文档介绍：摘要
摘要
本课题从研究油田三次采出水水质特点出发,以解构和建构理论为指导,
通过研究考察超滤过程的宏观现象,辅以微观液-固界面的相互作用深入剖析,
阐明了油田三次采出水对超滤膜污染的影响因子及污染机制,建立了油田采出
水的超滤膜污染模型,优化了运行工艺条件,并提出了相应的污染控制措施。
为 TiO2/Al2O3-PVDF 超滤膜在油田采出水的实际应用提供重要的理论基础和技
术支持。
首先,对比研究了不同操作压力、料液浓度、温度、pH 值、矿化度等条件
下,PVDF 膜及纳米改性 TiO2/Al2O3-PVDF 膜处理油田采出水时主要有机物的
截留率及透水量。结果表明,渗透液中乳化液(O/W)的浓度在 以下,
可达油田低渗透层回注要求。进而,通过响应曲面法优化分析了超滤去除水中
主要污染物过程中的最佳操作条件,结果显示,操作压力对超滤过程的通量衰
减起最主要作用;在此基础上确定的改性膜超滤过程的通量预测模型,可为其
在采出水处理中的实际应用提供理论参考。
其次,通过研究采出水中两种典型的高分子污染物在超滤膜上的吸附性能,
发现亲水性有机物阴离子型聚丙烯酰胺(APAM)给改性膜造成的污染相对严
重,疏水性的 O/W 相对较轻。通过考察两种膜对 APAM 及 O/W 的静态吸附,
发现两种膜对二者的吸附等温线分别为 Langmuir-Freundlich 型和
Redlich-Peterson 型;且 APAM 在两种膜上的吸附能力均随 pH 的升高而降低,
随温度的升高而升高;阳离子对两种膜吸附 APAM 的影响较大,吸附作用的相
对大小为 Na+<K+<Ca2+,阴离子作用不显著。在 pH 值 ~ 的范围内,O/W
在两种膜上的吸附量随 pH 值的升高先升高后降低;随温度的升高而降低;阴、
阳离子的加入均促进了 O/W 吸附量的增加。说明改性膜抗污能力的提升是具有
针对性的。
再次,通过对比分析不同运行模式下超滤通量衰减过程,建立了不同膜阻
力对超滤通量衰减贡献的数学模型。得出:膜孔堵塞过程发生迅速且持续时间
短,主要发生在超滤开始的前 4 min,但该过程造成的通量衰减却十分显著;
凝胶层形成包括三个阶段,即浓差极化阶段、凝胶层形成阶段及凝胶层稳定阶
段,此过程需经过 30 min 完成,所得凝胶形成模型可以较好的对该过程进行模
拟;以污染物-膜的静态吸附为基础,建立的吸附污染阻力引起的通量衰减数学
模型可以很好的解释超滤过程中慢污染情况,该部分阻力引起的通量衰减在超
- I -
哈尔滨工业大学工学博士论文
滤后期起主导作用,且该过程持续时间较长。经典的“Cake”模型对整个超滤
过程进行模拟,随超滤时间的延长适应性变差;故此,建立了基于各因素之间
内在关系的白金汉模型,该模型能够简单、有效的模拟不同废水的超滤过程。
第四,以前期实验为基础,以管式膜组件的形式,将改性 PVDF 膜和 PVDF
原膜应用于油田采出水的处理过程中,考察了操作压力对两种超滤膜透水性能
的影响及出水水质随时间的变化趋势。结果表明:高压操作仅对增大膜的初始
通量具有较明显的作用,低压操作则能更好地降低膜污染,维持膜通量的相对
稳定。对比两种膜处理采出水出水发现,运行稳定后,两种膜的出水水质差别
不大,渗透液浊度均低于 NTU;含油量均小于 mg/L;含聚量均小于
mg/L;TOC 值小于 170 mg/L。
最后,研究了油田采出水超滤过程的临界通量。结果表明,压力较低、pH
中性、温度 303K 时,系统存在一个较低的临界通量,长期运行时,临界通量
与非临界通量下的产水量相当,但膜污染缓慢、能耗大大降低。针对油田采出
水中的不同污染物,研究了不同的物理-化学组合清洗方法,其中,水力冲洗、
反冲、机械刮除的效果不佳,而化学方法中的 NaClO(1%)的清洗效果较好,
其次是 HCl(1%)和十二烷基硫酸钠(SDS,%),不建议采用超声波清洗。
同样的清洗条件,改性膜的通量恢复明显高于原膜。
关键词:TiO2/Al2O3-PVDF 超滤膜;油田采出水;超滤;膜阻力模型;膜污染;
膜清洗
- II -
Abstract
Abstract
This subject started from the characteristics of oil field produced water, based on
the theory of deconstruction and construction, through examination of