主頁 > 新聞動態 > 溶氣氣浮分離除油溶氣壓力與化學助劑的影響 2021-12-17

溶氣氣浮分離除油溶氣壓力與化學助劑的影響

在石油開采、煉制及化工生產過程中會產生含油廢水，如處理不當進入環境水體，將對環境造成污染。對于直徑較小或密度與水接近的油滴，傳統的重力沉降難以達到令人滿意的效果。氣浮通過向污水中加入微氣泡，與油滴粘附形成絮團，可提高油水分離效率。
專家學者應用溶氣氣浮對不同水體中的油進行了分離實驗，主要關注氣浮池結構、操作參數及油水種類等因素對浮選除油效果的影響，而極少關注各因素對除油效果的影響機理，缺乏相應的理論分析。所以本文在進行氣浮除乳化油實驗的同時測量氣泡直徑、氣含率等參數并觀察乳化油形態，分析溶氣壓力及化學助劑對除油效果的的影響機制，以期指導溶氣氣浮的工業應用。
一、實驗部分
1.實驗流程及裝置
溶氣法生成微氣泡的裝置主要包括溶氣罐和釋放頭。實驗時回流水泵和空氣壓縮機分別將水和空氣注入高壓溶氣罐內，兩相在溶氣罐內混合，空氣溶解形成飽和溶氣水。飽和溶氣水到達釋放頭后減壓釋放，氣泡成核析出，形成大量微氣泡。實驗過程中可以通過調節回流水泵的流量改變溶氣壓力。
進行除油實驗時，含乳化油污水經提升泵進入氣浮池接觸區，與微氣泡混合。在此過程中，氣泡與乳化油滴發生粘附形成絮團。絮團進入分離區后上浮至水面。處理后的凈水由分離區底部孔道進入回流水收集區，部分作為溶氣水源，部分進入污水處理池，形成循環流程。
2.含乳化油污水制備
為了對乳化油狀態進行顯微觀察，首先取原油140g加入航空煤油至1L，配成帶有顏色的污油。乳化時取50mL 污油加水至500mL，同時加入乳化劑十二烷基苯磺酸鈉（SDBS，分析純）2.5g，使用高速剪切乳化機進行乳化，制成高濃度含乳化油污水。實驗時根據所需濃度加水進行稀釋，制成一定含油濃度的污水。
3.氣泡直徑測量方法
本研究采用圖像分析法測量氣泡直徑。首先使用數碼顯微鏡（PH50型）拍攝氣泡群的顯微放大圖像，后采用自編的Matlab程序對圖像進行處理，得到氣泡直徑分布，具體測量及圖像處理過程。
4.除油效率的測量
含油濃度的測量根據碎屑巖油藏注水水質推薦指標及分析方法（SY/T 5329）進行。測量前繪制含油濃度標準曲線，測量時取含油污水用石油醚（分析純）進行萃取，利用分光光度計測量吸光度ABS并換算成水中含油濃度。
采用除油率表征乳化油分離效果，除油率η 計
算式如下：

式中，ρ0為浮選前污水含油濃度，ρ 為浮選后氣浮出口處含油濃度。
二、結果與討論
1.溶氣壓力的影響
溶氣壓力是氣浮工藝中一個重要操作參數，首先采用不同溶氣壓力進行除油實驗，分析其對除油率的影響。實驗采用污水初始含油濃度為1000mg/L，溶氣壓力分別為0.22、0.26、0.30、0.34MPa。不同溶氣壓力下除油率隨時間變化如圖1 所示。由圖1 可知，0至20min除油率變化最顯著， 20min以后除油率增大速率減緩，60min后除油率基本不再發生改變。溶氣壓力由0.22MPa增大至0.26MPa時，最終除油率由30%左右升高至40%以上。而溶氣壓力在0.26MPa至0.34MPa變化時，最終除油率基本不再發生改變。在實際應用中，提高溶氣壓力伴隨著能耗的增加，但分離效率不再增大，所以實際操作過程中溶氣壓力并非越大越好，需確定最合理的溶氣壓力。

圖1 壓力對除油效率的影響
為分析溶氣壓力對除油效果的影響機制，對不同溶氣壓力下氣泡（釋放頭處產生的氣泡）直徑及氣含率進行了測量，結果如圖2 所示。由圖2 可知，溶氣壓力由0.22MPa升高至0.26MPa，生成的氣泡直徑由63.2μm減小至38μm，溶氣壓力繼續增大至0.34MPa，氣泡直徑由38μm減小至30μm。回流水中的氣含率隨著溶氣壓力的升高而增大。

圖2 溶氣壓力對氣泡直徑及氣含率的影響
根據氣含率和氣泡直徑可求得回流水中氣泡數密度（即單位體積水中微氣泡個數），研究可知氣泡數密度隨溶氣壓力升高而增大。油滴的數密度一定時，油滴分離率與氣泡數密度成正比。提高溶氣壓力改善浮選效果的原因在于其增大了氣泡的數密度。
2.化學助劑的影響
1）絮凝劑的影響
不同濃度聚合氯化鋁（PAC，分析純）對除油率變化的影響如圖3所示。加入30mg/L聚合氯化鋁，除油率明顯提高，PAC投加量增大至60mg/L時，最終除油率達到98%以上，繼續增大PAC投加量無法進一步提高除油效率。

圖3 聚合氯化鋁濃度對除油效率的影響
觀察PAC前后乳化油的顯微圖像可知，加入PAC后，油滴聚集成團簇。團簇相對單個油滴體積更大，更容易捕獲微氣泡，且粘附的氣泡數目增多，形成體積更大、平均密度更小的絮團。同時，油滴聚集過程中形成了直徑更大的油滴。以上2種因素強化了浮選除油效果。
除分離效率這一指標外，處理后污水即氣浮出口污水的含油濃度同樣重要。出水含油濃度會對后續水處理流程產生顯著影響，所以出水含油濃度常作為氣浮單元的考察和控制指標。PAC投加量對處理后污水含油濃度的影響見表1。由表1可知，隨著PAC的提高，出水含油質量濃度先降低后保持不變。特別是PAC投加量高于60mg/L后出水含油質量濃度降低至15mg/L左右，除油效果顯著。

表1 PAC 投加量對處理后污水含油濃度的影響
考察了有機絮凝劑聚丙烯酰胺（PAM）的作用。PAC和PAM對除油效率影響的對比見表2。實驗用PAC和PAM投加量均為10mg/L，結果表明，PAM對浮選除油的改善效果有限，PAC能夠更顯著地改善除油效果。

表2 PAC 和PAM 對除油效率的影響
2）表面活性劑的影響
不同表面活性劑十二烷基硫酸鈉（SLS，分析純）濃度下除油效率隨時間的變化趨勢見圖4。由圖4 可知，隨SLS質量濃度由10mg/L增大至60mg/L，最終除油率由60%左右提高到90%以上。此后，除油效率不再隨SLS濃度的增大而提高。

圖4 十二烷基硫酸鈉對除油效率的影響
表面活性劑可降低水的表面張力，減小生成氣泡的直徑并抑制氣泡聚并，減小氣泡直徑，提高碰撞頻率。除影響氣泡直徑外，SLS能夠改變油水界面的性質，提高碰撞導致粘附的概率并降低絮團破碎的概率。
在工業應用中，有必要進行實驗確定合理的表面活性劑加量。過高表面活性劑濃度不會改善浮選效果，但增加了操作成本。
為了對比絮凝劑與表面活性劑對浮選除油效果的影響，研究不同濃度聚合氯化鋁和十二烷基硫酸鈉對除油率的影響，結果如圖5所示。由圖5可知，當加藥濃度為10mg/L 時，PAC對除油的改善效果明顯優于SLS；加藥濃度提高到30mg/L 時，PAC和SLS均能明顯改善除油效果。所以PAC在加藥濃度較低時即可改善除油效果，而表面活性劑則需要在濃度達到一定量時才會有較好的效果。

圖5 PAC 與SLS 對除油效果的影響
3.結論
本文應用溶氣氣浮法處理乳化油污水，研究了溶氣壓力、處理量、表面活性劑及絮凝劑對除油效率的影響，結合浮選動力學模型對以上因素的影響機制進行了分析。研究表明，除油效率隨溶氣壓力增大先提高后保持不變。溶氣壓力改善氣浮除油效果的主要原因是其增大了污水中的氣泡數密度。
無機絮凝劑聚合氯化鋁可使油滴聚集成簇，提高氣泡捕獲概率，改善除油效果。有機絮凝劑聚丙烯酰胺則對除油效果的改善程度有限。
加入活性劑十二烷基硫酸鈉可提高除油效率，達到一定值后繼續增大表面活性劑濃度不會進一步提高除油效率。相較PAM 和SLS，PAC 可以在低濃度下更好地改善氣浮除油效果。

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