亲水性Fe3O4纳米颗粒的制备及其强化油砂分离过程的研究

摘要

随着全球范围内常规化石能源储量的减少，非常规石油能源的开采与利用逐渐成为能源供应的重要一环。最近研究结果表明，纳米颗粒的引入可以有效促进非常规石油能源的回收率。本课题以具有超顺磁性的Fe3O4纳米颗粒为材料基础，在其表面修饰亲水基团聚乙二醇600（PEG600），一方面提高其在水相中的分散性，另一方面利用其亲水性强化沥青从SiO2矿物表面的剥离过程。 由共沉淀法制备得到的Fe3O4纳米颗粒通过表面羟基取代反应修饰PEG600-KH560分子得到PK-Fe3O4纳米颗粒。测试结果显示PK-Fe3O4纳米颗粒单球平均粒径为15.89nm，具有超顺磁性，PK分子约占纳米颗粒总质量的30%，纳米颗粒可以在200℃下稳定存在，分散在碱水中制备的PK-Fe3O4纳米流体平均粒度为105.7nm，可以通过控制外界磁场高效回收与均匀分散。 采用PK-Fe3O4纳米流体（0.2wt%）对加拿大油砂进行浮选萃取，实验结果表明，纳米颗粒的引入可以使沥青回收率（RB）提高约12%，沥青砂粒质量比（B/S）提高0.17。由于纳米颗粒吸附少量沥青组分，随着循环次数的增加，RB与B/S逐渐降低。纳米颗粒利用磁性分离回收，其回收率随着循环次数的提高逐渐升高到70%。 采用QCM-D对PK-Fe3O4纳米颗粒在SiO2矿物表面的吸附脱附性能进行测试，结果表明：通入纳米流体阶段，PK-Fe3O4纳米颗粒能被SiO2矿物表面吸附，而碱水清洗后仍有少量残留在表面，这种吸附作用可以改善矿物表面的润湿性，进而提高沥青回收率。纳米颗粒剥离沥青机理为纳米颗粒规则排布引起的楔形结构压力。除此之外，PK-Fe3O4纳米颗粒可以降低沥青-水界面张力，并有利于提高碱液的黏度，从而促进沥青向流体相传质。

目录

声明

第1章 文献综述

1.1 非常规石油能源加工利用现状

1.1.1 非常规石油概述

1.1.2 非常规石油分离技术

1.1.3 问题分析

1.2 纳米颗粒在重油-矿物分离过程的应用

1.2.1 纳米颗粒

1.2.2 纳米流体

1.2.3 纳米流体强化重油-矿物分离

1.2.4 现阶段存在的不足与解决方法

1.3 功能型纳米颗粒在重油回收过程的研究现状

1.3.1 功能型纳米颗粒综述

1.3.2 亲水性纳米颗粒在重油回收过程的应用

1.3.3 聚合物修饰纳米颗粒在重油回收过程的应用

1.4 课题研究内容

1.4.1 研究内容

1.4.2 研究目标

第2章 亲水性Fe3O4纳米颗粒的制备

2.1 实验药品与仪器

2.2 实验步骤

2.2.1 Fe3O4纳米颗粒的制备

2.2.2 PEG600-KH560的制备

2.2.3 PEG600-KH560在Fe3O4表面的修饰

2.3 表征方法与结果

2.3.1 场发射扫描电镜与场发射透射电镜分析

2.3.2 傅里叶变换红外光谱分析

2.3.3 X射线衍射与X射线光电子能谱分析

2.3.4 磁性特征测试

2.3.5 热重分析

2.3.6 纳米粒度测试

2.4 本章小结

第3章 亲水性Fe3O4纳米颗粒强化重油分离过程

3.1 实验药品与装置

3.2 实验步骤

3.2.1 纳米流体的配制

3.2.2 油砂浮选实验

3.2.3 Dean-Stark含油率测试实验

3.2.4 纳米颗粒回收循环利用实验

3.3 实验结果

3.3.1 纳米流体稳定性评价

3.3.2 沥青回收率RB与沥青泡沫B/S

3.3.3 PK-Fe3O4纳米颗粒回收率

3.4 本章小结

第4章 亲水性Fe3O4纳米颗粒强化重油分离过程机理探究

4.1 实验药品与仪器

4.2 实验步骤

4.2.1 纳米颗粒在矿物表面作用力测试

4.2.2 矿物表面接触角测试

4.2.3 界面张力测试

4.2.4 PK-Fe3O4纳米流体剥离油膜实验

4.2.5 纳米流体与沥青流体形变测试

4.3 本章小结

第5章 结论与展望

5.1 研究结论

5.2 课题展望

参考文献

发表论文和参加科研情况说明

致谢