生物表面活性劑穩定的納米鐵溶膠的制備與破乳性能評價*

鄒 靜，胡語婕，佘躍惠，張 凡，黃培秀，曲瑞雪，王正良

（1.長江大學化學與環境工程學院，湖北荊州 434100；2.長江大學石油工程學院，湖北武漢 430100；3.中國地質大學（北京）能源學院，北京 100083；4.非常規油氣湖北省協同創新中心，湖北武漢 430100）

0 前言

在石油和石化行業中，各種破乳劑受到極大的關注［1］。油水乳化液在運輸過程中會加快管道腐蝕［1-3］，并在石油煉制精煉過程中導致催化劑中毒［4-11］。在許多行業中，特別是在石油和天然氣行業，破乳是非常重要的。已有很多關于物理和化學處理破壞高度穩定的乳液并實現油水分離的研究［5，12-20］，但物理方法昂貴，化學方法污染嚴重。因此，需要找到經濟且環保的破乳方法和破乳劑，以實現工業化應用。

近年來，磁性納米粒子作為破乳劑應用的研究進展迅速［21］。磁性納米粒子對外部磁場快速響應，容易被磁力從復雜的環境中分離出來，因此其在處理含油廢水方面受到了很大關注［6，22-29］。用溶劑熱合成法獲得的磁性納米粒子已很好地應用于乳化油水混合物的處理和分離［21］。Li 等［30］通過該方法合成了Fe3O4磁性納米粒子，實現了石油和水的分離。溶膠-凝膠法通常對合成溫度的要求不高，比物理方法經濟［31］。研究表明，溶膠-凝膠法能很好地控制納米材料的形狀和大?。?2-34］。

雖然納米顆粒的應用取得了一些進展，但在控制納米顆粒尺寸、穩定性、形狀和分散性方面仍面臨挑戰，因為納米顆粒的聚集影響了它們的高比表面積、高反應活性和殺菌性能［35-36］。現已有各種化學表面活性劑，如十二烷基硫酸鈉（SDS）［37-38］和聚乙烯吡咯烷酮（PVP）［39］被用作納米顆粒的穩定劑。盡管化學合成的表面活性劑和聚合物的應用廣泛，但其為石油衍生產品，很難被生物降解，會對環境和生物造成危害［36，40］。使用生物表面活性劑作為封端劑是制造可持續、環保、具有生物相容性的金屬納米粒子的良好方法［36，41-42］。此外，生物表面活性劑具有生物相容性、低毒性及可在極端條件下應用的優點［36］。

本文研發了一種新的適用于油田污水破乳的新型綠色破乳藥劑。將溶劑熱法和溶膠凝膠法相結合，以銅綠假單胞菌發酵離心后的上清液為分散劑和穩定劑，上清液內含的活性成分生物表面活性劑為封端劑和分散劑，制備納米級鐵溶膠，在制備納米金屬氧化物的同時完成生物表面活性劑的包覆，使納米顆粒有效分散，提高穩定性。

1 實驗部分

1.1 材料與儀器

實驗室自分離菌株T，屬于銅綠假單胞菌，好氧菌屬，在特定發酵培養基中產生物表面活性劑；水合檸檬酸（C6H8O7·H2O）、十二烷基硫酸鈉（SDS）、NaCl、CaCl2、MgCl2、Na2SO4、NaHCO3，分析純，上海國藥集團化學試劑有限公司；九水合硝酸鐵（Fe（NO3）3·9H2O），分析純，上海晶純生化科技股份有限公司；潿洲上岸油水混合物；發酵培養基，將20 g 蔗糖、7 g L-谷氨酸鈉、6.8 g KH2PO4、0.5 g KCl、0.2 g MgSO4、11 mg FeSO4、0.5 mg MnSO4、0.09 mg ZnSO4、0.07 g CuSO4、1.4 g NaOH溶于1 L去離子水中，調節pH=7。

THZ-C 恒溫搖床，常州金壇宏華儀器廠；HD-1360超凈工作臺，河南信陵儀器設備有限公司；LS-B50L 立式壓力蒸汽滅菌器，江陰濱江醫療設備廠；H2050R 高速離心機，湘潭湘儀儀器有限公司；BSA224S電子分析天平，賽利斯科學儀器（北京）有限公司；PT-9030G 烘箱，廣東普賽特電子科技股份有限公司；Zeiss SIGMA 場發射掃描電子顯微鏡（SEM），英國卡爾蔡司公司；傅立葉紅外光譜分析儀（FTIR），美國Thermo公司；Bettersize2600激光粒度分布儀（濕法），深圳市力達信儀器有限公司；Zetasizer Nano ZSP納米粒度電位儀，英國馬爾文儀器有限公司；銳影Empyrean 粉末X 射線衍射儀（XRD），荷蘭帕納科公司；XH-C 渦旋混合器，金壇區白塔新寶儀器廠；HH.B11-500 電熱恒溫培養箱，天津市中環實驗電爐有限公司；ALPHA1-2 真空冷凍干燥機，德國Chtist公司。

1.2 實驗方法

（1）納米級鐵溶膠的制備

將特定發酵培養基在滅菌鍋中于121 ℃下滅菌15 min，然后在超凈臺中接種菌株T，接種量為2%（體積分數）。將接種后的錐形瓶放入搖床中培養，培養條件為37 ℃、150 r/min、培養時間6 d。取發酵液以10 000 r/min 轉速離心10 min 除去菌體，留上清液備用。

在100 mL 蒸餾水中加入3.84 g C6H8O7·H2O 和4 g Fe（NO3）3·9H2O，90 ℃水浴鍋中持續老化16 h，與大氣接觸，合成鐵溶膠。分別將水替換成20%～100%T 發酵上清液，觀察其是否影響產物形貌和尺寸［43］。

（2）納米級鐵溶膠的表征

SEM測試。用無水乙醇對溶膠產物進行洗滌，每次洗滌后以4000 r/min 轉速離心10 min，共3 次。離心結束后取少量樣品滴加于拋光的硅片上，室溫下置于空氣中數分鐘晾干，用SEM觀察樣品的形貌。

粒度和Zeta 電位測定。用無水乙醇洗滌以不同濃度發酵上清液作為溶劑制備的溶膠產物，4000 r/min 離心，重復3 次，取洗滌完成的樣品進行Zeta電位測試；用超聲波分散產物5 min，取樣進行粒度測試。

FTIR測試。取適量樣品于敞口玻璃瓶中，在烘箱中105 ℃干燥2 d，用FTIR 在4000～400 cm-1范圍進行掃描。

XRD測試。將產物置于105 ℃干燥箱中烘干，得到粉末制品，用XRD進行廣角掃描測試。

活性成分定量。根據T菌發酵上清液的紅外光譜結果，確定用于合成鐵溶膠的T 菌發酵上清液中的活性成分，并根據標準物質進行定量。

（3）破乳脫水率的測定

在1 L蒸餾水中加入17.787 g NaCl、1.143 CaCl2、0.864 MgCl2、0.133 Na2SO4、0.551 NaHCO3，配制成模擬地層水。稱取微熱后呈液體狀態的潿洲上岸油水約400 mg，與1 L 模擬地層水混合均勻制得模擬污水。將各合成的干燥好的溶膠分別以400 mg/L的量加入乳化油水混合物中，其中空白組污水不加任何藥劑，T組只加T菌發酵液離心后的上清液（仍按400 mg/L加量）。用渦旋儀震蕩5 min，室溫下靜置24 h，觀察脫出水色澤。根據石油天然氣行業標準SY/T 5281—2000《原油破乳劑使用性能檢測方法（瓶試法）》，記錄脫水量和乳液中水的總量，計算破乳劑的脫水率［44］。

（4）破乳條件優化

破乳劑用量和渦旋時間不變，選取以上破乳實驗脫水率最高的破乳劑組，縮短破乳實驗時間至10、20、30 min，探索在恒定低溫（10～30 ℃）下南海終端現場乳狀液污水的破乳效果。

2 結果與討論

2.1 發酵液濃度對鐵溶膠的影響

根據不同濃度發酵液作溶劑反應產物的結果，可以看出空白組、20%、40%、60%發酵液組產物的顏色均為紅黑色，主要組成成分相似，而80%和100%發酵液組產物的顏色分別為磚紅色和卡其色，與前4組成分大不相同，表明發酵液作為溶劑，對溶劑熱法合成鐵溶膠產生了較大影響，且濃度改變，產物溶膠物質組分也發生改變。

2.2 表征結果

2.2.1 掃描電鏡結果分析

以5 K倍放大，由圖1可見，空白組中未加入發酵上清液，其產物為不規則形貌，表面較光滑，長徑大于10 μm，體積較大。當溶劑為60%T發酵液時，用溶膠凝膠法合成的產物粒徑為400～600 nm，主要為球形，大小不一致，上百個小顆粒聚集成為團簇，團簇間存在空洞使得顆粒分布不均一。當溶劑為80%T 發酵液時，用溶膠凝膠法合成的產物粒徑可以達到200 nm左右，大量納米小球被一層膜包裹緊密排列在一起，分散在溶膠中，顆粒間無明顯孔隙，說明鐵顆粒之間的分散程度可能與發酵液濃度有關。加入了100%T 發酵液制成的鐵溶膠基本為類似于球狀的小顆粒，產物形貌較一致，且這些小球均包裹著一層薄膜，成百上千個聚結在一起，呈大團簇狀態，小球粒徑基本全部在40～200 nm范圍內。由此可見，該發酵液對納米材料的合成產生了誘導和分散作用。這可能是由于細菌代謝物對鐵溶膠的形貌和尺寸產生了影響，濃度越高，產生的納米顆粒平均粒徑越小，顆粒表面包覆的有機膜越厚，無水乙醇難以洗脫，納米材料不易聚集。鐵納米材料表面的膜可能不是普通的物理包覆，而是通過化學鍵接枝聚合相連，或已形成新的共聚物。

圖1 不同濃度發酵液作為溶劑的產物SEM圖

2.2.2 粒徑和Zeta電位分析

由表1 可見，空白組和20%發酵液組的產物平均粒徑均大于1 μm，空白組甚至達到27.5 μm，與該組SEM圖顯示結果較一致；而20%發酵液組產物的平均粒徑為5.3 μm；40%、60%、80%、100%發酵液組產物的平均粒徑均在700 nm 左右，與SEM 測定結果不太一致。這可能由于包覆的有機膜難以在超聲波下分散開，因此測得的粒徑偏大，且濃度越高的發酵上清液組，SEM測定結果與粒度儀測得的粒徑結果相差越大。

表1 不同濃度發酵上清液作為溶劑的產物平均粒徑和Zeta電位

80%和100%T 發酵液作為溶劑的產物Zeta 電位為正值，鐵溶膠膠體顆粒帶正電。根據樣品產物的顏色，估計產物可能為Fe（OH）3、Fe3O4、Fe2O3。這兩組產物的Zeta電位絕對值分別為10.6、6.5 mV，溶膠穩定性一般。0、20%、40%、60%T 發酵液作為溶劑合成的鐵溶膠的Zeta 電位均為負值。根據膠體粒子帶電性，可能生成了硫化亞鐵或羥基氧化鐵之類的物質，需進一步探究產物具體的組成成分。由此可知，鐵溶膠產物的Zeta 電位正負性隨著溶劑T發酵上清液含量的變化而變化，即產物成分和含量隨發酵上清液中的有效成分（生物表面活性劑）含量的變化而變化。在膠體粒子電性相同時，即0～60%條件下，根據Zeta電位可以得知，60%組開始變得不穩定，0 和40%組穩定性一般，20%組產物的穩定性較好。這可能是由于20%發酵上清液包覆膜的厚度適中，既不會因為膜厚度較高而使顆粒團聚沉降，也比純水作為溶劑（發酵上清液加量為0）組產物完全無膜包覆的穩定性高。從SEM 圖中可以看出，純水作溶劑的產物尺寸屬于數十微米級，沒有分散劑或改善分散狀況的物質存在。

Zeta 電位依賴于粒子表面和分散劑的化學性質，是粒子間靜電力相互作用的標尺，不受粒子尺寸的影響。Zeta 電位的影響因素有：pH 變化、電導率（由濃度、鹽的類型決定）、組成成分（如高分子、表面活性劑）濃度的變化。這些溶膠產物均是由細菌發酵上清液作為溶劑合成的，因此Zeta電位測試結果不能完全確定膠體產物的穩定性。無法測定Zeta電位的實驗組可能受產物中含有的表面活性劑影響。

2.2.3 傅里葉紅外光譜分析

由圖2 可見，T 細菌的發酵上清液干燥樣品在3384.5 cm-1出現一個較寬的強吸收峰，表明存在O—H、N—H；2931.3 cm-1為糖類的特征峰；1579.4 cm-1附近為雙鍵伸縮振動區；1407.8 cm-1處為脂肪酸碳鏈上C—H 鍵的伸縮振動峰；1114.7、1041.4 cm-1附近出現C—O和酯的特征峰，表明T發酵液上清液中含有糖脂類物質。該物質與已鑒定的鼠李糖脂的紅外光譜［45］有差別，因此推斷T 發酵產物為一種新型的糖脂類生物表面活性劑。

圖2 T菌發酵上清液樣品的紅外光譜圖

不同濃度T發酵液作為溶劑的條件下，檸檬酸和硝酸鐵反應產物的紅外吸收光譜圖極其相似，可能有相同的特征官能團［46］。以60%T發酵上清液的紅外光譜圖（圖3）為例，在3440.4 cm-1附近出現吸收峰，透過率較T 發酵上清液的3384.5 cm-1處有所下降，峰位置也有所偏移；合成產物在2626.6 cm-1出現了弱峰，可能是O=C=O；1729.9～1058.7 cm-1之間的峰均指向T發酵上清液的表面活性劑成分。指紋區內599.8～416.6 cm-1范圍內的振動帶表明存在Fe—O，說明產物中含有鐵氧化物。

圖3 以60% T發酵上清液為溶劑的產物的紅外光譜圖

2.2.4 XRD測試結果分析

合成產物的XRD 譜圖表現為彌散峰。對比6個樣品的XRD圖可見，產物很有可能為相同或相似結構的鐵溶膠，由于成分含量不一而呈現不同的顏色。經XRD 分析軟件Jade6.5 擬合得出，不同濃度發酵液參與合成的鐵溶膠物相及晶面。其中，部分三氧化二鐵晶相為γ-Fe2O3，與四氧化三鐵峰的位置重合，FeO（OH）與FeOOH 統一用FeO（OH）表示。通過半定量分析可以發現各組產物中含量較高的物質依次為Fe2O3、FeO（OH）、Fe3O4，另有Fe（OH）2、Fe、FeO也出現了特征峰，但含量較少。

根據上述實驗結果，可以初步判定T 菌合成的生物表面活性劑為糖脂，即用于鐵溶膠合成的活性成分為糖脂。用蒽酮-硫酸法測定發酵上清液中糖脂的總含量［47］。按1.2.1中的發酵條件，T菌在特定的發酵培養基中發酵6 d后，以10 000 r/min轉速離心10 min，取上清液測得其糖脂含量為0.99～1.08 g/L。

2.3 破乳實驗結果分析

乳化液震蕩后，部分組上層出現澄清現象。震蕩結束后于室溫下放置24 h，60%組上清液的高度最大，破乳效果最好最穩定；不加藥劑的空白組在該環境下不能自發破乳，加T 菌發酵上清液的組無明顯破乳層。根據破乳層厚度（上清液高度）計算破乳系數，結果如表2所示。

表2 不同比例T發酵液作為溶劑的鐵溶膠對破乳效果的影響

破乳實驗結果表明，純水作為溶劑的鐵溶膠對模擬油田污水具有一定的破乳效果，室溫放置24 h后能保持在18%；發酵上清液（T 組）對乳化油水的破乳系數為40%，說明純發酵上清液即表面活性劑對乳化油水也存在一定的破乳作用。加表面活性劑穩定的鐵溶膠對模擬油田污水有不同程度的破乳影響。室溫下能保持穩定破乳效果的有40%、60%、80%、100%發酵上清液組。其中效果優于純水作為溶劑合成的溶膠的有40%、60%、100%發酵上清液組，且60%發酵上清液組合成的鐵溶膠的破乳效果持久，在平均約10 ℃的溫度下靜置24 h 仍能保持78%的破乳系數，可以考慮后續用于低溫油藏環境中的油水分離。由圖1 可見，60%發酵上清液合成的產物中，鐵顆粒表面包覆有機物較少，顆粒分明，與80%和100%發酵上清液組相比，顆粒之間分開程度高，沒有以團簇形式被包裹，因此在投入乳化油水混合物中時，鐵顆粒與乳狀液的接觸面積大，這可能是其破乳性能好的原因。另一方面，合成的生物表面活性劑穩定的鐵溶膠結構可能隨著發酵上清液中糖脂含量的變化而發生改變，整體來說由60%發酵上清液制備的鐵溶膠產物的Zeta電位絕對值更低，因而比80%和100%發酵上清液組的納米鐵顆粒穩定，破乳效果更好。

本實驗所用的T菌發酵液無需分離提純即可直接應用于合成納米鐵溶膠，成本較低。工業級檸檬酸和硝酸鐵價格分別約為295 元/500 g 和41 元/500 g，則合成1 g成品破乳劑約需成本0.3元。

選用60%發酵上清液合成的鐵溶膠和南海終端現場污水作為待處理的乳化廢水進行優化實驗。破乳實驗結果表明，按400 mg/L藥劑投加后再渦旋5 min使其充分混合，污水溫度為10、20、30 ℃時，靜置20 min 均可使污水澄清，脫水率為100%，下層無沉淀和絮狀物，破乳效果好。

3 結論與展望

以T菌株微生物在培養基中好氧培養6 d，取發酵離心上清液與水混合，分別制得體積比為0、20%、40%、60%、80%、100%的離心上清液，以上清液作為溶劑，采用溶劑熱法和溶膠-凝膠法合成了生物表面活性劑穩定的鐵溶膠。由于生物產表面活性劑有復雜的代謝途徑，這些代謝途徑可能會因環境的外部變化而發生突變，從而導致代謝產物產量的表述不明確。建議研究致突變物種以及控制方法，以進一步研究外部條件優化對生物內部代謝活性的影響。

制備的鐵溶膠的主要無機相成分為鐵氧化物Fe2O3、FeO（OH）、Fe3O4，鐵顆粒外包覆的有機組分為一種新型的糖脂類生物表面活性劑。20%發酵上清液作溶劑時合成的鐵溶膠的Zeta 電位電負性最強，膠體穩定性最高。

生物表面活性劑穩定的鐵溶膠可以用于低溫油水混合物的破乳，60%發酵上清液（糖脂）穩定的鐵溶膠的破乳效果最好，低溫下放置24 h后的破乳系數為78%，破乳效果好于純水作溶劑合成的產物。表面活性劑的包覆增加了鐵納米的生物相容性，后續處理簡單環保，可降低污染。用制備的破乳劑進行南海終端現場乳狀液的破乳，效果明顯。

制備納米鐵溶膠時使用離心后的發酵上清液，未全部利用發酵液中的培養基成分，如菌體蛋白等，后續也可單獨研究其對納米鐵溶膠合成和穩定性的影響。未來應加強生物穩定破乳劑的研究，同時關注破乳后破乳材料的再生和可回收性，以期在污水處理尤其是破乳除油方面產生較穩定持久的效果，實現藥劑殘留對后續生化處理污水中有機污染物的微生物向無毒害化轉變。