多孔陶瓷滤料的表面改性及聚结过滤处理模拟油田采出水

陶瓷微滤膜用于油田采出水处理的研究王怀林 王忆川 姜建胜 云金明 王建华(江苏石油勘探局石油工程技术研究院,扬州 225261)摘 要 综述了微滤膜及过程的一些重要特征1介绍了国内外的一些相关研究1在大量试验研究的基础上,探讨了不同温度、压差、膜面流速、孔径等参数对过滤特性的影响1针对膜处理中最为关键的清洗问题,我们设计了脉冲及预处理工艺,有效地延长了过滤周期1同时根据油田采出水对膜面的污染特征,确定了B 、C 两种清洗剂交替使用的清洗方案1并验证了所采用的预处理工艺、清洗工艺、脉冲工艺的可重复性和稳定性,为工业性放大试验奠定了技术基础,最后展望了陶瓷微滤膜在油田采出水中的应用前景1关键词 陶瓷 微滤膜 通量 清洗 死端 交叉流 堵塞分类号 TQ92由于低渗透油田对注入水水质有一个较高的要求(SY/T 5329)94标准),长期以来对油田采出水的精细过滤技术的研究一直没有间断过,然而从现有的发展状况来看,还没有较成熟、完备性的技术1在过去相当长的一段时间里油田采出水处理工艺都是围绕着深层过滤的滤料、布水方式、过滤效率这三个基本问题展开的1通过我们这几年对多项技术的跟踪及理论研究表明,采用传统的深层过滤技术难以达到现有低渗透油田注水水质标准,因此借鉴国外油田采出水过滤技术的发展历程,开辟一个新的研究领域是完全必要的1随着膜技术的发展和成熟,为油田采出水的处理拓宽了研究空间,国内外学者对膜法处理油田采出水的研究产生了浓厚的兴趣1文献[1]李发永等采用了外压管式聚砜超滤膜处理胜利油田东辛采油厂预处理过的污水,对操作条件、清洗工艺作了研究1膜有效面积为014m 2,在一定的操作条件下,膜通量为80~490L #m -2#h -1,处理后的采出水达到了低渗透油田注水水质标准1文献[2]SIMM S K M 等分别采用聚合物超滤膜和陶瓷微滤膜对加拿大西部油田采出水进行了实验研究,前者在进口含油为125~1640mg/L,悬浮物含量为150~2290mg /L 的条件下,过滤后的水中含油<20mg/L,悬浮物含量<1mg/L,过滤速率在50~90L #m -2#h -1之间,用阴离子活性剂和碱进行清洗,使污染膜的纯水通量恢复到了初始值1后采用018L m 陶瓷微滤膜,通过预处理工艺和脉冲工艺,膜面流速保持在015~4m/s 之间,运转周期为24~73h,过滤速率可保持在200~50L #m -2#h -1,滤过水含油<20mg/L 1文献[3]Bhave Ramesh R 介绍了Alcoa 公司的Chen A S C 等采用012~018L m 陶瓷微滤膜在美国墨西哥湾采油平台上进行的试验,保持膜面流速2~3m/s,在进口含油为28~583mg/L 的情况下,出口含油降到所用方法能够测到的极限值,固体悬浮物含量从73~290mg /L 降低到1mg/L 以下,采用恒流量方式中,过滤速率保持1600L #m -2#h -1,依据操作条件的稳定程度,清洗周期为66~330h 11 研究用陶瓷微滤膜及过程依据膜材料和性质把膜分为有机膜和无机膜1一般就膜孔径的分布范围把膜过程分为微滤、超滤和反渗透三种形式,膜孔径范围0101~10L m 为微滤、01001L m~0101L m 为超滤、010001L m~收稿日期:1998-01-07第一作者:男,33岁,工程师,1996年华中理工大学获硕士学位第18卷 第2期膜 科 学 与 技 术V o1.18 No.21998年4月M EM BRAN E SCI EN CE AN D T ECHNOL OGY Apr.199801001L m 为反渗透1鉴于油田采出水化学组分复杂、腐蚀性强等原因,对过滤介质有一个较高的要求,相比之下无机膜显示出独特的优越性:*化学稳定性高、耐酸、耐碱、耐腐蚀1对温度和有机溶剂有较大的稳定性;*结构坚固、机械强度大、耐压、耐磨、使用可靠、耐久;*抗微生物能力强,不与微生物发生作用1本试验研究选用了南京化工大学和U 1S 1Filter 陶瓷微滤膜1111 有关技术参数(表1)表1 所用陶瓷微滤膜有关技术参数生产厂家商 标膜材料商业标称孔径/L m结 构长度/mm 膜面积/m 2南京化工大学A l 2O 301819孔道10000135ZrO 201219孔道10000135U 1S 1F ilterM embraloxA l 2O 301219孔道850013112 膜孔径分布及膜面形态采用泡压法所测的孔径分布见图1和图2,电镜下膜面形态见图3和图41图1 012L m ZrO 2膜孔径分布图图2 018L m Al 2O 3膜孔径分布图113 纯水通量在室温下,采用超滤水测定三种陶瓷微滤膜在不同压力下的纯水通量,见图51图5中表明,国内012L m 陶瓷微滤膜与国外同类膜在纯水通量上还有一定差距1图3 012L m ZrO 2膜面形态图图4 018L m Al 2O 3膜面形态图本试验研究为微滤过程,过滤速率是膜过程的一个重要经济指标,很多学者对此做了大量的研究工作(文献[4~6]),从不同的角度提出了一些基本理论模型,但由于膜过程的复杂性及系统因子的不可观性,均没有从理论上给应用带来数学意义1从试验数据拟合的经验公式可重复性差,理论模型难求解,经验公式有待进一步验证,但这并不影响人们有效地应用过程,事实上一些理论模型对于我们客#60 # 膜 科 学 与 技 术第18卷图5 三种膜纯水通量对比观表征的特性具有指导意义1根据文献[6],有效的微滤膜有以下几项关键指标是重要的:(1)孔径均一性;(2)孔密度;(3)活性层或孔径最小层的厚度1这些参数对过滤速率的影响可以用Poiesuile p s 定律描述:J =Q /A =[P$p8L D]r n i d 4i其中,Q/A 是每单位膜面积通过流体的流速(即过滤速率);v p 为膜两侧的压差;L 是溶液粘度;D 是活性孔道层的厚度;d i 则是单位面积A 上第i 个孔道的孔径1去除率是微滤过程的最终目标,是评价液-膜系统的重要技术指标1一般认为微滤主要机理是筛分效应,至于多大孔径能截留什么样的颗粒,是一个复杂的问题,有待于进一步研究1应当讲/面向对象0的设计方法是最有效的,在保证设计指标的同时,兼顾过滤速率这一经济指标,由试验权衡得出1微滤过程用死端(dead-end)和交叉流(cross-flow)过滤两种工艺形式1后者是过滤流体平行于滤膜表面流动的过滤方式,它大大改善了膜面的沉积状态,在一定程度上延缓了膜堵塞(fouling )周期1交叉流过滤过程中的一个重要指标是膜面流速,应当认为在具有相当的过滤特性条件下,研究一种高效工艺技术,使得膜面流速越低越好1研究所采用的工艺流程见图61试验研究所采用的污水是江苏石油勘探局真武油田真二站三相分离器出口水,悬浮物含量I [30mg/L,200mg/L],含油I [20mg/L,500mg/L]12 试验研究结果及讨论211 有关重要参数对陶瓷微滤膜在油田采出水工况下过滤特性的影响21111 不同温度对过滤特性的影响在u =018m /s,v p =0115MPa 定义条件下,用018L m 的微滤膜分别测得处理水在T =70、50、25e 时的过滤特性见图71图6 无机膜试验装置流程示意图第2期 王怀林等:陶瓷微滤膜用于油田采出水处理的研究#61 #图7 温度对过滤特性的影响可以看出,温度较高,过滤速率的衰减越低,70e 工况下明显高于50e 工况,50e 工况优于25e 工况1因此,在实际应用过程中,在条件允许的情况下,一个较高的温度有利于保持过滤速率121112 不同膜面流速对过滤特性的影响在v p =0115M Pa,T =50e 定义条件下,采用018L m 的微滤膜分别测出u =210、115、110、015、0125、0m/s 时的过滤特性,见图81图8 膜面流速对过滤特性的影响显然在实验条件下,u 越大,J 衰减越小,说明在一定范围之内u 的大小,可以改变膜面的沉积状态,但必须考虑到实际应用过程中系统泵功率的消耗,两者兼顾,选择在015~110m /s 较为合适121113 不同孔径和不同材料的膜对过滤特性的影响(见图9)图9 孔径及膜材料对过滤特性的影响#62 # 膜 科 学 与 技 术第18卷从图中可以看出,3种膜抗堵性能:南化产012L m ZrO2>南化产018L m Al2O3>U1S1Filter 012L m Al2O3121114不同压差对过滤速率的影响见图10图10压差对过滤特性的影响从图中可以看出,随着v p的提高,J呈指数函数关系上升,和u一样在实际应用中还必须考虑操作成本,因此,选择v p=0115M Pa较为合适1212脉冲及预处理工艺工业性应用过程中,过滤速率从初始值衰减到规定的最小过滤速率(设计者设定参数)称为一个过滤周期1显然,这个周期越长,系统有效运行时间越长,清洗处理的费用也就越低1在大量试验研究的基础上,我们设计了脉冲及预处理工艺来延长过滤周期121211脉冲工艺依据水质条件,膜面沉积状况恶化时,瞬时在线对系统进清洗,时间为2~3s121212预处理工艺结合脉冲工艺的特点,改变处理液的状态,使得脉冲工艺更为有效1A型预处理剂加入量为10~50mg/L1采用018L m微滤膜,在u=018m/s,T=50e,着v p=0115MPa给定条件下,两项工艺技术对过滤特性的影响,见图111图11预处理及脉冲对过滤特性的影响由图可见,在两项工艺条件下,过滤速率从初始值2670L#m-2#h-1衰减到16800L#m-2#h-1,经过了42h,且稳定下来1此试验达到或超过了国外过滤速率为1600L#m-2#h-1的水平1213清洗工艺膜的有效再生是实现长期操作的基础,为此根据油田采出水对膜面污染特征,分别采用了B、C两种清洗剂,B型清洗剂主要用于去除膜面的油类及沥青胶质类污染物,C型清洗剂用于去除膜面大量的钙、镁等金属离子1通过近20次过滤后的清洗,证明清洗是有效的,见表21214水质指标研究主要监测SY/T5329)94标准中含油、悬浮物两项指标,分析方法同标准规定,具体见表31第2期王怀林等:陶瓷微滤膜用于油田采出水处理的研究#63#表2数次过滤后清洗一览表清洗次数01234,1516171819纯水通量/L#m-2#h-12000190019602000193019801960193019001970恢复率/%9598100961599989615959815表3含油悬浮物分析方法测量次数水质指标悬浮物/mg#L-1含油/mg#L-1进口出口进口出口去除率/%悬浮物油194151129615301598179915 2106120174812601299139916 313112511415410809819100 426116721328710931299119819 524316701757316731799179914 6108133012390182015499189919 730190191717118397118917 8221290173211409619100 916180671101591009911 1010615015434015599159919 11211250144216809712100 12251480161511390188971698133结论1)通过研究,我们初步优选了操作参数,并进一步验证了两项工艺技术的有效性,处理后水质指标达到了SY/T5329)94标准1具备了工业性放大试验的技术基础12)在研究过程中,国内陶瓷微滤膜,就工艺过程中的特性来看,已达到国外同类膜的水平1而国内膜价格是国外同类膜的1/4~1/6,具有推广应用的可能1我们做了初步估算,根据本试验所优选的参数设计一个处理规模为1000m3/d的陶瓷微滤膜系统,成本80万元左右,操作成本大约115元/m31重要的是工艺技术和膜科研制造人员进一步加强合作,联合攻关,使得在油田采出水工况下膜质量进一步提高,深化工艺研究,以降低制造成本和操作成本1参考文献1李发永,李阳初,孙亮,等1含油污水的超滤法处理1水处理技术,1995,21(3):145~1482Simms K M,L iu T H,Zaidi S A1Recent advances in the applicat ion of membr ane technology to the treatment o f pr o-duced w ater in Canada1Water T reatment,1995,10:135~ 1443Bhave Ramesh R1Inor ganic membranes synthesis,charac-ter istics and applications1Chapman&Hall,19911289~291 4K oltuniewicz A B,F ield R W,Arnot T C.Cross-flow and dead-end microfiltration of oil-water emulsio n1Jour nal of M embrane Science,1995,102:193~2075许莉1陶瓷膜的应用及动态性能研究1流体机械, 1996(2):1~76Baker R W1M embrane separation systems-r ecent develop-ments and future direct ions1No yes Data Cor poration, 1991118~24S tudy on the treatment of oil field produced water withceramic microfiltration membranesWang H uailin,Wang Yichuan,Jiang Jiansheng,Yun Jinming,Wang Jianhua(Institute of Petroleum Eng ineering and Technology,Jiangsu Petroleum Ex ploration Bureau,Yang zhou225261)Abstract The tests of oil field produced w ater treatm ent w ith ceramic microfiltration membranes w ere de-scribed and the relative literatures w ere reviewed1Based on lots of experiments,the effects of the temperature, transmembrane pressure difference,cross-flow velocity and pore size on the filtrability were investigated1To counter the membrane fouling,the back-pulsing and pretreatment processes were designed and the effectively filtration period was prolonged1According to the fouling characteristics in membrane surface,the cleaning agents B and C were used alternatively to regenerate the membrane1These methods w ere proved to be effective1At last, the v ast application of the ceramic m icrofiltration membrane in produced water treatment w as predicted1Key words ceramic m icrofiltration membrane flux cleaning dead-end cross-flow fouling#64#膜科学与技术第18卷。

赤泥质多孔陶瓷滤料表面改性及其在水处理中的应用研究的开题报告一、研究背景与意义水资源是人类生产生活中必不可少的资源之一，在现代工业、农业、城市生活等各个方面都起着重要的作用。

但是，随着经济和人口的增长以及人们对生态环境的破坏，水资源已经成为全球性的问题。

如何有效地处理和净化水资源，将其利用在各个领域，已经成为当今社会所面临的重要问题之一。

陶瓷滤料是一种广泛应用于水处理领域的有效材料，在工业废水处理、制药、电力、化工等领域中得到了广泛的应用。

赤泥质多孔陶瓷滤料是一种新型材料，具有多级孔道结构和高的孔隙度，可以有效地去除水中的悬浮物、色度、异味等污染物质。

但赤泥质多孔陶瓷滤料使用过程中容易出现堵塞，影响其使用效果。

因此，对赤泥质多孔陶瓷滤料进行表面改性，以提高其抗污染能力和稳定性，已成为研究的热点和难点之一。

本文通过对赤泥质多孔陶瓷滤料表面进行改性，研究其在水处理中的应用，将其应用于工业废水处理中，达到降低水污染和节约水资源的目的。

二、研究内容（一）研究对象：赤泥质多孔陶瓷滤料。

（二）研究方法：通过改性剂对赤泥质多孔陶瓷滤料表面进行改性处理，采用SEM、XRD、FTIR等分析手段对其表面形貌、物理结构和化学成分进行分析，探究改性后滤料的性能变化；使用水处理试验台，在废水处理过程中测试改性和未改性滤料的污染物去除效果，并评估其抗污染和稳定性能；最终通过数据分析和比较，验证赤泥质多孔陶瓷滤料表面改性在水处理中的应用。

三、预期成果通过对赤泥质多孔陶瓷滤料表面进行改性处理，以提高其抗污染能力和稳定性，达到解决废水处理难题和降低水污染的目的。

并且在实际应用中，对改性后的滤料进行优化和调整，以提升其处理能力和稳定性。

四、研究难点1、改性剂的选择：选择一种改性剂能够达到理想效果，同时安全性和成本也需要考虑。

2、滤料表面特性的分析：需要使用多种分析手段对滤料表面的形貌、物理结构和化学成分进行分析和验证。

3、废水处理试验：在试验过程中需要确定合适的废水处理方案和实验参数，保证数据结果的准确性和可靠性。

陶瓷颗粒滤料过滤油田污水技术研究的开题报告摘要：随着油田开发的逐步扩大和加强，油田污水处理问题日益严重。

针对现有技术存在渗透性差、设备大、维护难度高等问题，本文提出了采用陶瓷颗粒滤料进行油田污水处理的技术方案。

在此基础上，结合实际情况展开了具体的研究方案与方法，包括陶瓷颗粒滤料的选取、过滤速度的测试、处理效果的评估等。

最终得出结论：陶瓷颗粒滤料可有效去除油田污水中的悬浮颗粒、油脂等杂质，其过滤效果优于传统的过滤技术。

因此，在油田污水处理领域具有广阔的应用前景。

关键词：陶瓷颗粒滤料；油田污水；过滤技术一、研究背景随着我们国家工业的快速发展，能源需求的不断增加，油田的开发越来越得到重视。

但是随着油田的不断发展，油田污水处理问题也愈加突出。

油田污水是一种含油污水，其中含有大量悬浮颗粒、油脂、有机物等杂质，需要进行有效地处理才能避免对环境的污染。

目前，在油田污水处理技术中主要采用的是物理化学处理、生物处理等技术。

例如，表面活性剂+氧化剂法、生物技术处理法等，但是这些技术存在一些问题，如需要占用大面积的土地和设备，运营成本高等问题，并且其对污水中一些微量元素的去除效果不佳。

二、研究目的与意义本文旨在探究一种新型的油田污水处理技术，在改善传统技术的基础上提出一种更经济、更有效的处理方案。

具体目的如下：1. 确定陶瓷颗粒滤料对油田污水过滤的适用性。

2. 探究不同颗粒大小的陶瓷颗粒滤料对于污水过滤效果的影响。

3. 测试并比较陶瓷颗粒滤料和传统的过滤技术的处理效果。

三、研究内容与方法本文将采用实验和分析的方法来研究陶瓷颗粒滤料在油田污水处理中的应用，具体内容如下：1. 实验设计：设计陶瓷颗粒滤料对油田污水的过滤实验，测定滤料的过滤速度，并比较陶瓷颗粒滤料和传统过滤技术处理效果的优劣。

2. 实验前准备：准备所需的油田污水样品和陶瓷颗粒滤料。

3. 研究方法：采用不同颗粒大小的陶瓷颗粒滤料，通过实验测定其对油田污水的过滤速度，并记录悬浮颗粒、油脂等污染物的去除情况。

多孔陶瓷滤料的表面改性及聚结过滤处理模拟油田采出水随着全球工业的迅速发展，我国大部分油田进入开采中后期，原油综合含水率大幅提高，油田采出水的排放量也每日递增。

作为一种高污染源之一，其成分复杂，油含量高，若不进行处理就直接排放出来，势必会给社会环境和人类健康带来严重伤害。

因此，国内外都在不断探索处理含油废水的新技术。

总的来说，包括物理法、化学法、物理化学法和生物化学法以及其他的各种组合工艺。

聚结除油法因为其特有的除油机理，越来越受到各界学者的关注。

基于此，选择稳定高效的聚结材料和发展新方法是至关重要的。

作为一种典型的粗粒化材料，多孔陶瓷滤料因为其稳定性好、孔隙率高、再生性强、无二次污染等优点，可以广泛应用于油田采出水的处理。

但是，多孔陶瓷滤料本身属于疏油性的，而其疏油性又不是很高，用它直接处理油田采出水效果并不是很好，因此有必要对其进行改性或者与其他技术相结合来提高含油废水的处理效果。

本文提出分别用铝酸酯偶联剂和聚乙二醇对多孔陶瓷滤料进行改性，分别提高滤料的亲油性和疏油性，并对改性前后的滤料用红外光谱（FTIR）、扫描电镜（SEM）、密度、孔隙率及对水的接触角等测试手段进行了表征。

在此基础上，又进行了改性前后的滤料分别与磁分离技术相结合处理模拟油田采出水的研究，并探究了影响模拟油田采出水处理效果的因素，如滤柱高度、滤速、原废水水质、磁场强度改性多孔陶瓷滤料和磁粒子的质量配比等。

主要的研究成果如下：（1）以铝酸酯偶联剂为亲油改性剂，去油率为评价指标，通过L₉（3⁴）正交实验优化改性工艺，从而确定了最佳改性工艺条件为铝酸酯偶联剂5%（改性液质量分数）、改性温度90℃、改性时间20min和涂层次数1次。

改性后滤料的FTIR图在2920cm^-1和2851cm^-1处出现了-CH₃、-CH₂等基团的特征吸收峰，这些基团均来自铝酸酯偶联剂；改性后滤料的密度较改性前明显减小，是改性后亲油涂层的存在封闭了其表面的部分气孔而导致体积增大的缘故；而改性剂的存在又占据了滤料的一部分孔道，因而滤料内部的孔隙率也减小；从SEM的测试可以看出滤料表面的孔道较预处理的减少很多，且元素分析表明改性后滤料表面的铝、氧等元素增多；改性滤料对水的相对接触角比预处理滤料的增大了90°，这些结果都表明铝酸酯偶联剂成功改性多孔陶瓷滤料。