由于原油、油层水及所含天然乳化剂组成的复杂性，对油水界面上发生的物理化学过程的研究又极其困难，因而对化学破乳剂的破乳过程和破乳机理仍处于研究之中，但破乳剂和乳化剂都是表面活性物质，两者的作用却截然相反。现将各种破乳剂的破乳机理归纳如下：[3]
(1)表面活性作用。破乳剂都具有高效能的表面活性物质，破乳剂较乳化剂有更高的活性，有文献认为破乳剂活性应比乳化剂大100～1000倍，使破乳剂能迅速地穿过乳状液外相分散到油水界面上，替换或中和乳化剂，降低乳化水滴的界面张力和界面膜强度，使形成W/O型乳状液变得很不稳定。界面膜在外力作用下极易破裂，从而使乳状液微粒内相的水突破界面膜进入外相，从而使油水分离。这不仅可以破坏已经形成的原油乳状液，还可以防止油水混合物进一步乳化，起到降低油水混合物黏度和加速油水分离的作用。但实践表明，不存在破乳剂活性越高，破乳能力越强的规律。
(2)反相乳化作用。原油乳状液是在原油中憎水的乳化剂作用下形成的，俗称W/O型乳状液，如环烷酸、沥青质等。采用亲水型的破乳剂可以将乳状液转化为O/W型乳状液，借乳化过程的转换以及O/W型乳状液的不稳定性而使油水分离。当破乳剂促使油包水转相形成水包油型乳状液时，此时水在外面很容易碰撞聚集成大水滴沉降出来。
(3)“润湿”和“渗透”作用。破乳剂可以溶解吸附在油水界面的胶质、沥青质、固体粉末等天然乳化剂，防止天然乳化剂构成的界面膜阻碍水滴聚结。如黏土、硫化铁、钻井泥浆等固体颗粒具有亲水性，破乳剂能把这些固体乳化剂从油水界面拉入水滴内；沥青质和高熔点蜡晶等具有亲油性，破乳剂能让其离开油水界面进入原油内。这样，有利于水滴碰撞时的合并，达到水滴下沉的目的。
(4)反离子作用。由于原油乳状液中呈分散相的水滴总是带负电荷，并在自己的表面上吸附了一部分正离子，使分散相往往带有正电，因为所带电荷相同，分散相的水滴之间互相排斥，水滴难于合并。如果在原油中加入离子型的破乳剂，极性相反的离子被吸附在水滴表面并将正电荷中和，使水滴问的静电斥力减弱，破坏受同性电保护的界面膜，使水滴合并从油中沉降下来。
尽管破乳剂的破乳机理尚不完善，但从长期实践中归纳出两点结论：破乳剂的分子量大于天然乳化剂的分子量才能有效破乳；若把破乳剂用作油水混合物的乳化剂，则生成反相乳状液，即O/W型乳状液。
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