多孔陶瓷濾料的表面改性及聚結(jié)過(guò)濾處理模擬油田采出水.pdf

1、隨著全球工業(yè)的迅速發(fā)展,我國(guó)大部分油田進(jìn)入開采中后期,原油綜合含水率大幅提高,油田采出水的排放量也每日遞增。作為一種高污染源之一,其成分復(fù)雜,油含量高,若不進(jìn)行處理就直接排放出來(lái),勢(shì)必會(huì)給社會(huì)環(huán)境和人類健康帶來(lái)嚴(yán)重傷害。因此,國(guó)內(nèi)外都在不斷探索處理含油廢水的新技術(shù)?？偟膩?lái)說(shuō),包括物理法、化學(xué)法、物理化學(xué)法和生物化學(xué)法以及其他的各種組合工藝。聚結(jié)除油法因?yàn)槠涮赜械某蜋C(jī)理,越來(lái)越受到各界學(xué)者的關(guān)注?；诖?選擇穩(wěn)定高效的聚結(jié)材料和發(fā)展新方

2、法是至關(guān)重要的。作為一種典型的粗?；牧?多孔陶瓷濾料因?yàn)槠浞€(wěn)定性好、孔隙率高、再生性強(qiáng)、無(wú)二次污染等優(yōu)點(diǎn),可以廣泛應(yīng)用于油田采出水的處理。但是,多孔陶瓷濾料本身屬于疏油性的,而其疏油性又不是很高,用它直接處理油田采出水效果并不是很好,因此有必要對(duì)其進(jìn)行改性或者與其他技術(shù)相結(jié)合來(lái)提高含油廢水的處理效果。
　　本文提出分別用鋁酸酯偶聯(lián)劑和聚乙二醇對(duì)多孔陶瓷濾料進(jìn)行改性,分別提高濾料的親油性和疏油性,并對(duì)改性前后的濾料用紅外光譜(FT

3、IR)、掃描電鏡(SEM)、密度、孔隙率及對(duì)水的接觸角等測(cè)試手段進(jìn)行了表征。在此基礎(chǔ)上,又進(jìn)行了改性前后的濾料分別與磁分離技術(shù)相結(jié)合處理模擬油田采出水的研究,并探究了影響模擬油田采出水處理效果的因素,如濾柱高度、濾速、原廢水水質(zhì)、磁場(chǎng)強(qiáng)度改性多孔陶瓷濾料和磁粒子的質(zhì)量配比等。主要的研究成果如下:
　　(1)以鋁酸酯偶聯(lián)劑為親油改性劑,去油率為評(píng)價(jià)指標(biāo),通過(guò)L9(34)正交實(shí)驗(yàn)優(yōu)化改性工藝,從而確定了最佳改性工藝條件為鋁酸酯偶聯(lián)劑5

4、％(改性液質(zhì)量分?jǐn)?shù))、改性溫度90℃、改性時(shí)間20min和涂層次數(shù)1次。改性后濾料的FTIR圖在2920cm-1和2851cm-1處出現(xiàn)了-CH3、-CH2等基團(tuán)的特征吸收峰,這些基團(tuán)均來(lái)自鋁酸酯偶聯(lián)劑;改性后濾料的密度較改性前明顯減小,是改性后親油涂層的存在封閉了其表面的部分氣孔而導(dǎo)致體積增大的緣故;而改性劑的存在又占據(jù)了濾料的一部分孔道,因而濾料內(nèi)部的孔隙率也減小;從SEM的測(cè)試可以看出濾料表面的孔道較預(yù)處理的減少很多,且元素分析表

5、明改性后濾料表面的鋁、氧等元素增多;改性濾料對(duì)水的相對(duì)接觸角比預(yù)處理濾料的增大了90°,這些結(jié)果都表明鋁酸酯偶聯(lián)劑成功改性多孔陶瓷濾料。用改性前后的濾料分別處理模擬油田采出水,改性后濾料的去油率由預(yù)處理時(shí)的65.18%提高到了96.46%,且穿透曲線的測(cè)定也表明改性后濾料能夠更穩(wěn)定高效的運(yùn)行,并且效果顯著。
　　(2)用聚乙二醇對(duì)多孔陶瓷濾料進(jìn)行疏油改性,通過(guò)L9(34)正交實(shí)驗(yàn)確定最佳改性工藝參數(shù)為聚乙二醇質(zhì)量分?jǐn)?shù)3.5%、改性

6、溫度80℃、改性時(shí)間30min。改性濾料FTIR圖在1384cm-1處出現(xiàn)了新的-OH吸收峰,在3434cm-1處的-OH吸收峰發(fā)生了明顯的寬化,且在2900cm-1處出現(xiàn)了C-H鍵的伸縮振動(dòng)吸收峰,這些都是改性劑聚乙二醇包覆在濾料上引起的;通過(guò)對(duì)密度、孔隙率及對(duì)水的相對(duì)接觸角的測(cè)定得出,濾料經(jīng)聚乙二醇改性后,其密度、孔隙率和對(duì)水的接觸角均有減小,濾料的親水性提高了,但由于聚乙二醇覆蓋的涂層較薄,因而減小的幅度不大。用改性前后的濾料分別

7、處理模擬油田采出水,原始與預(yù)處理濾料的去油率分別為68.59%和76.52%,而改性后濾料的去油率提高到了97.00%。比較改性前后濾料的去油率和去濁率隨時(shí)間的變化規(guī)律,得知改性后濾料的去濁率和去油率可以較長(zhǎng)時(shí)間維持在90%以上,改性濾料的去除效果較原始和預(yù)處理濾料明顯提高,且濾柱可以較長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定運(yùn)行。
　　(3)分別將親、疏油改性前后的濾料與磁分離技術(shù)相結(jié)合,用永磁鐵形成磁場(chǎng),探討濾料處理方式、濾料與四氧化三鐵(Fe3O4)結(jié)合

8、方式及質(zhì)量比、磁場(chǎng)強(qiáng)度、濾速、濾柱高度和Fe3O4粒徑大小等因素對(duì)模擬油田采出水處理效果的影響。將粒徑為0.8~1.6mm的原始多孔陶瓷濾料與Fe3O4顆粒按質(zhì)量比3:1均勻混合,當(dāng)濾柱高度為320mm、濾速15m/h、磁場(chǎng)強(qiáng)度5B0、Fe3O4粒徑0.8~1.6mm時(shí),能夠達(dá)到去油率92.22%、去濁率91.09%。將粒徑為2.8~4.0mm的原始多孔陶瓷濾料與Fe3O4顆粒按質(zhì)量比1:1均勻混合,當(dāng)濾柱高度為320mm、濾速5m/h

9、、磁場(chǎng)強(qiáng)度5B0、Fe3O4粒徑0.8~1.6mm時(shí),能夠達(dá)到去油率97.91%、去濁率97.70%。在用穿透曲線法進(jìn)行連續(xù)運(yùn)行的實(shí)驗(yàn)中,當(dāng)親油改性濾料單獨(dú)作用,濾柱連續(xù)運(yùn)行至135min時(shí),其ct/c0=0.2781,即去油率為72.19%;而要使濾柱去油率降低到同樣的程度,親油改性濾料結(jié)合磁分離后,僅需100min左右的時(shí)間即可,即濾柱的運(yùn)行能力降低了35min左右的時(shí)間;當(dāng)疏油改性濾料與磁分離結(jié)合之后,在實(shí)驗(yàn)進(jìn)行的175min之內(nèi)

10、,其去油率一直保持在98%上下震蕩,且震蕩幅度很小,相比其與磁分離結(jié)合之前,去油率有了明顯提高,且濾柱能夠在很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)保持穩(wěn)定高效運(yùn)行。這些結(jié)果表明,當(dāng)親油改性濾料與磁分離技術(shù)結(jié)合后,去油率在改性的基礎(chǔ)上有輕微的下降,而未改性和經(jīng)疏油改性的多孔陶瓷濾料與磁分離技術(shù)相結(jié)合,其處理效果顯著提高,并且其持續(xù)高效、穩(wěn)定運(yùn)行的時(shí)間更長(zhǎng)久。
　　(4)采用自制備的無(wú)機(jī)-有機(jī)復(fù)合混凝劑,在自制動(dòng)態(tài)處理裝置中進(jìn)行模擬油田采出水的處理實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)

11、中,模擬油田采出水先經(jīng)過(guò)混凝沉淀池,然后依次通過(guò)碰撞聚結(jié)過(guò)濾-磁分離裝置和潤(rùn)濕聚結(jié)過(guò)濾裝置,便得到了凈化處理。與前面的獨(dú)立操作單元實(shí)驗(yàn)相比,此連續(xù)實(shí)驗(yàn)過(guò)濾速度快、處理水量大、運(yùn)行的時(shí)間也更長(zhǎng),其共同點(diǎn)是,當(dāng)多孔陶瓷濾料的聚結(jié)過(guò)濾與磁分離技術(shù)相結(jié)合后,處理模擬油田采出水的效率大大提高。通過(guò)一系列的連續(xù)運(yùn)行實(shí)驗(yàn),研究了絮凝劑用量、濾速、濾柱高度、進(jìn)水水質(zhì)等因素對(duì)連續(xù)運(yùn)行效果的影響。結(jié)果表明,此實(shí)驗(yàn)裝置能夠用來(lái)處理中低濃度油含量的模擬油田采出

12、水,當(dāng)原廢水中油含量61.23mg/L、濁度89NTU、濾柱高度400mm、濾速27.5m/h、磁場(chǎng)強(qiáng)度8B0、絮凝劑濃度1.5mg/L且原水靜置30min時(shí),濾柱運(yùn)行至10h時(shí),去油率降到80%左右,去濁率降至90%左右,即廢水中油含量和濁度分別為4.91mg/L和4.03NTU,此油濃度滿足《碎屑巖油藏注水水質(zhì)推薦指標(biāo)及分析方法》中A1標(biāo)準(zhǔn),而濁度基本達(dá)標(biāo)。說(shuō)明此濾柱的處理能力較強(qiáng),運(yùn)行周期也較長(zhǎng)。
　　(5)親油性多孔陶瓷濾

13、料主要依靠潤(rùn)濕聚結(jié)機(jī)理來(lái)除油。其表面的親油性基團(tuán)能夠潤(rùn)濕吸附和聚結(jié)油田采出水中的油分,并且當(dāng)小油滴不斷聚結(jié)成大油滴時(shí)會(huì)從濾料表面脫落從而有足夠的空間吸附新的油滴,如此循環(huán)往復(fù)直至飽和。同時(shí),由于親油性濾料的粒徑較小,過(guò)濾柱中的空隙少,使得油滴在濾料表面潤(rùn)濕的同時(shí)彼此之間容易相互碰撞,因此也存在著碰撞聚結(jié)除油。疏油性多孔陶瓷濾料的除油機(jī)理是碰撞聚結(jié)為主同時(shí)伴隨著潤(rùn)濕聚結(jié)。濾料經(jīng)疏油改性后,濾料表面的親水疏油性使得油滴與油滴之間碰撞的幾率增

14、加,小油滴通過(guò)碰撞聚結(jié)長(zhǎng)大的幾率也增加,從而使油滴更容易被濾料攔截去除。當(dāng)多孔陶瓷濾料與磁分離技術(shù)結(jié)合后,除了多孔陶瓷濾料的聚結(jié)作用外,磁性四氧化三鐵和磁場(chǎng)的存在對(duì)于油分的去除也起了非常重要的作用。磁分離作用不僅能使廢水中的油破乳分層,而且能通過(guò)磁力作用吸引部分被磁化的懸浮物,進(jìn)而除掉吸附在懸浮物上面的油滴。在自制的動(dòng)態(tài)除油裝置中,除油的機(jī)理變成了多孔陶瓷濾料的聚結(jié)過(guò)濾作用,磁分離作用和混凝沉降作用三者的有效結(jié)合,這樣極大地提高了處理模