の破乳剤には、主に以下のものがあります：1. SP型破乳剤 SP型破乳剤の主成分はポリオキシエチレンポリオキシプロピレンオクタデセノールエーテルで、その理論的な構造式はR(PO)x(EO)y(PO)zHです。ここで、EOとはポリオキシエチレンのことです；PO-ポリオキシプロピレン；R-脂肪アルコール；x、y、z－重合度。SP型破乳剤は淡黄色のペースト状の物質で、HLB値は10～12で、水に溶ける。SP型非イオン系破乳剤は、パラフィン系原油に対して優れた破乳効果を示す。その疎水部は炭素12～18の炭化水素鎖で構成され、親水基は分子内のヒドロキシ基（-OH）、エーテル基（-O-）を介して水と水素結合を形成することにより親水性を持つようになる。ヒドロキシ基やエーテル基の親水性は弱いため、1つか2つのヒドロキシ基やエーテル基だけでは、炭素12～18の炭化水素鎖からなる疎水基を水中に引き込むことはできず、水溶性を得るためには多数のこのような親水基が必要である。非イオン系破乳剤の分子量が大きく、分子鎖が長く、含まれるヒドロキシ基やエーテル基が多いほど、その引っ張り力は強くなり、原油のエマルジョンを破乳する能力も高くなる。SP型破乳剤がパラフィン系原油に適しているもう一つの理由は、パラフィン系原油にはゲル分やアスファルテンが含まれていないかごくわずかであり、親油性の界面活性剤成分も少なく、比重が小さいからである。ガム質やアスファルテン含有量が高い（または水分含有率が20％を超える）原油に対して、SP型の破乳剤の破乳能力は弱くなる。その理由は、分子構造が単純で分岐構造や芳香族構造を持たないためである。 2. AP型破乳剤 AP型破乳剤は、ポリエチレンポリアミンを開始剤とするポリオキシエチレンポリオキシプロピレンポリエーテルで、多分岐型の非イオン系界面活性剤である。分子構造式は：D(PO)x(EO)y(PO)z Hであり、ここでEOはポリオキシエチレンである；PO-ポリオキシプロピレン；R-脂肪アルコール；D-ポリエチレンアミン：x、y、z-重合度。 AP型構造の破乳剤は、パラフィン系原油のエマルジョンの破乳に用いられ、SP型破乳剤よりも効果が優れています。また、原油の水分含有率が20％を超える原油の破乳に適しており、低温条件下でも迅速な破乳効果を発揮します。SP型の脱乳剤が55～60℃で2時間かけて脱乳するのに対し、AP型の脱乳剤は45～50℃で1.5時間で脱乳できる。これはAP型破乳剤分子の構造的特徴によるものです。開始剤であるポリエチレンポリアミンが分子の構造形態を決定し、分子鎖が長く分岐も多いため、分子構造が単純なSP型破乳剤よりも親水性が高い。多枝鎖構造という特徴により、AP型破乳剤は高い濡れ性と浸透性を持っています。原油のエマルションを破乳する際、AP型破乳剤の分子は迅速に油水界面膜内に浸透し、SP型破乳剤の分子が形成する直立した単分子膜よりもより多くの表面積を占めるため、使用量が少なくても顕著な破乳効果が得られます。現在、この種の破乳剤は大慶油田でよく使用されている非イオン系の破乳剤です。 3. AE型破乳剤 AE型破乳剤は、ポリエチレンポリアミンを開始剤とするポリオキシエチレンポリオキシプロピレンポリエーテルで、多分岐型の非イオン系界面活性剤です。AP型破乳剤と比べて異なる点は、AE型破乳剤が二段階型のポリマーであり、分子が小さく側鎖が短いことである。分子構造式は：D(PO)x(EO)yHで、ここで：EO＝ポリオキシエチレン、PO＝ポリオキシプロピレン、D＝ポリエチレンポリアミン；x、y -重合度。 AE型破乳剤とAP型破乳剤は分子の構造に大きな違いがあるものの、分子構成は同じであり、単量体の使用量や重合の順序に差があるだけである。 （1）2種類の非イオン系破乳剤は、設計合成時に頭部と尾部の使用量が異なるため、生成される重合分子の長さも異なる。 （2）AP型破乳剤の分子は二段式であり、ポリエチレンポリアミンを開始剤としてポリオキシエチレンおよびポリオキシプロピレンと重合させてブロック共重合体を形成する。AE型破乳剤の分子も二段式であるが、ポリエチレンポリアミンを開始剤としてポリオキシエチレンおよびポリオキシプロピレンと重合させて二段共重合体を形成するため、設計されるAP型破乳剤の分子はAE型破乳剤の分子よりも長くなる。 AE型は2段多枝構造の原油用破乳剤で、アスファルテン質原油の乳化液の破乳にも同様に適している。アスファルト系原油に含まれる親油性界面活性剤の量が多いほど、粘度は高くなり、油と水の密度差が小さくなるため、乳化が起きにくくなる。また、AE型破乳剤を使用すると破乳速度が速く、同時にAE型破乳剤は優れたワックス防止・粘度低下剤でもある。その分子の多枝構造により、微細なネットワークが容易に形成され、原油中に既に存在するパラフィン単結晶がこれらのネットワークに捕捉される。これによりパラフィン単結晶の自由な動きが妨げられ、互いに結合することができず、パラフィンの網目構造が形成される。その結果、原油の粘度や凝固点が低下し、ワックス結晶の凝集が防がれることで、ワックス防止の目的が達成される。 4. AR型破乳剤 AR型破乳剤は、アルキルフェノール樹脂（AR樹脂）とポリオキシエチレン、ポリオキシプロピレンを組み合わせた新種の油溶性非イオン系破乳剤で、HLB値は4～8程度であり、破乳温度は35～45℃という低い温度で可能です。分子構造式は：AR(PO)x(EO)y Hで、ここで：EOはポリオキシエチレンです；PO-ポリオキシプロピレン；AR樹脂；x、y、z－重合度。 AR樹脂は、合成破乳剤の過程において開始剤として機能すると同時に、破乳剤の分子内に入り親油基となる。AR型破乳剤の特徴は、分子サイズが小さく、原油の凝固点が5℃を超える状況下でも優れた溶解・拡散・浸透効果を発揮し、乳化した水滴を凝集・集合させることができる点です。また、45℃以下で45分以内に、水分含有率が50％～70％の原油から水分の80％以上を除去できるのも特長であり、これはSP型やAP型の破乳剤では達成できないことです。