深度处理技术

万博赞助火箭改性滤料对油田污水除油效果的影

 

  北极星水处理网讯:对核桃壳滤料表面进行活性改性,并将其用于含聚含油污水的处理。结果表明,当滤料填充高度为350 mm时,较未改性滤料,其除油率可提高25%~28%,反冲洗除油效果提高91%;当滤料填充高度提高到1 450 mm时,较未改性滤料,其除油率可提高34%。在过滤-反冲洗3个循环中,改性滤料较未改性滤料的反洗除油效果由44.8%提高到66.9%。改性滤料截留油污后容易被反冲洗除去而再生。相比于未改性滤料,过滤处理相同量的含油污水其寿命延长2倍以上。

  油田含油污水处理中,床层过滤除油是工艺流程中最后一个处理单元,其过滤介质通常为石英砂、核桃壳、纤维介质、微孔陶瓷、膜等。由于天然核桃壳具有来源广泛、吸附截污能力强、抗油浸、硬度高、耐磨性好、化学性质稳定、颗粒密度较低、容易产生水力反弹、反冲洗力度小、易再生重复使用等特点,成为油田污水处理中广泛采用的滤料。过滤过程分为聚集迁移和滤料吸附,在此过程中,污水中的乳化油会受到各种力的作用。在聚集迁移过程中会受到自身的重力沉降、水力冲撞和布朗扩散作用,在滤料吸附过程中会受到接触凝聚、静电引力、吸附、分子引力和聚并作用。滤料的过滤效果受到这些力的制约。天然核桃壳过滤使用一段时间后,由于其表面吸附原油,容易导致滤料床层板结,反冲洗效果快速下降,而使除油率大大降低。本研究通过引入亲水性的磺酸基团,对天然核桃壳表面进行改性处理,使其表面性能由亲油疏水变为亲水疏油。研究表明,改性后滤料除油率稳定提高,且反冲洗再生容易,使用寿命延长。

  实验所用核桃壳滤料粒径为1.6~2.0 mm。使用前先用清水洗至澄清,然后于105 ℃下烘干。

  实验用污水的配制:取某油田现场污水(矿化度9 374.13 mg/L),向其中加入现场注聚用聚合物AP-P4(相对分子质量1 000万,活性物质88.20%),使其含聚质量浓度为50 mg/L。升温至60 ℃,加入某油田标准原油,然后用高剪切乳化机在12 600 r/min的转速下乳化5~10 min,使水样表面无浮油。污水含油以实测值为准。水样含油量按照《油田污水中含油量测定方法分光光度法》(SY/T 0530—2011)测定。

  仪器:JC2000D1型接触角测量仪,上海中晨数字技术设备有限公司;SU8010扫描电镜,Hitachi公司;TU-1810PC紫外分光光度计,北京普析通用仪器有限责任公司;WAW-1000B万能压力试验机,济南天华设备检测设备有限公司;GF30高剪切乳化机,弗鲁克流体机械制造有限公司;CH-Ⅱ型微型连续污水处理装置和1号过滤器(D=40 mm,H=400 mm)、2号过滤器(D=60 mm,H=1 500 mm),自制。

  取经预处理的核桃壳滤料200 g加入到1 000 mL三颈反应瓶中,向其中加入去离子水至滤料全部浸入,然后加入一定量的工业Na2CO3(药剂1)、Na2SO3(药剂2)和NaHSO3(药剂3),混合均匀。将三颈反应瓶放置于温度为106 ℃的油浴锅中,连接好搅拌装置和冷凝装置,煮沸反应2 h。反应完成后,取出滤料,用清水冲洗至无色,然后于105 ℃干燥3 h,待用。

  滤料填充方案一:1号过滤器填充滤料350 mm。滤料填充方案二:1只1号过滤器填充滤料350 mm,另1只1号过滤器填充滤料270 mm+石英砂垫层80 mm,二者串联使用,核桃壳滤料填充总高度620 mm。滤料填充方案三:2号过滤器填充滤料1 450 mm。核桃壳粒径d=1.2 mm。

  用泵将水温55~60 ℃的污水输入过滤器中,保持在过滤过程中滤料完全被水样浸没。记录每次收集3 L过滤后水样所需时间,共5个收集时段,并分析过滤后水样含油量。每批次滤料过滤完成后,用2 L、60 ℃清水在同等强度下对滤料进行反冲洗,并取1 L反冲洗出水测定含油量。

  接触角(θ)是反映物质与液体润湿性关系的重要尺度,θ=90°可作为润湿与不润湿的界限。θ<90°时,可润湿;θ>90°时,不润湿。按照1.2.1的方法采用不同配比的药剂在反应温度96 ℃下对核桃壳进行表面亲水性改性,得到系列改性滤料a~f。测量水在其表面的接触角,结果如表1所示。

  从表1可以看出,改性前滤料的表面接触角为95.0°,表明其表面疏水性强;改性后滤料的表面接触角降低为36.8°~66.3°,表明改性核桃壳表面亲水性显著提高,其中以改性滤料c亲水改性效果最优。后续均采用改性滤料c进行实验。

  从SEM结果可以看出,改性前滤料表面微孔隙大且多,过滤时乳化油污更易吸附堵塞微孔隙。改性后核桃壳的表面微孔形态发生了变化,微孔隙变小,使表面更加致密。

  在内径为40 mm的钢管内填充满核桃壳,上下用钢制活塞压住,然后采用试验机从0.1 kN/s的力速开始缓慢增加压力,研究改性前后滤料的力学性能变化。结果表明,当破坏力达到50 kN时,破坏强度为39.8 MPa,改性前滤料样品形变为30.0 mm,改性后滤料样品形变为30.4 mm,应变为60%时二者变形性相近,2种滤料均未见粉碎性变化,表明其力学性能没有发生变化。

  按方案三填充未改性滤料和改性滤料,高度1 450 mm。采用U型管压差计(标准的± 10 000 Pa的倒U型设置)进行不同滤料填充后过滤床层阻力的变化实验。测量含油污水过滤时的压差高度变化,计算其过滤阻力。结果表明,改性前滤料过滤阻力为2.63 kPa,改性后滤料过滤阻力为2.60 kPa,表明滤料床层阻力变化较小。

  在250 mL具塞锥形瓶中,分别放入30 g的未改性滤料和改性滤料c,再分别向其中加入150 mL含油86.60 mg/L的水样,然后在60 ℃恒温震荡器中振荡吸附1 h。吸附完成后,将瓶中的含油污水倒出,测其含油量;瓶中的滤料则用150 mL的60 ℃清水洗净,将水倒出,测含油量;瓶中的滤料重复进行吸附/反冲洗实验。结果见表 2。

  从表 2可以看出,随着吸附次数的增多,2种滤料对油污的吸附能力均呈下降趋势,且改性后滤料对油污的吸附能力相较于改性前明显降低。原因是由于连续震荡的存在,2种滤料都不会形成滤层,只能依靠其自身孔隙和表面吸附能力。改性后滤料表面孔隙变小,亲水性变强,乳化油不易在滤料孔隙和表面吸附,而是聚集为油珠,在连续震荡的作用下其更易脱落。由于反冲洗时聚集的油珠更易从滤料表面脱除,因而改性滤料反洗水中含油量要高于未改性滤料。

  按滤料填充方案一分别用改性滤料c和未改性滤料填充过滤器。实验用污水含油180.39 mg/L,水温60 ℃。将水样用泵以480 mL/min的泵速输入过滤器中,使污水全部浸没滤料运行。记录每次收集3 L过滤水所用时间并分析含油量,共5个时段。总过滤16 L水后,用2 L、60 ℃的清水进行滤料反冲洗。改性前后滤料的过滤除油效果如图 2所示。

  从图 2可以看出,改性滤料的除油率较改性前提高了25%~28%,改性滤料平均除油率达到77.5%。经检测,未改性滤料反洗水含油质量浓度为5.32 mg/L,改性滤料反洗水含油质量浓度为59.09 mg/L,改性滤料反冲洗水含油量较未改性滤料提高91%,表明改性滤料层截留的污油更易通过反冲洗除去,滤料再生更容易。另外,从图 2还可以看出,改性滤料的平均过滤时间较未改性滤料长约25 s。对于改性滤料,过滤中水除了受到滤层阻力和悬浮颗粒的阻塞作用外,还因滤料表面变为水湿而受到附加的毛细阻力,因此滤速变慢,过滤时间变长。万博赞助火箭但较长的过滤时间亦使水中的油与滤料的接触更充分,使其吸附、截留、捕获的效果加强,进而使改性滤料对油的截污能力得到提高。

  按滤料填充方案三分别用改性滤料c和未改性滤料填充过滤器。万博赞助火箭!实验用污水含油216.21 mg/L,水温60 ℃。将水样用泵以480 mL/min的泵速输入过滤器中,使污水全部浸没滤料运行。记录每次收集3 L过滤水所用时间并分析含油量,共5个时段。过滤床层高度对除油效果的影响见图 3。

  实验结果表明,过滤床层高度、直径的增加,在一定程度上增大了污水在过滤器中的停留时间,使水中的污油与滤料接触面积变大,除油率提高。对于改性滤料,当滤料填充高度增加时,除油效果相较于未改性滤料提高更加明显,其除油率较未改性滤料提高34%以上。

  按滤料填充方案二分别用改性滤料c和未改性滤料填充过滤器,滤料填充总高度为(620+80) mm,双通道泵的出口分别接入2台过滤器。实验用污水含油245.34 mg/L,水温60 ℃,泵流量480 mL/min。每过滤20 L含油污水后,取水样测定含油量;再用2 L、60 ℃的清水进行滤料反冲洗,分析反洗水含油量。过滤-反洗3个周期循环的效果分析见表 3。

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