某菌株所產表面活性劑對原油乳化性能研究

2021-07-17 02:25:58曹海偉

油氣田環境保護 2021年3期

任鵬姬偉曹海偉邱奇

(1.中國石油長慶油田分公司油氣工藝研究院；2.中國石油長慶油田分公司第九采油廠)

0 引言

微生物在油泥污染修復中發揮著關鍵作用，是生物修復的主力[1-2]；某些特定的微生物可產生表面活性劑，可減小水溶液界面張力，使油相在水相中分散，增加烴類化合物在水中溶解度，從而使烴類污染物被快速運輸到細胞內進行降解[3-4]。微生物所產生的表面活性劑有多種，如糖脂、脂肽、多糖-脂類復合物、磷脂、脂肪酸和中性脂[5-6]，與化學合成的表面活性劑相比，生物表面活性劑具有低毒性，易生物降解和極端環境的高選擇性等優良特性[7-8]。

本研究以菌株Da-6產生的表面活性劑(以下簡稱BH)為研究對象，分別與市售表面活性劑在臨界膠束濃度(CMC)、乳化性能、排油能力和洗脫效果等方面進行對比實驗，研究BH表面活性的影響因素，以期驗證表面活性劑BH在提高微生物對石油降解能力的基礎上，可以保持對環境的低毒性，從而為油泥生物處理起到增效作用。

1 材料與方法

1.1 實驗材料

實驗菌株：從北部某油田某井場油泥中篩選出一株可以產生高效生物表面活性劑的菌株Da-6，經項目組前期鑒定為黃單胞菌屬(Xanthomonassp.)。

油泥樣品：取自北部油田某采油井場油泥處理站處理后油泥尾渣，含油率為8%～10%，實驗用油泥含油率實測值為8.25%。

實驗儀器：SF-TGL-16M冷凍離心機(上海菲恰爾分析儀器有限公司)，GF254硅膠板100 mm×150 mm(煙臺維啟化工產品有限公司)，JK99c表面張力儀(賽多利斯科學儀器有限公司)，JT-OIL460紅外分光光度計(天津市精拓儀器科技有限公司)。

LB培養基：胰蛋白胨10 g，酵母提取物5 g，NaCl 10 g，去離子水1 000 mL，pH值7.0。

發酵培養基：原油3.0 g，NH4NO32.5 g，MgSO44.0 g，KH2PO44.0 g，NaCl 2.0 g，酵母膏0.5 g，K2HPO44.0 g，微量元素液5.0 g(ZnSO40.29 g，CaCl20.24 g，CuSO40.25 g，MgSO40.17 g)，去離子水1 000 mL，pH值7.0。

以上培養基均121℃高壓滅菌20 min。

表面活性劑：全面了解表面活性劑的種類、性質、類別等情況，選取幾種表面活性劑，見表1。

表1 表面活性劑特性

1.2 實驗方法

1.2.1 發酵液制備

將斜面保藏的Da-6菌株活化，制成菌懸液后吸取0.1 L轉接至0.9 L發酵培養基中，35℃、160 r/min恒溫振蕩48 h，形成發酵液。

1.2.2 表面活性劑BH的提取與定性分析

取1 L發酵液于冷凍離心機中以6 000 r/min離心20 min后去除菌體，取上清液，滴加6 mol/L HCl調節pH值至2.0，4℃靜置過夜后，再以6 000 r/min離心20 min，靜置后收集沉淀物，用1 mol/L的NaOH溶液調節其pH值至中性。用二氯甲烷萃取3次，合并有機相于40℃旋轉蒸發，最后將產物在冷凍干燥機中進行干燥，即得表面活性劑粗品。

用3 mL二氯甲烷將表面活性劑粗品溶解，點樣于硅膠板進行TLC分析，再用氯仿、甲醇、水體積比為13∶5∶4的溶液展開，滴加不同顯色劑，觀察顯色結果。結果表明，溶液遇0.5%茚三酮顯色劑顯紅紫色，說明該表面活性劑為脂肽類表面活性劑。

1.2.3 表面活性劑性能研究

1)臨界膠束濃度(CMC)：將表面活性劑BH、鼠李糖脂、吐溫80和SDS分別配制成0，15，25，35，45，55，65 mg/L濃度，用1 mol/L的NaOH溶液調節pH值為7.0，完全溶解后測定其表面張力，以表面活性劑溶液濃度為橫坐標，以表面張力值為縱坐標，作出臨界膠束濃度(CMC)曲線。出現拐點所對應的橫坐標即為表面活性劑的CMC。

2)乳化實驗[9]：分別取5 mL濃度為100 mg/L的BH、鼠李糖脂、吐溫80和SDS于試管中，同時分別加入等體積的原油，充分振蕩、靜置。分別測定其不同時間(0，12，24，36，48，60，72 h)的乳化層高度，根據公式(1)計算乳化指數。

E=H乳/H總×100%

(1)

式中：E為乳化指數，%；H乳為乳化層的高度，cm；H總為液體總高度，cm。

3)排油能力實驗[10]：分別配制不同濃度的BH、鼠李糖脂、吐溫80和SDS(0，25，50，75，100，125，150，175，200 mg/L)表面活性劑溶液，取直徑為90 mm的培養皿，在其中加入10 mL去離子水，之后在培養皿中央滴加200 μL原油，待原油以圓的形式擴散至鋪滿水面的油膜后，加1滴表面活性劑溶液到油膜的中心，油膜以圓圈的形式向四周擴散，測量不同濃度的表面活性劑溶液的排油圈直徑，圓圈直徑越大說明表面活性劑排油能力越強，即活性越高[11]。

4)洗脫實驗：分別取20 mL的BH、鼠李糖脂、吐溫80和SDS溶液(濃度為臨界膠束濃度)于100 mL的錐形瓶中，向錐形瓶中分別加入5 g滅菌的油泥樣品，每2 h取一次樣，采用石油醚萃取-紅外分光光度法測定錐形瓶中石油含量，計算各表面活性劑對油泥的洗脫率。

1.2.4 不同因素對BH表面活性的影響

配制濃度為25 mg/L的BH溶液，將溶液分別置于不同溫度(10，20，40，60，80，100，120℃)條件下處理2 h，冷卻至室溫后測其表面張力。

在濃度為25 mg/L的BH溶液中加入NaCl，使其濃度分別為0%，4%，8%，12%，16%，20%，24%，28%，并測其表面張力。

用1 mol/L HCl溶液和1 mol/L NaOH溶液將25 mg/L的BH溶液分別調節成不同pH值(2，3，4，5，6，7，8，9，10，11，12，13)，并測其表面張力。

2 結果與分析

2.1 表面活性劑BH的TLC分析

依次在硅膠板上滴加不同顯色劑后，顯色反應見圖1。

圖1 BH薄層層析顯色反應

如圖1所示，在硅膠板上(數字1處)滴加苯酚-硫酸和溴百里香酚藍-氫氧化鈉后，無顏色反應，滴加0.5%茚三酮后，出現一個紅紫色斑點(數字2處)，故初步判定所產生的表面活性劑是脂肽類物質。

2.2 表面活性劑性能研究

2.2.1 CMC測定

陳露等[12]研究表明表面活性劑可使蒸餾水表面張力值降低。本研究將BH、鼠李糖脂、吐溫80和SDS稀釋成不同濃度后測定其表面張力，結果見圖2。

圖2 表面張力測定結果

由圖2可知，當BH濃度增加到25 mg/L時，表面張力值最低，達到飽和值，因此可確定BH的CMC為25 mg/L，其表面張力穩定在25.98 mN/m。鼠李糖脂的濃度為35 mg/L時，表面張力最低達到飽和值，為30.19 mN/m。在實驗濃度范圍內，吐溫80和SDS的表面張力曲線一直處于下降趨勢，并未出現“拐點”，說明吐溫80和SDS的CMC大于65 mg/L。由此可知，BH在達到CMC所需表面活性劑濃度方面要遠遠優于化學表面活性劑吐溫80和SDS，略優于生物表面活性劑鼠李糖脂。

2.2.2 乳化性能測定

各表面活性劑在不同時間內(0，12，24，36，48，60，72 h)乳化指數變化見圖3。

圖3 表面活性劑乳化實驗測定結果

由圖3可知，乳化指數隨著時間增加而逐漸減小，并在某個時間處于平穩狀態。BH在24 h時，乳化指數明顯下降至71.93%，72 h內乳化指數一直保持在70%左右，乳化比較穩定，乳化性能較好。鼠李糖脂在24 h時，乳化指數下降至69.64%，之后乳化指數保持在66%左右，而吐溫80、SDS隨著時間的增加，乳化指數分別保持在50%，46%左右。表明BH與其他3種表面活性劑相比，乳化穩定性高，乳化性能好。

2.2.3 排油性能測定

各表面活性劑所產生排油圈的直徑見圖4。

圖4 表面活性劑排油圈直徑對比

據文獻[4]表明，表面活性劑排油性能可以用排油圈直徑大小來反映。由圖4可知，在不同濃度下，BH、鼠李糖脂、吐溫80和SDS排油圈直徑隨著濃度的增大而增大。在相同濃度下，4種表面活性劑的排油圈直徑大小為：BH>鼠李糖脂>吐溫80>SDS。如在濃度均為200 mg/L時，BH排油圈直徑為81.0 mm，鼠李糖脂為72.7 mm，吐溫80為64.3 mm，SDS為58.3 mm，說明菌株Da-6產生的表面活性劑BH具有良好的排油性能。

2.2.4 油泥增溶實驗結果

表面活性劑能夠使附著在油泥顆粒中的石油烴洗脫下來供微生物利用和轉化，間接提高微生物利用石油烴的效率，增強微生物降解石油能力。因此對4種表面活性劑BH、鼠李糖脂、吐溫80和SDS進行增溶對比實驗，其結果見圖5。

圖5 表面活性劑對原油增溶效果比較

由圖5可知，洗脫率隨著時間的增加不斷增大，基本在12 h達到穩定，洗脫結束。4種表面活性劑洗脫效果比較：BH>鼠李糖脂>吐溫80>SDS。BH的增溶率在12 h達到最大洗脫率90.23%，而鼠李糖脂的洗脫率在12 h最大為86.42%，吐溫80的洗脫率在10 h達到最大，為75.80%，SDS在12 h為最大，洗脫率為72.84%，說明菌株Da-6自身產生的表面活性劑BH的增效作用明顯優于其他3種表面活性劑，并且和化學表面活性劑相比，具有對環境無毒無污染的優點，與文獻[13]得到的結果相同。這為BH用于后期油泥處理奠定了理論基礎。

2.2.5 不同因素對BH表面活性的影響

根據不同溫度、NaCl濃度及pH值對BH表面活性的影響，評價BH的穩定性。結果見圖6、圖7、圖8。