聚四氟乙烯膜处理三元驱采油废水的效能与膜污染控制

摘要

三元复合驱油技术是将碱、表面活性剂和聚合物作为驱替剂的化学驱油技术。三元复合驱采油废水中残留了大量的碱、表面活性剂和聚合物，与一般的采油废水相比，三元驱采油废水具有聚合物含量高、pH值高、水温高、矿化度高，含油量高等特点。传统方法（混凝-沉淀（气浮）-过滤）对三元驱采油废水中的油和聚合物的去除效果较差，而膜分离技术凭借其特有优势可不经过破乳过程直接实现油水分离，不过，三元驱采油废水的pH（10-13）值超过了诸如聚偏氟乙烯（PVDF）、聚砜（PSF）、聚醚砜（PES）等膜材料的耐受范围，容易使这些膜产生化学损伤。然而，聚四氟乙烯（PTFE）膜化学稳定性好，具有耐酸碱、耐高温、耐微生物侵袭、耐氧化、耐油和耐压等诸多优点，可用于处理三元驱采油废水。
　　本研究主要内容包括：⑴构建了PTFE膜处理三元驱采油废水的中试系统，并优化了该系统的运行参数；考察了PTFE膜处理三元驱采油废水的效果，以及主要污染物相互作用对污染物去除效果的影响；分析了膜污染物的成分，研究了主要污染物在PTFE膜上的吸附污染规律，并通过数学模拟确定了膜污染的型式；基于PTFE膜污染机理的分析，建立了膜清洗方法。本研究对解决三元驱采油废水的处理问题，提供了新的途径。⑵PTFE膜处理三元驱采油废水中试系统运行参数对的优化结果表明，该系统最优运行参数：膜通量为10 L/m2·h、反洗周期为60 min、反洗通量为90 L/m2·h和气洗强度为10 m3/m2·h。此时，PTFE膜对油、聚丙烯酰胺（APAM）、TOC、浊度、SS的去除率分别为：74.82%-83.6%、95.8%-98.25%、81.56%-91.47%、84.25%-91.74%、88.42%-98.95%。论文采用PTFE膜死端过滤装置对配水水样进行了试验，研究了不同污染物相互作用对污染物去除效果的影响，结果表明：离子和表面活性剂都会降低PTFE膜对油和APAM的去除率，然而，油可以提高PTFE膜对APAM和表面活性剂的去除率，APAM可以提高PTFE膜对油和表面活性剂的去除率。⑶分析了PTFE膜处理三元驱采油废水过程中膜污染物成分、污染物相互作用对膜污染的影响和膜污染型式。结果表明，PTFE膜处理三元驱采油废水过程中膜表面存在有机污染和无机污染；膜孔堵塞阻力远大于滤饼层阻力（分别为7.696±0.22×1011和2.716±0.13×1011 m-1），即有机污染物对PTFE膜的污染，以膜孔堵塞为主；采用经典“cake”模型模拟PTFE膜分离油、APAM和三元驱采油废水时通量的衰减过程，发现PTFE膜过滤油、APAM和三元驱采油废水的通量衰减过程，适应程度最好的模型分别为完全堵孔模型、标准堵孔模型和标准堵孔模型。基于油和APAM在PTFE膜上的吸附热力学和吸附动力学，研究了其吸附机理，指出，油和APAM在膜上的吸附等温线分别属于Temkin模型和Langmuir模型，两种吸附过程均属于以物理吸附为主的吸附过程，物理吸附力主要是氢键作用，油和APAM在膜上的吸附过程分别是放热和吸热过程；PTFE膜对油和APAM的平衡吸附时间分别为16 h和20 h；准一级动力学模型对油和APAM吸附过程拟合程度最好。⑷基于PTFE膜处理三元驱采油废水的膜污染机理，建立了膜清洗方法。在单因素实验的基础上，采用Design-Expert软件对响应面法实验结果进行回归分析，得到以膜通量恢复率为响应值的二次多项回归模型，对回归模型求极值可知膜清洗的最佳条件为：NaOH浓度为1%，NaClO浓度为0.72%，HCl浓度为0.65%，浸泡时间3.35 h，温度40.06℃；在此清洗条件下PTFE膜实际通量恢复率为99.34%；SEM-EDX、AFM、FTIR等微观分析结果进一步证明了最优清洗方法的清洗效果。

目录

第1章 绪 论

1.1 三元驱采油废水及其处理技术

1.2 膜分离技术概述

1.3 膜技术在三元驱采油废水处理中的应用

1.4 研究目的与意义

1.5 课题的技术路线与研究内容

第2章 试验材料与方法

2.1 试验材料

2.2 试验装置和仪器

2.3 试验方法

2.4 仪器分析

第3章 PTFE膜处理三元驱采油废水的效能

3.1 引言

3.2 PTFE膜处理三元驱采油废水的运行参数优化

3.3 PTFE膜处理三元驱采油废水的污染物去除效果

3.4三元驱采油废水中污染物之间相互作用对污染物去除的影响

3.5 本章小结

第4章 PTFE膜处理三元驱采油废水的膜污染机理

4.1 引言

4.2 PTFE膜处理三元驱采油废水的污染物分析

4.3 PTFE膜处理三元驱采油废水膜污染过程的数学模拟

4.4 膜污染机理分析

4.5 本章小结

第5章 PTFE膜处理三元驱采油废水的膜清洗研究

5.1 引言

5.2不同清洗剂及清洗条件对污染膜的清洗效果

5.3 多种清洗剂联合对污染膜的清洗效果

5.4 清洗前后膜表面的微观分析

5.5 清洗前后膜性能的变化及膜寿命分析

5.6 本章小结

结论

本研究创新点

展望

参考文献

攻读博士学位期间发表的论文及其它成果

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致谢

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