改性滤料对油田污水除油效果的影响研究

北极星环保网讯: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。

1实验部分

1实验原料与仪器

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。

2实验方法

（1）滤料改性

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。

（2） 过滤及反冲洗操作

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。

2结果讨论

1滤料改性前后表面形貌与力学性能分析

（1）改性前后滤料表面接触角的测定

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。

表 1 改性前后滤料表面接触角测量结果

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。

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