油砂分离技术研究进展综述

1溶剂萃取技术

1.1油砂溶剂萃取机理

油砂的溶剂萃取采用相似相溶原理，油砂沥青在溶剂中的溶解传质过程有别于常规的固液传质。Cormack等［8］提出油砂沥青的萃取过程是溶剂分子向沥青层扩散，使沥青层的粘度降低;在搅拌等剪切力作用下溶剂分子使油层剥落，实现油砂沥青和泥沙的分离。该观点可较好地解释有搅拌存在时的溶解现象，但与静态萃取实验结果不符。Wang等［9］认为:甲苯等芳香烃溶剂先扩散进入沥青质层，在分子作用力下将沥青质分散并驱入溶剂整体相中;而溶解力较差的正庚烷等烷烃溶剂由于不能进入沥青质分子内部，起不到溶解的作用，但是却可以溶解一些沥青中的低分子物质，如饱和分、芳香分以及部分胶质等。

1.2油砂萃取工艺

萃取工艺流程见图2所示。溶剂萃取技术具有节约水资源、处理方便、适用范围广、常温操作等各种优点，受到很多学者的亲睐。陈德军等［10］采用半连续溶剂抽提法对加拿大油砂进行分离试验，选择重整汽油做萃取剂，溶剂流量60mL/min，在80℃、1.0MPa下，萃取60min，油砂沥青提取率达到92.74%。许耀辉等［11］选择石脑油为溶剂对哈萨克斯坦的油润型油砂进行抽提实验研究，油砂颗粒小于40目、剂砂质量比为4∶1、室温下抽提10min，收率高达98.00%。Yang等［12］提出水辅助溶剂萃取工艺(WASEPs)分离油砂，该工艺在用溶剂萃取油砂沥青的同时加入水，利用溶剂、沥青、水以及固体砂的密度差异，使得萃取体系很好的分为三相，从上到下依次为沥青与溶剂混合相、水相、固体砂。该工艺和单独用溶剂萃取相比，能更好的使沥青溶液和固体砂分离，同时能减少沥青溶液中细颗粒含量(溶剂单独萃取后沥青液中细颗粒含量为1.2%，WASEPs萃取后含量为0.55%)，并且能减少尾砂中溶剂残余量(溶剂单独萃取后尾砂中溶剂残余量为22%，WASEPs萃取后溶剂残余量为7%)。Yang选择石脑油做萃取剂，油砂∶石脑油∶水=1∶1∶0.5，温度50～60℃，搅拌30min，沥青收率达到72%～74%，石脑油回收率在92%以上。John［13］用CS2作油砂萃取分离的溶剂，CS2对沥青有很好的溶解性，并且CS2具有较低的沸点(46.25℃)，所以CS2在常温条件下能很好的将油砂分离。笔者针对克拉玛依油砂开发了一种新型的萃取溶剂，在常温、常压、剂砂比2mL/g下萃取30min，萃取效率在95.49%以上，在60～90℃，溶剂可完全回收;该过程无水参与，萃取和溶剂回收温度低，溶剂无损失，具有低能耗、高效率和零排放等优点。

2热解干馏技术

油砂的热解反应主要发生在140～510℃之间，反应过程分为三个步骤:(1)低温阶段，主要是外部水和内部水分离、吸附的有机气体逸出和较弱化学键的断开;(2)随着反应温度的升高，进入热解反应的主要阶段，油砂中有机物大量析出，部分大分子烃类因C－C链断裂分解成小分子有机物，以气态形式逸出;(3)温度达510℃时热解反应进入后期，主要反应是稠环芳烃的脱氢、缩聚及重排，这一阶段主要是油砂包裹油析出和大分子烃类继续裂解成小分子气态有机物［14］。Meng等［15］研究了内蒙古图牧吉油砂的热解行为。结果显示:油砂热裂解可按一级动力学模型进行;随着温度的升高，转化率、液体和气体的收率都增加，温度超过520℃时，不再变化;压力升高会降低热解转化率和收率。在600℃和0.1MPa条件下，转化率达86.3%，液体收率达80.4%，主要成分是饱和烃，产物沥青质H/C比增加;气体收率小于6%，主要是CO2、H2和CO。Pakdel等［16］对阿尔伯塔焦油砂进行真空热裂解研究，在真空条件下，加热到450～500℃97.5%的硬质沥青转化为软质沥青，有8%的焦炭形成;大约1%的硫化物覆盖在焦炭和砂子上。真空热裂解后，H/C原子比从1.49上升到1.51，饱和烃组分增加，极性化合物降低，多环芳烃增加;同时，沥青粘度大大降低。热解干馏所得产品是小分子有机物，有利于油品的后续加工，但该技术所需温度较高，操作条件会因油砂样的性质不同而不同，造成能耗高、设备要求高、投资大，所以该技术很难得到推广。实际上油砂的热解干馏是一个催化裂化的过程，因为油砂中含有80%～85%的粘土矿物质，其中含有大量的SiO2、Al2O3等物质，催化裂化是在500℃左右以硅酸铝为催化剂将大分子烃类裂解的过程，两者都是在高温条件下通过催化作用将大分子烃类裂解改质成小分子。所以我们应该从催化裂化的角度来研究油砂的热解分离。

3超声波分离技术

超声波的作用机理:超声波由一系列疏密相间的纵波构成，通过液体介质向四周传播。当一定强度的超声波在媒质中传播时，会产生力学、热学、光学、电学和化学等一系列效应。超声波在液体媒质中传播时，具有空化作用、机械搅拌和热效应，超声波对油品的热效应提供了特殊物理化学环境，起着特殊的作用［17－18］。超声波分离油砂是通过将油砂颗粒与清洗剂混合，在一定温度和超声波作用下进行洗油的。清洗剂一般会选择碱液，比如Na2CO3，NaOH等溶液。O.V.Abramov等［19］采用硅酸钠水溶液作清洗剂能达到95%以上的洗油效率。孙微微等［17］采用碱液清洗剂，对内蒙古油砂进行超声波分离研究，采用自制的清洗剂，超声频率为28kHz、声强为7.06W/cm2、剂砂质量比0.8、温度60℃、清洗13min，出油率达94%。许修强等［19］对克拉玛依油砂采用超声波分离技术，采用实验室自制的质量分数为5%的YSFL－3，超声频率40kHz、功率50W、时间20min、温度50℃，出油率达94%以上。超声波分离技术虽然能有效分离油砂，但存在操作复杂、水资源浪费、环境污染等问题。

4离子液体辅助分离技术

离子液体在室温下呈液态、完全由阴阳离子组成的盐。离子液体具有优良的特性:(1)几乎没有蒸汽压，不挥发，有良好的物理化学稳定性，对环境污染小;(2)具有可设计性，通过调整阴阳离子的结构和种类即可改变离子液体的物化性质。隋红等［20］利用离子液体1－乙基－3－甲基咪唑四氟硼酸盐和有机溶剂进行油砂萃取分离研究。研究中离子液体质量为油砂质量的1～3倍，有机溶剂体积与油砂质量比为6～10mL/g，萃取温度为20～35℃，沥青回收率达95%。Paul等［21］采用三种离子液体，分别为1－丁基－2，3－二甲基咪唑四氟硼酸盐、1－丁基－3－甲基咪唑三氟磺酸盐和1－乙基－3－甲基咪唑乙酸盐，与甲苯混合在常温下萃取加拿大油砂，m(油砂)∶m(离子液体)∶m(甲苯)=1∶2∶3，搅拌速度400r/m，萃取率达90%以上。虽然离子液体辅助分离具有各种优点，但由于离子液体和有机溶剂的用量大、回收困难，且离子液体的价格昂贵，这些无疑都增加了油砂分离的成本。

5结语

目前，油砂分离技术主要分为含水与非水体系两大类，含水体系即操作过程有水参与，包括热碱水水洗技术、超声波分离技术、水剂法分离技术等，非水体系包括溶剂萃取技术、离子液体萃取技术和热解干馏技术。其中，热解干馏实质上是一个催化裂化的过程。各种分离技术都存在有较大问题，含水体系存在水用量大、水资源浪费、废水处理以及环境污染等问题;溶剂萃取技术存在溶剂用量大、溶剂损失、环境污染等问题;离子液体萃取技术存在离子液体用量大、回收困难、成本高等问题;热解干馏技术能耗高、设备要求高、投资大。综上所述，现有油砂分离技术存在诸多不足，急需开发一种低温或常温、非水体系和药剂能完全回收的油砂分离技术，实现低能耗、低成本、零排放和高分离效率。

作者：李斌 尹晓君 张洋勇 邓杰义 唐晓东