多孔陶瓷濾料的表面改性及聚結(jié)過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,勢必會給社會環(huán)境和人類健康帶來嚴(yán)重傷害。因此,國內(nèi)外都在不斷探索處理含油廢水的新技術(shù)?？偟膩碚f,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,因此有必要對其進(jìn)行改性或者與其他技術(shù)相結(jié)合來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、孔隙率及對水的接觸角等測試手段進(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,去油率為評價(jià)指標(biāo),通過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;改性濾料對水的相對接觸角比預(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)用聚乙二醇對多孔陶瓷濾料進(jìn)行疏油改性,通過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;通過對密度、孔隙率及對水的相對接觸角的測定得出,濾料經(jīng)聚乙二醇改性后,其密度、孔隙率和對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,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、磁場強(qiáng)度、濾速、濾柱高度和Fe3O4粒徑大小等因素對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)間更長久。
　　(4)采用自制備的無機(jī)-有機(jī)復(fù)合混凝劑,在自制動態(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)過混凝沉淀池,然后依次通過碰撞聚結(jié)過濾-磁分離裝置和潤濕聚結(jié)過濾裝置,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)過濾速度快、處理水量大、運(yùn)行的時(shí)間也更長,其共同點(diǎn)是,當(dāng)多孔陶瓷濾料的聚結(jié)過濾與磁分離技術(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)。說明此濾柱的處理能力較強(qiáng),運(yùn)行周期也較長。
　　(5)親油性多孔陶瓷濾

13、料主要依靠潤濕聚結(jié)機(jī)理來除油。其表面的親油性基團(tuán)能夠潤濕吸附和聚結(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,過濾柱中的空隙少,使得油滴在濾料表面潤濕的同時(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,小油滴通過碰撞聚結(jié)長大的幾率也增加,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的存在對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