【摘要】：本課題從研究油田三次采出水水質(zhì)特點出發(fā)，以解構(gòu)和建構(gòu)理論為指導(dǎo)，通過研究考察超濾過程的宏觀現(xiàn)象，輔以微觀液-固界面的相互作用深入剖析，闡明了油田三次采出水對超濾膜污染的影響因子及污染機(jī)制，建立了油田采出水的超濾膜污染模型，優(yōu)化了運行工藝條件，并提出了相應(yīng)的污染控制措施。為TiO_2/Al_2O_3-PVDF超濾膜在油田采出水的實際應(yīng)用提供重要的理論基礎(chǔ)和技術(shù)支持。 首先，對比研究了不同操作壓力、料液濃度、溫度、pH值、礦化度等條件下，PVDF膜及納米改性TiO_2/Al_2O_3-PVDF膜處理油田采出水時主要有機(jī)物的截留率及透水量。結(jié)果表明，滲透液中乳化液（O/W）的濃度在0.5mg/L以下，可達(dá)油田低滲透層回注要求。進(jìn)而，通過響應(yīng)曲面法優(yōu)化分析了超濾去除水中主要污染物過程中的最佳操作條件，結(jié)果顯示，操作壓力對超濾過程的通量衰減起最主要作用；在此基礎(chǔ)上確定的改性膜超濾過程的通量預(yù)測模型，可為其在采出水處理中的實際應(yīng)用提供理論參考。 其次，通過研究采出水中兩種典型的高分子污染物在超濾膜上的吸附性能，發(fā)現(xiàn)親水性有機(jī)物陰離子型聚丙烯酰胺（APAM）給改性膜造成的污染相對嚴(yán)重，疏水性的O/W相對較輕。通過考察兩種膜對APAM及O/W的靜態(tài)吸附，發(fā)現(xiàn)兩種膜對二者的吸附等溫線分別為Langmuir-Freundlich型和Redlich-Peterson型；且APAM在兩種膜上的吸附能力均隨pH的升高而降低，隨溫度的升高而升高；陽離子對兩種膜吸附APAM的影響較大,吸附作用的相對大小為Na~+＜K~+＜Ca~(2+),陰離子作用不顯著。在pH值2.0~12.0的范圍內(nèi)，O/W在兩種膜上的吸附量隨pH值的升高先升高后降低；隨溫度的升高而降低；陰、陽離子的加入均促進(jìn)了O/W吸附量的增加。說明改性膜抗污能力的提升是具有針對性的。 再次，通過對比分析不同運行模式下超濾通量衰減過程，建立了不同膜阻力對超濾通量衰減貢獻(xiàn)的數(shù)學(xué)模型。得出：膜孔堵塞過程發(fā)生迅速且持續(xù)時間短，主要發(fā)生在超濾開始的前4min，但該過程造成的通量衰減卻十分顯著；凝膠層形成包括三個階段，即濃差極化階段、凝膠層形成階段及凝膠層穩(wěn)定階段，此過程需經(jīng)過30min完成，所得凝膠形成模型可以較好的對該過程進(jìn)行模擬；以污染物-膜的靜態(tài)吸附為基礎(chǔ)，建立的吸附污染阻力引起的通量衰減數(shù)學(xué)模型可以很好的解釋超濾過程中慢污染情況，該部分阻力引起的通量衰減在超濾后期起主導(dǎo)作用，且該過程持續(xù)時間較長。經(jīng)典的“Cake”模型對整個超濾過程進(jìn)行模擬，隨超濾時間的延長適應(yīng)性變差；故此，建立了基于各因素之間內(nèi)在關(guān)系的白金漢模型，該模型能夠簡單、有效的模擬不同廢水的超濾過程。 第四，以前期實驗為基礎(chǔ)，以管式膜組件的形式，將改性PVDF膜和PVDF原膜應(yīng)用于油田采出水的處理過程中，考察了操作壓力對兩種超濾膜透水性能的影響及出水水質(zhì)隨時間的變化趨勢。結(jié)果表明：高壓操作僅對增大膜的初始通量具有較明顯的作用，低壓操作則能更好地降低膜污染，維持膜通量的相對穩(wěn)定。對比兩種膜處理采出水出水發(fā)現(xiàn)，運行穩(wěn)定后，兩種膜的出水水質(zhì)差別不大，滲透液濁度均低于0.5NTU；含油量均小于0.6mg/L；含聚量均小于0.2mg/L；TOC值小于170mg/L。 最后，研究了油田采出水超濾過程的臨界通量。結(jié)果表明，壓力較低、pH中性、溫度303K時，系統(tǒng)存在一個較低的臨界通量，長期運行時，臨界通量與非臨界通量下的產(chǎn)水量相當(dāng)，但膜污染緩慢、能耗大大降低。針對油田采出水中的不同污染物，研究了不同的物理-化學(xué)組合清洗方法，其中，水力沖洗、反沖、機(jī)械刮除的效果不佳，而化學(xué)方法中的NaClO（1%）的清洗效果較好，其次是HCl（1%）和十二烷基硫酸鈉（SDS，0.5%），不建議采用超聲波清洗。同樣的清洗條件，改性膜的通量恢復(fù)明顯高于原膜。
【學(xué)位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2012
【分類號】：X741
【圖文】：

2.2.1.1 最大吸收波長的確定與標(biāo)準(zhǔn)曲線的繪制將實驗所使用的原油溶于石油醚中，采用日本島津UV2550可見-紫外分光光度計，對其進(jìn)行全波長掃描，結(jié)果見圖2-2。圖2-2 實驗用油的紫外全波長掃描Fig. 2-2 UV wave length scanning of oil used in experiment從圖2-2可以看出，實驗所用石油于波長224 nm和256 nm處有較為明顯的吸收峰，其中，224 nm峰值較大，故可選其作為該改油品的紫外最大吸收波長，并作為后續(xù)石油標(biāo)準(zhǔn)工作曲線的測試波長。用分析純石油醚配制濃度為100 mg/L的標(biāo)準(zhǔn)油溶液，移取一定量該標(biāo)準(zhǔn)液至50 mL容量瓶中，用石油醚稀釋至刻度，配置成0.5、2、5、8、10、15和20 mg/L的石油溶液階，以石油醚為參比，用1 cm的石英比色皿測量其在波長224 nm處的吸光度，繪制濃度-吸光度標(biāo)準(zhǔn)工作曲線

94]。圖2-3 油含量的標(biāo)準(zhǔn)工作曲線Fig. 2-3 The standard working curve of oil concentration2.2.2 聚丙烯酰胺的淀粉-CdI2顯色分析方法2.2.2.1 測定原理淀粉-碘化鎘顯色法反應(yīng)機(jī)理為[95,96]：①溴水與APAM分子中的酰胺基(-CONH2)反應(yīng)生成N-溴代酰胺; ②加入一定量的甲酸鈉將過量的溴水反應(yīng)去除；③反應(yīng)生成N-溴代酰胺可水解生成等摩爾質(zhì)量的次溴酸；④次溴酸又可將等摩爾質(zhì)量的I-氧化成I2；⑤此后，I2和I-進(jìn)一步反應(yīng)形成I3-，生成的I3-與淀粉反應(yīng)，生存藍(lán)色的三碘淀粉絡(luò)合物，其藍(lán)色深淺程度正比于APAM濃度，采用用分光光度計在最大吸收波長處進(jìn)行吸光度測定。2.2.2.2 聚丙烯酰胺(APAM)測定步驟在50ml比色管中加入pH值為5.0，質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.25%的醋酸鈉緩沖液5 ml，再加入APAM 1.5 ml及15 ml蒸餾水，混勻；加入12.0%溴化鉀/溴水溶液1 ml

并據(jù)繪制濃度-吸光度標(biāo)準(zhǔn)工作曲線，適用范圍：0.5~20 mg/L，結(jié)果如圖2-4所示。圖2-4 陰離子型聚丙烯酰胺含量的標(biāo)準(zhǔn)工作曲線Fig. 2-4 The standard working curve of Anionic polyacrylamide concentration2.2.3 其他常規(guī)指標(biāo)分析方法本研究采用的常規(guī)水質(zhì)分析方法均按照國家環(huán)�？偩志帉懙摹端c廢水監(jiān)測分析方法》第四版進(jìn)行，主要分析項目包括：懸浮物（SS）、濁度、TOC、CODCr、pH值等，具體見表2-3。表2-3 常規(guī)水質(zhì)分析方法Table 2-3 Common analytical methods for water qualities水質(zhì)指標(biāo) 單位 分析方法懸浮物 Mg/L 重量法濁度 NTU 2100P便攜式濁度計TOC mg/L SHIMADZU TOC-4100分析儀CODCrmg/L 重鉻酸鉀法pH值 \ PHS-3C精密酸度計2.3 儀器分析2.3.1 溶液分子的粒徑分析ZETA納米粒度分析儀[98]是一種基于粒度-NIBS技術(shù)的，針對水分散和非

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號：2743221