超聲波在石油化工的使用論文

摘要:簡要概述了超聲波的發展歷程，并對超聲波在石油化工，尤其是在污水處理、除垢、乳化、有機合成、電化學、改善原油性質、強化原油脫鹽脫硫以及分離技術中的應用進行了詳細的介紹。討論了超聲波技術在石油化工中的研究進展，由于其清潔、高效、無污染的特點，將廣泛應用于石油化工領域。

關鍵詞:超聲波;石油化工;脫金屬;乳化

　　超聲波是指頻率高于20000Hz的彈性波，其有波長短、能量集中等特點。超聲波的熱作用、機械作用和空化作用，能引起一連串的化學、熱學和力學等方面的改變。美國學者Ｒichard和Loomis于1920年首次發現超聲波可以促進汞的分散、氯化銀的絮凝等［1］;1927年，由Loomis第一次提出超聲波化學的概念。1986年，哈威爾研究所首次于化工領域使用超聲波，成立超生化學協會。1994年，關于超聲波的學術刊物《UltrasonicsSonochemistry》公開發行。2014年6月1日至8日，第十四次歐洲聲化學會議(ESS14)在法國阿維尼翁大學舉行，探討了化學反應機理、氣泡動力學等基礎聲化學方面的問題和食品聲化學、化學催化劑等應用聲化學方面的研究。在超聲波的早期應用中，其更多應用于有機合成、聚合物化學、電化學等方面。作為一種新興的手段，其成本低廉、應用范圍大、操作過程方便，被廣泛應用于石油化工領域。

1超聲波技術應用

　　1．1超聲波處理污水

　　迄今，水污染問題日益嚴峻，其根本原因在于隨意排放污染物多、組成復雜的工業廢水和有機物含量高的生活污水。常見的廢水處理技術，如活性炭法、有機溶劑脫脂法、浮選法、膜法等都存在某些問題，并不能很好的達到預期目標。經過超聲波作用后的膜生物反應器能夠顯著提高水的凈化效率，劉紅等［2］經實驗證實10W的超聲波作用效果最為明顯，凈化效率提升的幅度最大。對于低溫和常溫下超聲波對污水中生物的處理效果，進一步的探索表明:在低溫時，超聲波作用后，污泥活性可以增加30%，較常溫下超聲波的作用效果更明顯［3］。Tian等［4］通過堿和超聲波(ALK+ULS)的協同作用處理污水，能夠使生物降解能力提高37．8%，可溶性腐殖酸類微生物排放量顯著增加。楊鐵金等［5］將超聲波與H2O2處理污水法相結合，可以大大降低氨氮含量，并將黑色的污水變為淺黃色。Ping［6］課題組的研究結果表明，與金剛烷胺制藥廢水的處理方法相比，Fenton/超聲波聯合作用能夠更有效的處理廢水中的有機物，尤其是含苯環的有機物。Abramov等［7］使用超聲波處理油污，得到水的凈化劑。利用超聲波的空化作用，姜秉辰等［8］對被工業污染的水進行了一系列實驗，結果表明:頻率相同時，超聲波功率越大，污水黏度降低得越多，復雜油分子的裂解先增多后減少，隨著超聲波作用時間的增加，污水的裂解效果和黏度不斷下降。王秀蘅等［9］將超聲波與膜生物反應器結合，能夠有效降低水質的化學需氧量(COD)。Kotowska等［10］結合了超聲波輔助乳化-萃取方法和氣相色譜質譜(GC-MS)，檢測并處理城市污水中的氯，在處理含量0．06～551．96μg/L的酸性化合物和0．03～102．54μg/L的酚類化合物的污水時，去除率分別達到了85%和99%。

　　1．2超聲波合成有機物

　　超聲波可以使合成反應的'條件更溫和、效率更高、時間更短。張素風等［11］通過超聲波水解膠原蛋白合成施膠劑，超聲波處理后的膠原蛋白分子結構不變，分子變小且分布均勻。安琳［12］通過超聲波輻射，由叔丁基杯［n］芳烴制備磺化杯［n］芳烴。熊利芝等［13］通過超聲輻射，合成糠酸正丁酯，與傳統方法相比較，超聲波合成有機物具有用時短，收率高、能耗低等特點。Shabalala等［14］通過超聲波輻射合成吡唑，避免了傳統色譜法中純化的步驟，其選擇性高、無副產物。

　　1．3超聲波電化學

　　超聲波可以提高電流效率，改善電路微觀分布，還能影響電沉積過程中的金屬鍍層。盛敏奇等［15］通過超聲波作用可以提高Co-Ni合金層平整度，與傳統方法相比，其沒有裂紋、硬度變大、腐蝕性高。有研究表明通過超聲波輔助化學電鍍，在室溫下進一步活化合成亞微米級的Co-Al2O3，隨著粉末負載的增加，Co-Al2O3相對含量降低。Lili等［16］在泡沫炭上用真空法和超聲波協同無電鍍銅，泡沫炭內壁及表面涂層均勻，其機械性能明顯改善。超聲波與電化學的協同作用還可以合成納米材料。通過超聲波作用合成的納米Ni(OH)2有α和β相混合結構［17］。張仲舉等［18］將超聲波與共沉淀法協同作用制備α-Ni(OH)2，實驗表明，該方法制備的樣品化學性能更好，放電比容量更大。

　　1．4超聲波除垢、清洗技術

　　超聲波除垢技術具有安全、可靠、高效等特點，近年來已廣泛應用于各種換熱器中［19］。例如，大港石化公司在油漿換熱器中應用超聲波在線除垢技術，該技術可以使油漿換熱器的傳熱系數大幅度增加，運行周期有所延長，汽包發汽量增加0．404t/h，油漿系統的運行狀況得到了較大改進［20］。超聲波由于空化作用產生的微射流能夠不斷沖擊物體表面，使得污垢難以在表面附著，Chang等［21］將超聲波應用于一種數碼設備清洗過程中，并設計和制作了一個多功能的超聲波清洗系統，極大的提高了清洗效率。對于超聲波參數與除垢效果的相關性，黃磊落等［22］經實驗證明，隨著超聲波功率和流體流速的增加，除垢效果越來越好，當流體溫度為60℃時，除垢效果最佳。

　　1．5超聲波的乳化作用

　　超聲波的乳化是指在超聲波作用下，使兩種或兩種以上的不相溶液體以及其微小的液滴均勻的分布在另一種液體中形成的乳狀溶液的過程。李博等［23］通過超聲波-機械攪拌聯合乳化重質油工藝，研究影響乳化重油中分散相(水)的分散度的因素。結果表明:聯合法乳化重油比超聲波法乳化的重油分散度高。使用超聲波乳化技術可以洗煤，Sahino-glu等［24］實驗表明，超聲波作用后，灰分和黃鐵礦含量顯著降低。Lemos等［25］利用一種基于超聲波輔助乳化微萃取的火焰原子吸收光譜法進行鎳的測定，該方法簡單、經濟、快速、高效，被用于測定參考材料和水中的鎳。近十年，超聲波乳化應用于越來越多的方面，其在食品、涂料、高分子聚合以及液-液不相溶液體反應等方面都具有重要影響。例如，Tonanon等［26］利用超聲波的乳化作用得到一種亞微米級的介孔碳球，其表面紋理和介孔性能較機械乳化法制得的碳球有明顯改變，且其尺寸更小、數量更多。Gashti等［27］使用超聲波輻射軟水劑，發現其乳化作用可以提高軟水劑的分散性。目前，大部分研究都屬于工業應用研究，對于其乳化機理的理論研究較少，這將是未來的研究熱點問題。