Высоковязкие наноэмульсии нефтепродуктов в песчаной матрице: проблемы и решения

Абусал Юсеф А.Ю., Яхин А. Р., Сильнов Д.В., Арасланова Д.И., Горшков В.А. Высоковязкие наноэмульсии нефтепродуктов в песчаной матрице: проблемы и решения. Нанотехнологии в строительстве. 2026;18(3):349–362. – EDN: UXRVNE.

Abusal Yusef A. Yu., Yakhin A. R., Silnov D. V., Araslanova D. I., Gorshkov V. A. High-viscosity nanoemulsions of petroleum products in a sand matrix: Problems and Solutions. Nanotechnologies in construction. 2026;18(3):349–362. – EDN: UXRVNE.

Загрязнение окружающей среды, в частности прибрежных экосистем, в результате разливов нефти и нефтепродуктов представляет собой одну из наиболее актуальных проблем современной экологии и нефтегазовой отрасли [1, 2]. Особую сложность представляют собой случаи, когда нефтепродукты, смешиваясь с песком и водой, формируют стабильные высоковязкие эмульсии, устойчивые к традиционным методам очистки [3, 4]. Подобные системы характеризуются образованием прочных межфазных слоев, стабилизированных нанораз-мерными частицами механических примесей, что значительно затрудняет их разделение на компоненты [5, 6].

Эффективная ликвидация последствий таких разливов требует глубокого понимания физико-химических свойств образующихся эмульсий и разработки целенаправленных методов их деэмульсации [7, 8]. Существующие подходы, включая центрифугирование, термическую и химическую обработку, зачастую оказываются недостаточно эффективными без предварительной модификации системы для снижения вязкости и разрушения стабилизирующих барьеров [9, 10].

Целью данной работы являлось комплексное исследование свойств высоковязкой нефтепесчаной эмульсии, отобранной в зоне загрязнения, и разработка эффективной методики ее разделения с применением методов химического разбавления и термомеханического воздействия.

Nanotechnologies in construction

Нанотехнологии в строительстве

2026; 18 (3): 349–362

РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ УЧЕНЫХ И СПЕЦИАЛИСТОВ

Nanob

МЕТОДЫ И МАТЕРИАЛЫ

На рисунке 1 представлен внешний вид полученных проб из разных точек сбора.

В таблице 1 приведен результат анализа внешнего вида и характеристика проб.

Анализ представленных табличных данных показывает существенную неоднородность загрязнений на различных пробоотборных точках. Характер проб варьирует от густых черных вязких масс до пастообразных и твердых агрегатных состояний, что свидетельствует о различиях в процессах старения нефтепродуктов, испарении летучих фракций и их взаимодействии с почвенной средой. Наличие характерных запахов битума и органических растворителей указывает на по-ликомпонентный состав загрязняющего вещества. В целях углубленного изучения отобрана проба с максимальной массой и выраженной гомогенностью – «Большой пруд, точка № 2 (отметка +3,3 м)» – для последующего определения физико-химических характеристик и фракционирования на составляющие (нефть, водную фазу, твердые примеси).

Разделение эмульсии методом центрифугирования

Методика разделения эмульсионной системы основана на центрифужном эффекте и включает следу-

Большой пруд точка № 1 (отметка +2,1 м)

Большой пруд точка № 2 (отметка +2,7 м)

Большой пруд точка № 2 (отметка +3,3 м)

Рис. 1. Внешний вид проб

Nanotechnologies in construction

Нанотехнологии в строительстве

2026; 18 (3): 349–362

Nanob

РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ УЧЕНЫХ И СПЕЦИАЛИСТОВ

Большой пруд точка № 3 (отметка +2,8 м)

Малый пруд точка № 1 (отметка +5,0 м)

Малый пруд точка № 3 (отметка 3,6–4,2 м)

Рис. 1. Окончание

ющие этапы: предварительный нагрев пробы до 80 °C с последующим перемешиванием для достижения гомогенности, загрузку в центрифужные пробирки и обработку при 5000 об/мин в течение 30 мин. В результате центробежного воздействия происходит фазовое расслоение: тяжелые фракции (вода и твердые частицы) оседают на дно, тогда как легкая нефтяная фаза мигрирует в верхний слой (рис. 2).

При центрифугировании пробы «Большой пруд точка № 2 (отметка +3,3 м)» разделения на слои не произошло. Для улучшения разделения в пробу добавили демульгатор, тщательно перемешали и отцентрифугировали. Разделения пробы не произошло.

Определение содержания воды методом Дина-Старка

Метод Дина-Старка (ГОСТ 2477-2014 «Нефть и нефтепродукты. Метод определения воды») пред-

Nanotechnologies in construction

Нанотехнологии в строительстве

2026; 18 (3): 349–362

Nanob

РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ УЧЕНЫХ И СПЕЦИАЛИСТОВ

Таблица 1. Внешний вид и характеристика проб

Точка отбора	Внешний вид	Запах	Вес, г
Большой пруд точка № 1 (отметка +2,1 м)	Черная вязкая масса, при перемешивании рвется	Запах нефтепродуктов, битума	190
Большой пруд точка № 2 (отметка +2,7 м)	Черная жидкая масса, при перемешивании тянется	Запах нефтепродуктов, битума	270
Большой пруд точка № 2 (отметка +3,3 м)	Липкая черная твердая масса, при перемешивании тянется	Запах нефтепродуктов, битума	680
Большой пруд точка № 3 (отметка +2,8 м)	Липкая черная твердая масса, при перемешивании тянется	Запах нефтепродуктов, битума, рубероида	500
Малый пруд точка № 1 (отметка +5,0 м)	Сверху прозрачный слой жидкости, возможно воды. Черная жидкая паста	Запах свежей краски, возможно растворителей	520
Малый пруд точка № 3 (отметка 3,6-4,2 м)	Неподвижная черная масса с твердыми мех. примесями	Запах универсального растворителя	160

Рис. 3. Определение содержания воды методом Дина-Старка

Рис. 2. Процесс разделения эмульсии методом центрифугирования

ставляет собой стандартную методику определения содержания воды в нефти и нефтепродуктах, основанную на отгонке воды с органическим растворителем. В процессе анализа навеску пробы смешивают с водоотгоняющим растворителем (толуолом или не-фрасом) в специальной колбе аппарата Дина-Старка.

При нагревании смеси образуются пары растворителя и воды, которые поступают в холодильник, где конденсируются и стекают в градуированный приемник (рис. 3).

Содержание воды в пробе «Большой пруд точка № 2 (отметка +3,3 м)» составило 33% (табл. 2).

Таблица 2. Физико-химические характеристики эмульсии

Точка отбора	Плотность эмульсии, кг/м3		Содержание воды, %	Содержание мехпримесей, %
	25 °C	50 °C
Большой пруд точка № 2 (отметка +3,3 м)	0,976	0,974	33	23,8

Nanotechnologies in construction

Нанотехнологии в строительстве

2026; 18 (3): 349–362

Nanob

РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ УЧЕНЫХ И СПЕЦИАЛИСТОВ

Содержание механических примесей в нефтепродуктах

Метод определения механических примесей в нефтепродуктах основан на гравиметрическом анализе. Пробу нефтепродукта фильтруют через предварительно взвешенный бумажный фильтр горячим растворителем или смесью растворителей (спирто-бензол, спирто-толуол, хлороформ) до прозрачной капли. После фильтрации фильтр высушивают при 105 °C до постоянной массы и повторно взвешивают (рис. 4).

Содержание механических примесей ( X , %) рассчитывают по формуле:

x = mi’m2 ■ 100, m где m1 – масса чистого фильтра; m2 – масса фильтра с примесями; m м масса пробы.

Содержание механических примесей в пробе «Большой пруд точка № 2 (отметка +3,3 м)» составило 23,8% (табл. 2).

Данные механические примеси исследовали на ИК-спектрометре Фурье с выделением основных характеристических сигналов. Сравнение с базой данных показало, что примеси сходны по составу с SiO2 (песок, кремнезем) (рис. 5).

Рис. 4. Определение содержания механических примесей

Рис. 5. ИК-спектр мехпримесей, выделенных из пробы «Большой пруд точка № 2 (отметка +3,3 м)»

Nanotechnologies in construction

Нанотехнологии в строительстве

2026; 18 (3): 349–362

Nanob

РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ УЧЕНЫХ И СПЕЦИАЛИСТОВ

Плотность эмульсии

Метод основан на точном измерении массы известного объема эмульсии с помощью калиброванного пикнометра согласно ГОСТ 3900 (рис. 6).

Были определены плотности пробы «Большой пруд точка № 2 (отметка +3,3 м)» при 25 °С и 50 °С и составили 0,976 и 0,974 кг/м3 соответственно (табл. 2).

Плотность эмульсии на уровне ~0,976 г/см³ (при 25 °C), сопоставимая с показателями воды, свидетельствует о высокой степени обводненности и минерализации системы. Доля воды (33%) и механических примесей (23,8%) подчеркивает поликом-понентность состава, в котором песчаная фракция (SiO2) функционирует как стабилизатор, образуя устойчивую структуру, опасающую естественному фазовому разделению.

Динамическая вязкость эмульсии

Вязкостные параметры определяли на ротационном вискозиметре Rheotest RN 5.1 в интервале температур 25–90 °C (шаг 10 °C). Образец перед каждым тестом выдерживали в термостате прибора 20– 30 мин для установления термического равновесия. Режим измерений предусматривал фиксированную скорость сдвига 10 с–1, гарантируя воспроизводимость данных (рис. 7).

Изменение динамической вязкости от температуры показано на рис. 8 и в таблице 3.

Значительная динамическая вязкость при 25 °C (105 379 мПа•с) позволяет отнести эмульсию к категории высоковязких систем. Четко выраженная температурная зависимость (снижение вязкости более чем на два порядка к 90 °C) отражает термочувствительность ее структуры. Вместе с тем, даже при повышенных температурах (90 °C) вязкость превышает 1000 мПа•с, что обосновывает комбинированный подход к деэмульсации с использованием термических и химических воздействий.

Выделение легкой фракции (нефти) из пробы эмульсии

По завершении анализа содержания воды методом Дина-Старка растворитель полностью удаляли из колбы путем перегонки. В остатке остались механические примеси и нефтяная фаза. Жидкую нефтяную фракцию отделяли декантацией в чистую лабораторную емкость для дальнейших физико-химических исследований, тогда как твердые примеси с остаточной нефтью оставались в исходной колбе (рис. 9).

Далее содержимое колбы растворяли в спирто-толуольной смеси с последующей фильтрацией через ленту «синяя». Механические примеси удерживались на фильтре, а растворитель удаляли на роторном испарителе.

Характеристики очищенной пробы

Рис. 6. Определение плотности

В очищенной пробе «Большой пруд, точка № 2 (отметка +3,3 м)» без механических примесей и воды измерили динамическую вязкость в различных температурных режимах, а также плотность при 25 °C и 50 °C (табл. 4, рис. 10).

Рис. 7. Определение динамической вязкости пробы

Nanotechnologies in construction

Нанотехнологии в строительстве

2026; 18 (3): 349–362

Nanob

РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ УЧЕНЫХ И СПЕЦИАЛИСТОВ

Рис. 8. Зависимость динамической вязкости пробы от температуры

Таблица 3. Динамическая вязкость пробы, отобранной с «Большой пруд точка № 2 (отметка +3,3 м)»

Место взятия пробы	Вязкость динамическая, мПа • с
	25 °C	30 °C	40 °C	50 °C	60 °C	70 °C	80 °C	90 °C
БП т. №2 (+3,3 м)	105 379	75 721	32 446	13 300	6527	3046	1820	1181

Риc. 9. Процесс выделения нефтяной составляющей из пробы «Большой пруд точка № 2 (отметка +3,3 м)»

После удаления воды и механических загрязнений зафиксировано значительное падение динамической вязкости – с 105 379 до 7771 мПа•с (измерения проводились при 25 °C). Параллельно снизилась и плотность: с 0,976 до 0,918 г/см³. Полученные данные наглядно подтверждают, что именно эти компоненты вносят наибольший вклад в устойчивость эмульсионной дисперсной системы. При этом зависимость вязкости от температуры не исчезает, однако текущие значения вязкости уже сопоставимы с характеристиками, типичными для тяжелых нефтепродуктов.

Порядок разбавления очищенной пробы

Очищенную пробу разбавили дизельным топливом. Для этого исходный материал, взятый в точке № 2 «Большой пруд» (отметка +3,3 м), смешали

Nanotechnologies in construction

Нанотехнологии в строительстве

2026; 18 (3): 349–362

РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ УЧЕНЫХ И СПЕЦИАЛИСТОВ

Nanob

Таблица 4. Значение динамической вязкости пробы, отобранной с «Большого пруда, точка № 2 (отметка +3,3 м)» без мехпримесей и связанной воды

Место взятия пробы	Вязкость динамическая, мПа • с								Плотность эмульсии, кг/м3
	25 °C	30 °C	40 °C	50 °C	60 °C	70 °C	80 °C	90 °C	25 °C	50 °C
БП т. № 2 (+3,3 м) без мех. примесей и воды	7771	58,75	2954	1689	1009	646	380	249	0,918	0,915

Большой пруд точка №2 (отметка +3,3 м) без мехпримесей и

Температура, °C

Рис. 10. Зависимость динамической вязкости пробы от температуры по таблице 4

с горючим в равных объемных долях (1:1). Процесс проводили с помощью верхнеприводной мешалки при частоте вращения 700 оборотов в минуту до образования однородной суспензии. После завершения интенсивного смешивания был отобран верхний дизельный слой. Визуальное наблюдение показало, что вязкость полученной системы уменьшилась (результаты представлены на рис. 11).

Полученный образец подвергли нагреву до 90 °C с выдержкой в течение 30 минут, после чего провели центрифугирование при частоте вращения 4000 об/мин. В результате произошло расслоение смеси на два компонента: верхний (подвижный, представляющий собой нефтяную фазу) и нижний, образованный механическими примесями (рис. 12). Следует отметить, что выделения водной фазы в пробе зафиксировано не было.

Дополнительно измерили зависимость вязкости от температуры для смеси, состоящей из пробы и дизельного топлива в пропорции 1:1. Диапазон измерений составил от 25 до 90 °C (результаты отражены на рис. 13 и в табл. 5).

При добавлении дизельного топлива в пропорции один к одному зафиксировано выраженное падение вязкости. При температуре 25 °C данный показатель снизился до 836 мПа•с. Столь существенное уменьшение вязкости позволяет считать полученную систему технологически приемлемой для проведения последующих операций – в частности, для обработки центрифугированием. Низкие значения вязкости в широком температурном диапазоне подтверждают эффективность данного подхода как метода предварительной модификации эмульсии.

Было исследовано влияние углеводородного растворителя Нефрас-С2 80» на разделение пробы и изменение вязкости от температуры (рис. 14).

Для этого смешали пробу «Большой пруд точка № 2 (отметка +3,3 м)» с растворителем в соотношении 1:1 при 700 об/мин в течение 30 мин. Затем верхнюю часть растворителя слили и продолжили дальнейшие исследования на смеси пробы с растворителем.

После центрифугирования проба разделилась на две фазы: мехпримеси и нефтяная составляющая. Отделения воды также не наблюдалось.

Полученная зависимость динамической вязкости смеси «проба + Нефрас С2 80 1:1» от температуры представлена на рисунке 15 и в таблице 6.

Nanotechnologies in construction

Нанотехнологии в строительстве

2026; 18 (3): 349–362

Nanob

РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ УЧЕНЫХ И СПЕЦИАЛИСТОВ

Рис. 11. Внешний вид смеси «проба + дизельное топливо» в пропорции 1:1

Рис. 12. Внешний вид пробы после центрифугирования смеси «проба + дизельное топливо»

Рис. 13. Зависимость динамической вязкости пробы от температуры по таблице 5

Nanotechnologies in construction

Нанотехнологии в строительстве

2026; 18 (3): 349–362

РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ УЧЕНЫХ И СПЕЦИАЛИСТОВ

Nanob

Рис. 14. Разделение пробы после центрифугирования смеси «проба + Нефрас С2 80 1:2»

Хотя «Нефрас-С2-80» значительно снижает вязкость по сравнению с исходной пробой, дизельное топливо является более эффективным агентом для предварительной подготовки эмульсии к механическому разделению (центрифугированию) , так как обеспечивает гораздо более низкие значения вязкости во всем температурном диапазоне. «Нефрас» может быть полезен для других задач, например, для экстракции определенных фракций, но не для оптимального снижения вязкости.

Также было проведено исследование пробы, смешанной с «Нефрасом С2 80», с последующим удалением связанной воды и мехпримесей. Определена динамическая вязкость при различных температурах (табл. 7, рис. 16) и плотности при 25 °С и 50 °С.

Использование растворителя «Нефрас-С2 80» также привело к существенному снижению вязкости, хотя и менее выраженному по сравнению с дизельным топливом. Плотность полученной нефтяной фазы снизилась до 0,908 г/см³, что характерно для облегченных нефтепродуктов. Это указывает на то, что растворитель не только снизил вязкость, но и изменил состав непрерывной нефтяной фазы, способствуя более эффективному отделению от механических примесей.

Обсуждение результатов

Проведенное исследование выявило, что исходная проба загрязненного грунта представляет собой

Таблица 5. Значение динамической вязкости смеси «проба + дизельное топливо» в пропорции 1:1

Место взятия пробы	Вязкость динамическая, мПа • с
	25 °C	30 °C	40 °C	50 °C	60 °C	70 °C	80 °C	90 °C
БП т. № 2 (+3,3 м) + Диз. Топливо 1:1	836,0	728,7	616,2	431,9	242,7	167,1	151,4	125

Nanotechnologies in construction

Нанотехнологии в строительстве

2026; 18 (3): 349–362

РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ УЧЕНЫХ И СПЕЦИАЛИСТОВ

Nanob

Рис. 15. Зависимость динамической вязкости смеси «проба + Нефрас С2 80 1:1» от температуры

Таблица 6. Динамическая вязкость смеси «проба + Нефрас С280 1:1»

Место взятия пробы	Вязкость динамическая, мПа • с
	25 °C	30 °C	40 °C	50 °C	60 °C	70 °C	80 °C	90 °C
БП т. № 2 (+3,3 м) + Нефрас С2 80 1:1	5711,2	4680,4	3741,8	2121,4	1329,1	891,4	848,8	787,4

Таблица 7. Динамическая вязкость смеси «проба + Нефрас С280 1:1», не содержащей связанную воду и мехпримеси

Место взятия пробы	Вязкость динамическая, мПa • с								Плотность эмульсии, кг/м3
	25 °C	30 °C	40 °C	50 °C	60 °C	70 °C	80 °C	90 °C	25 °C	50 °C
БП т. № 2 (+3,3 м) без мехпримесей и воды	5197	4028	3459	1892	1269	884	836	762	0,908	0,907

Nanotechnologies in construction

Нанотехнологии в строительстве

2026; 18 (3): 349–362

Nanob

РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ УЧЕНЫХ И СПЕЦИАЛИСТОВ

временными представлениями о роли твердых частиц в стабилизации эмульсий [14, 15]. Традиционные методы деэмульсации, направленные в основном на разрушение поверхностно-стабилизированных пленок, в данном случае оказались неэффективны без предварительного разрушения всей структуры системы.

Наиболее эффективной стратегией оказалось химическое разбавление, приводящее к двум основным эффектам:

• 1.    Снижение вязкости: разбавитель (дизельное топливо или растворитель) снижает вязкость непрерывной нефтяной фазы, что облегчает седиментацию и кинетику процессов разделения под действием центробежных сил [16, 17].

• 2.    Нарушение межфазной стабилизации: введение большого объема углеводородной жидкости изменяет соотношение фаз, толщину межфазных слоев и смачиваемость твердых частиц, что приводит к дестабилизации эмульсии и агрегации частиц песка [18, 19].

Последующее термомеханическое воздействие (нагрев и центрифугирование) завершает процесс разделения, обеспечивая седиментацию коагулированных механических примесей. Отсутствие видимого отделения водной фазы после разбавления и центрифугирования может объясняться ее диспергированием в избытке углеводородной фазы или образованием микроэмульсий.

Сравнительный анализ разбавителей показал, что дизельное топливо является более эффективным агентом для снижения вязкости, в то время как

«Нефрас-С2 80», будучи более легким растворителем, вероятно, лучше справляется с солюбилизацией ас-фальтен-смолистых компонентов, вносящих вклад в стабильность эмульсии [20, 21].

ВЫВОДЫ

• 1.    Установлено, что загрязненный грунт представляет собой высоковязкую (105 379 мПа•с при 25 °C) и высокостабильную эмульсию, содержащую 33% воды и 23,8% механических примесей (песок, SiO₂).

• 2.    Показана неэффективность стандартных методов деэмульсации (центрифугирование, в том числе с демульгатором) для разделения исходной эмульсии, что связано с наноразмерной стабилизацией межфазных слоев твердыми частицами.

• 3.    Разработана эффективная двухстадийная методика разделения эмульсии, включающая химическое разбавление дизельным топливом или растворителем «Нефрас-С2 80» в соотношении 1:1 с последующим нагревом и центрифугированием.

• 4.    Доказано, что разбавление дизельным топливом является наиболее эффективным способом снижения вязкости (в 126 раз при 25 °C), что делает систему пригодной для успешного механического разделения.

• 5.    Полученные данные имеют практическую значимость для разработки рецептур и технологий ликвидации сложных нефтепесчаных загрязнений в прибрежных зонах.