【摘要】：含油廢水若未經(jīng)充分處理而直接排放,會(huì)對(duì)生態(tài)環(huán)境造成嚴(yán)重的危害。與傳統(tǒng)方法(如離心法、重力分離法和化學(xué)破乳法)相比,基于膜分離的含油廢水處理技術(shù)作為一種高效、靈活的處理手段,不僅可以達(dá)到除油的目的,而且可以將水從水包油乳液中回收并再次利用。盡管膜分離技術(shù)有著諸多優(yōu)點(diǎn),油滴與多孔膜結(jié)構(gòu)間復(fù)雜相互作用的潛在機(jī)理卻仍不清晰,而此機(jī)理的解讀對(duì)于開發(fā)新型分離膜以更有效的處理含油廢水具有重要價(jià)值。因此,本研究將探討油滴截留和分離膜的形態(tài)的關(guān)聯(lián),以此為分離膜的設(shè)計(jì)與發(fā)展提供新思路。本研究采用基于網(wǎng)絡(luò)模型的方法,從理論上研究了分離膜形態(tài)對(duì)油滴截留的影響。將多孔分離膜在數(shù)值上離散為一個(gè)由立方單元格組成的體系,并利用其坐標(biāo)方向建立節(jié)-點(diǎn)結(jié)構(gòu)。此離散化處理為數(shù)值分析提供了一個(gè)具有各種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的局部線性空間域。進(jìn)而將基于有限元法的網(wǎng)絡(luò)分析和“迷宮”求解器作為互補(bǔ)手段相結(jié)合,以探索網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。本研究對(duì)網(wǎng)絡(luò)的橫向尺寸(單元格的數(shù)量)進(jìn)行了優(yōu)化,以盡量降低可能由網(wǎng)絡(luò)次級(jí)結(jié)構(gòu)的不確定性帶來(lái)的負(fù)面影響;對(duì)有限元分析的數(shù)值求解方法進(jìn)行了迭代容差值和預(yù)處理方面的優(yōu)化來(lái)提高模型模擬效率。此外,還建立起基于歸一化流量的標(biāo)準(zhǔn)來(lái)精確判定網(wǎng)絡(luò)中的活躍單元組(即擁有非零流量的連通單元格群)。若改變各方向上的閉合幾率,網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)會(huì)隨之發(fā)生改變(如從高度連通型變?yōu)橹蓖ㄐ?。基于此,以統(tǒng)計(jì)方式模擬單個(gè)油滴的在網(wǎng)絡(luò)表面的沉積來(lái)研究跨油滴壓隨橫向閉合幾率的變化;探究了多油滴沉積(即變化網(wǎng)絡(luò)表面覆蓋率)情況下跨油滴壓的分布規(guī)律;依據(jù)活躍單元組中拓?fù)涮匦缘南嚓P(guān)變化解釋了跨油滴壓與閉合幾率間的依存關(guān)系。本研究討論了一個(gè)在過(guò)去工作中建立的臨界壓力模型,并將其應(yīng)用于網(wǎng)絡(luò)模型中,以預(yù)測(cè)在含油廢水處理中油滴截留率隨跨膜壓的變化。通過(guò)比較具有不同連通性的網(wǎng)絡(luò)的模擬結(jié)果,確定出油滴截留率與網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的關(guān)系。此外,在不同表面覆蓋率的情況下,討論了廢水含油量對(duì)油滴截留率的影響。所有的模擬結(jié)果均證實(shí),當(dāng)分離膜具有高度連通的膜孔結(jié)構(gòu)時(shí),跨油滴壓可能明顯小于跨膜壓,從而產(chǎn)生相對(duì)較高的油滴截留率。此外,分離膜表面較高的油滴覆蓋率可以顯著改變其內(nèi)部結(jié)構(gòu)中壓力的分布,從而使油滴截留率降低。有理由相信,此網(wǎng)絡(luò)模型將會(huì)為提升基于膜分離的含油廢水處理的性能做出貢獻(xiàn)。
【學(xué)位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號(hào)】：X703
【圖文】：

穩(wěn)定存在于水中，較難實(shí)現(xiàn)油水分離[9]。（4）溶解油：粒徑小于乳化油，以分子的形式分散在水相中，溶解油幾乎不改變水的物理特性，不會(huì)引起肉眼可察覺(jué)的水質(zhì)變化[10]514-515。因油在水中的溶解度很小，所以此類油占比通常不超過(guò)總量的 0.5%[11]。1.1.3 研究的目的與意義如上文所述，浮油與分散油在水中并不穩(wěn)定，運(yùn)用一些簡(jiǎn)單的物理或化學(xué)方法便可較為容易的去除，而在水中以液滴存在的乳化油因其較為穩(wěn)定的物化性質(zhì)，成為含油廢水處理過(guò)程中較難去除的部分，也是含油廢水處理后不能達(dá)到排放標(biāo)準(zhǔn)的主要原因之一[12]。隨著環(huán)保法規(guī)的不斷完善，各國(guó)對(duì)含油廢水的處理和排放要求越來(lái)越高，這使得一些傳統(tǒng)的處理方法已很難達(dá)到嚴(yán)格的排放標(biāo)準(zhǔn)，改進(jìn)和完善傳統(tǒng)工藝的弊端，努力開發(fā)更便捷有效的含油廢水處理技術(shù)具有重要的意義。圖 1-1 為在 web of science 中以標(biāo)題‘油水分離’進(jìn)行檢索，并將檢索得到的結(jié)果進(jìn)行分類整理，將運(yùn)用不同方法實(shí)現(xiàn)油水分離的相應(yīng)文章以年為單位匯成的柱狀圖�？梢钥闯�，近年來(lái)油水分離相關(guān)文章的發(fā)表數(shù)量呈顯著上升趨勢(shì)，這也從側(cè)面反映出人們對(duì)改善含油廢水處理技術(shù)這一需求的迫切性。

圖 1-2 一種以化學(xué)藥劑除油的典型流程[26]19此外，還有主要針對(duì)含油廢水中乳化油的鹽析法，向廢水中投入無(wú)機(jī)鹽，以去除乳化油滴外圍的水化離子，減小ζ電位，破壞雙電層，減弱油滴間的排斥作用使油滴相互碰撞而聚集，從而達(dá)到破乳的目的。同時(shí)，電解質(zhì)溶解在廢水中，某些金屬陽(yáng)離子在堿性條件下水解生成難溶的氫氧化物膠體，在水中借助范德華力吸附油滴，產(chǎn)生凝聚作用[27]；很多陰離子表面活性劑可以與一些金屬陽(yáng)離子發(fā)生皂化反應(yīng)，生成難溶性物質(zhì)，從而提高處理效果�；瘜W(xué)處理技術(shù)處理效果較好，處理速度快，但因?yàn)闀?huì)添加一些額外的化學(xué)物質(zhì)進(jìn)入水體，加大了運(yùn)行成本，在反應(yīng)過(guò)程中也可能對(duì)水體造成二次污染。1.2.3 物理化學(xué)處理技術(shù)物理化學(xué)處理技術(shù)是運(yùn)用物理和化學(xué)的綜合作用或同時(shí)包括物理過(guò)程和化學(xué)過(guò)程的處理方法。主要有吸附法和氣浮法。吸附法主要是利用吸附劑的多孔性、表面疏水親油、比表面積大的特性，吸附（包括物理和化學(xué)吸附）廢水中的污染物以達(dá)到回收和去除污染物的目的。目前應(yīng)用較為廣泛的吸附劑是活性炭，粉煤灰和吸油樹脂等[10]517-520。

哈爾濱工業(yè)大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文離膜處理含油廢水主要基于截留這一策略，即將分離膜作為一種屏障（barrier），讓水透過(guò)而將油截留，從而實(shí)現(xiàn)油水的高效分離。例如，Lipp 等[64]針對(duì)基于超濾的水包油乳液（oil-in-water emulsion）處理進(jìn)行了更為基礎(chǔ)的研究，應(yīng)用動(dòng)態(tài)光散射法探測(cè)油滴在水中的粒徑分布，嘗試揭示濃差極化和膜污染對(duì)處理性能的影響。該研究表明，分離膜對(duì)油的截留作用在很大程度上會(huì)受到乳液物化性質(zhì)的影響；與固體顆粒物造成的膜污染過(guò)程相比較，油滴等乳液顆粒由于可以在特定情況下發(fā)生形變，其截留機(jī)理更為復(fù)雜。Lu 等[65]設(shè)計(jì)并進(jìn)行了一系列的實(shí)驗(yàn)，揭示出表面活性劑在油滴截留中所起的作用并根據(jù)表面活性劑的空間和電荷效應(yīng)提出了油-膜間復(fù)雜相互作用的潛在機(jī)理。Bhattacharyya 等[66]進(jìn)行了一系列實(shí)驗(yàn)，測(cè)試以超濾實(shí)現(xiàn)油水分離時(shí)的性能；Lu 等[67]運(yùn)用集成系統(tǒng)對(duì)含油廢水進(jìn)行處理及能源利用；Cheryan 等[26]18將以氣浮法和膜分離法（見(jiàn)圖 1-3）進(jìn)行含油廢水處理的效果進(jìn)行了比較并肯定了膜分離法的巨大優(yōu)勢(shì)。

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本文編號(hào)：2783064