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油田含油废水处理方法

中国污水处理工程网 时间:2015-8-31 9:04:11

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  含油废水是指采油时伴随着原油开采出的废水,其油质量浓度一般为5 000~10 000 mg/L,通常有4种形式和状态,即悬浮油、乳化油、分散油和溶解油〔1〕。我国每年排放此类废水高达几亿吨,若不有效处理将对生态系统及人体健康造成巨大危害〔2〕。膜分离技术作为一种新型的流体分离技术,具有高效、节能、操作简单等优点,被誉为“21世纪的水处理技术”〔3〕。运用膜分离技术来处理含油废水,不仅可以有效降低含油率,同时对废水的总有机碳量(TOC)、总溶解固体量(TDS)也有较高的去除率〔4〕。PVDF是偏氟乙烯的均聚物,PVDF膜具有良好的物理化学性能,目前已逐渐应用于油田废水 处理等领域〔5〕。但由于PVDF在处理废水时容易产生吸附污染,导致膜通量下降和使用寿命缩短,应用上受到了限制〔6〕。PVDF的改性方法主要为共混改性和表面改性。笔者综述了共混改性PVDF膜的无机纳米材料,例举了改性后的膜处理含油废水的实例,为以后的理论研究和工程应用提供了借鉴。

  1 无机改性材料

  纳米粒子又称超细微粒,粒径通常在1~100 nm。纳米粒子表面曲率大,活化中心多,具有很强的耐磨性。将无机纳米粒子掺杂到膜基材中,制备出有机-无机复合膜以提高膜的综合性能,已成为膜技术工作者研究的热点。无机纳米粒子对膜性能的提高主要表现在:增强膜渗透蒸发过程中的传质,提高气体分离的选择性,提高膜的亲水性和抗污染性以及增强膜的机械性能,从而最终达到降低水处理能耗和成本的目的〔7〕。常用的改性纳米材料包括碳材料(氧化石墨烯和碳纳米管)、TiO2、Al2O3、SiO2等。

  1.1 纳米碳材料

  纳米碳材料是指分散相尺度至少有一维<100 nm的碳材料。自1991年日本科学家发现碳纳米管和2004年英国物理学家分离出石墨烯后,纳米碳材料凭借优良的性能,已逐步应用于石化、电子工业等领域。

  碳纳米管由单层或多层石墨片绕中心按一定角度卷曲而成,硬度与金刚石相当,却拥有良好的柔韧性,可以拉伸。将其掺杂到PVDF膜中,能提高膜的膜通量、韧性和使用寿命〔8〕。Yufen Zhao等〔9〕通过溶胶凝胶法制备出MWCTs/PVDF多孔膜。研究表明,多壁碳纳米管能增大膜的表面粗糙度,影响膜的孔隙率和孔径,从而提高膜的纯水膜通量及对牛血清白蛋白的截留率。

  石墨烯是一种由碳原子构成的单层片状结构的新材料,是目前世界上最轻、最硬的纳米材料。有研究者发现将石墨烯添加到膜材料中,能够显著增强膜的力学性能及韧性〔10〕。石墨烯经强酸氧化可以得到氧化石墨烯(GO)。氧化石墨烯和功能化的石墨烯具有较高的比表面积,且表面含有大量的亲水基团,能提高膜的润湿性能。Zonghua Wang等〔11〕将PVDF和GO溶解在N,N-二甲基乙酰胺中,通过溶胶凝胶法成功制备出有机-无机共混超滤膜。实验结果表明:共混膜比未改性PVDF膜表现出更优异的性能。当GO添加量为0.20%(质量分数)时,膜通量增加了96.4%,机械强度提高了123%,接触角由79.2°下降到60.7°,膜的抗污染性能也得到增强。Zhiwei Xu等〔12〕将低维度的碳材料添加到PVDF铸膜液中,研究其对膜的亲水性、抗污染性和机械性能的影响。发现碳材料在铸膜液中聚集现象严重,分散性较差;由于碳材料与聚合物基体的表面作用,导致复合膜机械性能下降。为了解决这些问题,他们在随后的研究中用硅烷偶联剂KH550改性氧化石墨烯〔13〕,再制备出f-GO/PVDF膜。通过原子力显微镜和X射线光电子能谱分析,发现f-GO成功附着在PVDF膜表面。f-GO改性PVDF膜的膜通量、抗污染性、机械性能均较GO/PVDF膜和PVDF原膜好。

  1.2 纳米TiO2

  纳米TiO2是一种白色疏松粉末,具有超强的亲水性能,抗菌杀菌能力大,分散性和光催化活性良好,目前已成为有机膜无机改性最广泛的材料之一。将纳米TiO2添加在聚合物基体中,或者用自组装方式沉积在膜表面是目前较为广泛的改性方法。大量研究表明,在铸膜液中分散一定比例的纳米TiO2能明显提高膜的抗污染性能、增大膜通量,且膜的光催化性能也得以加强,对于含油废水处理有着广阔前景。

  Feng Zhang等〔14〕将聚丙烯酸接到PVDF膜上,通过溶胶凝胶法制备出PAA-g-PVDF/TiO2复合中空纤维膜。该种复合膜表现出极高的渗透性,当TiO2质量分数为1%时,在0.1 MPa压力下膜通量达到974 L/(m2·h),蛋白质减少到24 μg/cm2。闫勇等〔15〕采用溶胶-凝胶法制备了TiO2/PVDF超滤膜,探讨纳米TiO2溶胶含量对膜性能及结构的影响。经纳米TiO2溶胶改性后,TiO2/PVDF复合膜的孔隙率、接触角和结构等都发生了显著变化,TiO2溶胶添加质量分数为4%时,膜的孔隙率为74.5%,水通量为430.6L/(m2·h),截留率为82.5%。

  1.3 纳米Al2O3

  纳米氧化铝是白色晶状粉末,已经证实氧化铝有α、β、γ、δ、η、θ、κ和χ等11种晶体。其中β-Al2O3、γ-Al2O3的比表面较大、孔隙率高、耐热性强、极好分散且成型性好,属活性氧化铝〔16〕。将纳米Al2O3添加到聚合物膜材料中,不仅能提高膜的亲水性及抗污染性,还能改善膜的机械性能。彭跃莲等〔17〕研究了α-Al2O3纳米颗粒质量分数在0~5%时,对PVDF超滤膜的纯水通量、截留率、力学等性能带来的影响,以及孔隙率和润湿角的变化。当α-Al2O3加入量为3%~4%时,纯水通量和截留率达到最大;添加量为2%时,拉升强度达到最大,增加近22%。用FT-IR、SEM对α-Al2O3/PVDF杂化膜的结构进行研究,结果证明纳米粒子与超滤膜之间没有形成新的化学键。

  1.4 纳米SiO2

  纳米SiO2是一种无定型白色粉末,是一种无毒、无味、无污染的超微细无机新材料。因其粒径小、长径比高、比表面积大、分散性能好等特点在众多学科及领域内独具特性。其表面有丰富羟基,故表面效应强〔18〕,与膜材料表现出良好的相容性。俞丽芸等〔19〕采用相转化法制备了PVDF/SiO2中空纤维复合膜,讨论了纳米SiO2粒子对PVDF膜结构和性能的影响,通过SEM、能谱、热分析等分别对不同膜的微观结构、化学组成、热稳定性等进行联合表征。结果表明:添加SiO2粒子有利于PVDF由α相向β相转变,复合膜的性能与纯PVDF膜相比有明显改善。当SiO2质量分数为3%时,纳米颗粒分散较均匀,膜断裂强度为纯PVDF膜的2.7倍,纯水通量由81.6 L/(m2·h)提高到160 L/(m2·h),热稳定性、亲水性和抗污染性显著提高;但过量的SiO2(质量分数>3%)会引起纳米颗粒团聚而导致膜的各项指标下降。

  1.5 其他粒子

  除上述无机纳米粒子外,其他材料也能提高膜的综合性能。A. Bottino等〔20〕将ZrO2分散于铸膜液中,成功制备出ZrO2@PVDF超滤膜,并研究了不同铸膜液组成对膜通量和葡聚糖截留率的影响。Junming Hong等〔21〕成功制备出纳米ZnO@PVDF微滤膜,分析后发现随着纳米ZnO质量分数从0~1%的不断增加,水在溶剂中的扩散速率加快,膜孔径增大,亲水性能和机械性能都明显提升,并在质量分数为0.005%时表现出最大的纯水膜通量和最小的表面粗糙度。Fe3O4能在制膜过程中改变膜的结构和综合性能〔22〕。纳米银粒子具有良好的导电性、表面效应、量子尺寸效应和杀菌性,将其负载到PVDF膜后处理含油废水,能有效杀死含油废水中的微生物〔23〕。

  1.6 多种粒子复合

  为进一步提高无机纳米粒子和有机膜的综合性能,有学者用2种及以上的纳米粒子同时改性PVDF超滤膜,达到令人满意的效果。X. S. Yi等〔24〕将纳米Al2O3和TiO2添加到PVDF膜中,进行乳化液油水分离,并探究分离过程中膜的流体力学性能。结果表明,改性后的PVDF膜较未改性前有更好的抗污染性能,用次氯酸钠溶液清洗后膜通量得到良好的恢复。Xiangyu Wang等〔25〕将纳米Fe和Pd附着在PVDF超滤膜上以减少废水中的氯,反应动力学研究表明,复合PVDF膜亲水性得以增强,且对废水中三氯乙酸的去除率较未添加纳米粒子的PVDF膜增大了6.8倍。

  2 改性PVDF膜处理含油废水

  2.1 处理含油废水实例

  在油田生产过程中,油田含油废水主要来源于原油脱水站〔26〕。处理含油废水的常用方法包括重力分离法、浮选法、混凝法、过滤法等。膜分离技术处理含油废水是近年来发展起来的一种方法,其可根据废水中油粒子的大小合理地确定膜截留分子质量,且处理过程中一般无相变化,直接实现油水分离,处理效果好、能耗低,且二次污染小。

  E. Yuliwati等〔27〕将纳米TiO2加入到PVDF膜中,用LiCl作成孔剂,制备出复合PVDF中空纤维膜以处理炼油废水。当TiO2质量分数为1.95%时,膜的孔隙率和亲水性达到最佳。此时处理含油废水所表现出的膜通量为82.5 L/(m2·h),除油率高达98.8%。

  竺柏康等〔28〕在PVDF/PVP体系中添加Al2O2和TiO2纳米颗粒,利用沉浸凝胶相转化法制得改性PVDF平板超滤膜,用于处理典型沿海油库含油污水。结果表明,采用改性膜处理含油污水,稳定时出水中悬浮物<0.4 mg/L,石油烃类<0.5 mg/L,COD在60~70 mg/L。

  孙鸿〔29〕采用相转化法流延成膜,制备出Al2O3+TiO2/PVDF超滤膜。在处理大庆油田某采油厂污水站二次砂滤水时发现:改性膜对各种污染物均有良好的去除率,其中出水含油<0.7 mg/L、浊度<2 NTU、悬浮物<0.5 mg/L,COD去除率达到80%~90%、TOC在95%以上。

  2.2 膜污染形成原因

  含油废水主要来源于石油、化工、钢铁、焦化、煤气发生站等工业部门。废水中油类污染物质除重焦油的相对密度为1.1以上外,其余的相对密度都<1。郑阳等〔30〕认为在油田采出废水中,主要污染物包括酯、酚、脂肪酸等含氧有机化合物。吕慧〔31〕认为膜污染主要包括堵塞污染(滤饼层)、不可逆吸附污染(吸附层),以及由浓差极化形成的可逆污染(凝胶层)。孙鸿〔29〕认为造成膜污染的主要污染物是原油和无机盐悬浮物,且带正电的无机盐离子与带负电的油类等有机物发生作用形成盐桥,使有机污染物与膜紧密结合在一起。在超滤膜处理油田采出水过程中,直径大于膜孔径的污染物直接附着在膜的表面,这种吸附力主要是范德华力。直径与孔径相近的污染物则由于压力的作用楔在膜孔中,导致膜孔堵塞。在此基础上,已经覆盖在膜上的这层紧密的油层又增加了膜面亲油性,从而加速更多的油粒吸附在其表面,造成凝胶层厚度不断增加,最终形成稳定的浓差极化层。总之,当油田废水一旦与PVDF膜接触,膜污染问题随即产生。在超滤膜处理含油废水过程中,膜污染不仅会直接造成膜通量的下降,长时间的污染还会造成膜分离特性的劣化,缩短膜的使用寿命。具体参见http://www.dowater.com更多相关技术文档。

  3 总结

  大量已有研究表明,PVDF膜在处理含油废水领域有着良好的效果。将纳米材料掺杂到滤膜中,能有效提高膜的综合性能。但对于不同纳米材料添加的比例、添加时的外界条件等影响因素,研究者还在不断摸索。纳米材料改性PVDF超滤膜处理含油废水还处在起始阶段,如何将纳米粒子良好地分散到有机聚合物中是当前的首要任务。不少研究者对纳米粒子进行预处理,如氧化、功能化以增加其表面的含氧官能团,取得了很好的效果。此外,随着纳米材料领域的不断发展,对新型纳米粒子将有更大的选择空间,复合膜的性能将更加全面和优秀。可以预见,碳材料复合PVDF超滤膜将成为有机膜无机共混改性的未来方向。与此同时,对于膜污染中的污染物和污染机理分析目前还未有统一的定论。加强对含油废水污染复合超滤膜的机理研究,可以直接有效地从根源上解决膜污染问题,增强膜的使用寿命,减少含油废水的处理成本。