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?糖脂類(lèi)生物表面活性劑在石油工業(yè)中的作用機(jī)制
來(lái)源:生物加工過(guò)程 瀏覽 773 次 發(fā)布時(shí)間:2024-10-12
糖脂類(lèi)生物表面活性劑——鼠李糖脂、海藻糖脂和槐糖脂的研究和應(yīng)用最多,特別是它們?cè)谑烷_(kāi)采、原油污染修復(fù)、油田防腐等方面的室內(nèi)和現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用研究效果。一方面,生物表面活性劑可以降低油水混合物的表面張力,剝離地層巖石表面原油,增大原油的流動(dòng)性,提高油水混合物的運(yùn)移效率,達(dá)到提高原油采收率的目的。另一方面,生物表面活性劑可以增強(qiáng)原油污染土壤中疏水烴類(lèi)污染物的生物可利用性。石油中大分子量烴類(lèi)如多環(huán)芳烴(PAHs)等難溶于水相,會(huì)牢牢地吸附在固相土粒上而難以降解。生物表面活性劑能有效地解除這種吸附,使石油烴分散成液滴,并進(jìn)一步降解,從而促進(jìn)石油污染的生物修復(fù),減少其對(duì)環(huán)境造成的污染與破壞。
在微生物修復(fù)石油污染中的作用機(jī)制
隨著石油生產(chǎn)量和消費(fèi)量的不斷提高,石油類(lèi)物質(zhì)進(jìn)入環(huán)境所造成的污染問(wèn)題日益嚴(yán)重。由于人類(lèi)對(duì)環(huán)境以及人類(lèi)社會(huì)可持續(xù)發(fā)展的重視,生物修復(fù)已成為凈化石油烴類(lèi)污染物的主要方向之一。該技術(shù)本質(zhì)是微生物以石油烴類(lèi)作為生長(zhǎng)基質(zhì),將其分解代謝為CO2和水,減輕其對(duì)環(huán)境的影響。由于不同開(kāi)采地區(qū)的原油組分差別較大且生產(chǎn)過(guò)程不同,所以隨之形成的石油烴化學(xué)成分也相差較大,因此,生物降解石油烴類(lèi)污染物的速率也有明顯差別。
近年來(lái),許多學(xué)者在微生物修復(fù)石油污染中引入糖脂類(lèi)生物表面活性劑來(lái)提高石油烴的降解率。糖脂類(lèi)生物表面活性劑促進(jìn)微生物對(duì)石油烴的降解有其獨(dú)特的機(jī)制:①降低菌體周?chē)橘|(zhì)的表面張力、菌體細(xì)胞壁與烴類(lèi)分子之間的界面張力,增大石油烴溶解度,增強(qiáng)混合力,使疏水性物質(zhì)更多地與菌體和O2接觸,從而提高微生物對(duì)疏水底物的生物利用度,使其更易被生物降解;
②與細(xì)胞膜相互作用。在不破壞細(xì)胞膜結(jié)構(gòu)的條件下對(duì)細(xì)胞膜進(jìn)行修飾,該修飾主要使蛋白質(zhì)組成發(fā)生改變,或使脂多糖減少,從而引起細(xì)胞壁疏水性的增加,進(jìn)而促進(jìn)微生物細(xì)胞對(duì)烴類(lèi)的攝取。
微生物在烴類(lèi)環(huán)境下的細(xì)胞結(jié)構(gòu)明顯不同。胞內(nèi)的烴類(lèi)物質(zhì)累積,在其外部形成特殊的膜狀復(fù)合物導(dǎo)致外表面變得不規(guī)整,出現(xiàn)褶皺。在表面活性劑的作用下,細(xì)胞壁的外表面出現(xiàn)一種特殊的吸收系統(tǒng),將膠團(tuán)直接運(yùn)至與膜結(jié)合的酶系統(tǒng)或運(yùn)入細(xì)胞內(nèi)部。研究鼠李糖脂在銅綠假單胞菌NY3代謝烴過(guò)程中的生理作用時(shí)發(fā)現(xiàn),在該過(guò)程中鼠李糖脂會(huì)造成菌體表面脂多糖的減少,而細(xì)胞中疏水性物質(zhì)含量增加,菌體細(xì)胞Zeta電位明顯降低,表面負(fù)電荷增加,菌體表面斥力增加,這使得菌體在培養(yǎng)體系中更易分散,增加其與疏水性物質(zhì)烴類(lèi)的接觸機(jī)會(huì),從而提高烴類(lèi)降解率。在研究鼠李糖脂促進(jìn)菌體代謝正十六烷過(guò)程時(shí)亦發(fā)現(xiàn):菌體表面脂的多糖含量減少;掃描電鏡結(jié)果顯示在代謝初期,鼠李糖脂可促進(jìn)菌體自身蛋白合成,隨后胞內(nèi)蛋白含量趨于穩(wěn)定,在代謝后期,胞內(nèi)蛋白含量降低,說(shuō)明鼠李糖脂明顯加快十六烷的傳質(zhì)速度。糖脂類(lèi)生物表面活性劑除具有上述功能外,其具有的可生物降解性、低毒性、應(yīng)用范圍廣等優(yōu)點(diǎn)亦使其在表面活性物質(zhì)的選擇中脫穎而出。
在提高原油采收率方面的作用機(jī)制
我國(guó)大部分油田都具有低孔、低滲和非均質(zhì)性強(qiáng)的特點(diǎn)。因此,如何更加高效地開(kāi)發(fā)油藏資源,成為目前亟待解決的問(wèn)題。雖然已經(jīng)開(kāi)展了調(diào)驅(qū)、聚合物驅(qū)等應(yīng)用研究,但因采出液含有較高濃度的聚合物,導(dǎo)致乳液穩(wěn)定性高,油水分離難度大,嚴(yán)重影響采出液的脫水和原油的外輸,同時(shí)加大污水的處理難度,也增加了成本,而微生物采油是利用微生物或其代謝產(chǎn)物提高原油產(chǎn)量的一種綠色采油方式,能有效地緩解油田“零排放”的環(huán)保壓力。
糖脂類(lèi)生物表面活性劑作為微生物代謝產(chǎn)物的一種,其作用對(duì)象主要是油藏孔隙中的殘余油和剩余油,可有效降低界面張力,降低喉道處油滴的毛細(xì)管壓力,減小油滴運(yùn)動(dòng)阻力,改變巖石表面的潤(rùn)濕性,同時(shí)還可以提高混合流體的滲流能力,所以也能降低啟動(dòng)壓力和注水壓力,提高驅(qū)油效率,從而提高原油采收率,在三次采油領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。提高原油采收率的原理主要有以下幾點(diǎn):
①調(diào)節(jié)油水極性,降低油水界面張力。糖脂類(lèi)生物表面活性劑吸附于油水界面上,可降低油水界面的表面張力。油水混合物界面張力越小,殘余油和剩余油的混合物液滴越易聚集,聚集后的油水混合物流動(dòng)性增強(qiáng),在油藏孔隙中越容易運(yùn)移。
②增強(qiáng)巖石潤(rùn)濕性。油水混合物流經(jīng)親油油層時(shí),混合物中的油相很容易吸附在巖石表面上,從而降低了油水混合物的流動(dòng)性。糖脂類(lèi)生物表面活性劑可以使油藏中的親油巖石轉(zhuǎn)變?yōu)橛H水巖石,降低巖石表面對(duì)油水混合物的吸附力,減小油水混合物在油藏孔隙中流動(dòng)時(shí)損失的能量,從而增強(qiáng)油水混合物在油藏孔隙中的驅(qū)替效率。
③乳化作用。糖脂類(lèi)生物表面活性劑溶入油水混合物后會(huì)吸附在油水界面上并形成乳狀液體。乳狀液體不易吸附在油藏中的巖石表面上,從而增強(qiáng)油水混合物的流動(dòng)性,使其在油藏孔喉中更好地聚集并且運(yùn)移。
④改變?cè)驮谟筒乜障吨械倪\(yùn)動(dòng)特征和性能。由于原油是非牛頓流體,其黏度隨剪切應(yīng)力變化而變化,同時(shí),原油中的膠質(zhì)、瀝青質(zhì)和石蠟等高分子化合物易形成空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu),該結(jié)構(gòu)在原油流動(dòng)時(shí)被破壞,且其破壞程度與流動(dòng)速度有關(guān),當(dāng)原油靜止時(shí)又重新恢復(fù)網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。糖脂類(lèi)生物表面活性劑可吸附在瀝青質(zhì)上,增強(qiáng)其溶劑化外殼的牢固性,減弱瀝青質(zhì)點(diǎn)之間的相互作用,削弱原油中的大分子網(wǎng)狀結(jié)構(gòu),從而降低原油的極限動(dòng)剪切應(yīng)力,提高采收率。
⑤提高表面電荷密度。糖脂類(lèi)生物表面活性劑吸附在油滴和巖石表面上,提高表面電荷密度,增加油滴與巖石表面之間的靜電斥力,使油滴更易被驅(qū)替介質(zhì)帶走,從而提高采收率。