【摘要】：在鉆井過程及完工后排放的廢棄鉆井液,主要成分為膨潤土、鉆井巖屑、水以及多種化學(xué)添加劑。在油田鉆井過程中,鉆井液起著潤滑、冷卻、護壁、傳輸鉆井巖屑、平衡地層壓力作用的工作液。但是,廢棄鉆井液中含有重金屬、堿、鹽、油、有機物等多種有毒有害污染物,由于處理難度較大,它與含油污水、污油共稱為油田三大公害。目前,處理的方法多為固-液分離技術(shù),分離后固相掩埋,液相處理達標(biāo)后外排,也有采用直接填埋、土地耕作、注入地層、固化、焚燒等方法。因此,加強對廢棄鉆井液進行無害化處理,減少或避免環(huán)境污染以及維護耕地質(zhì)量十分必要。 本文將廢棄鉆井液的安全處置與資源化、水中難降解染料等污染物的處理結(jié)合起來,實現(xiàn)以廢治廢的目的。本論文以天津某鉆井廢液為研究對象,首先對鉆井廢棄液進行絮凝濃縮、脫水等前期預(yù)處理；然后,按照Ca-Mg-Al-Si系統(tǒng)要求設(shè)計環(huán)保陶瓷濾球的配方,研究以廢棄鉆井液為主要原料制備多孔陶瓷濾料(濾球)。通過對多孔陶瓷濾料的體積密度、氣孔率及氣孔率與濾料壓碎強度平衡的調(diào)控研究,結(jié)合TG-DSC、SEM、XRD、XRF等測試手段對其相關(guān)性能進行表征,獲得了利用廢棄鉆井液制備多孔陶瓷慮球的最佳工藝和配方；最后,研究了所制備的多孔陶瓷濾料吸附水中亞甲基藍染料和羅丹明染料的性能,并對影響處理效果的因素、污染物去除機理展開了一系列研究。主要的研究成果如下： (1)以天津某廢棄鉆井液為原料,對其進行簡易的預(yù)處理。即將廢棄鉆井液進行絮凝濃縮,同時加入粉煤灰,用壓縮機進行壓濾,最終濾餅烘干,獲得粉料備用。根據(jù)獲得原料的組成,配以適當(dāng)?shù)闹鸁齽?如資源豐富、價格低廉的滑石、頁巖、硅灰石等,通過配料、混料、過篩、焙粉、成球、干燥及燒成等工藝制備出多孔陶瓷濾球。鉆井廢棄泥多孔陶瓷濾料氣孔率,吸水率,抗壓碎強度,穩(wěn)定性等是表征其物化性能的最主要指標(biāo)。通過G系列陶瓷濾料的一系列性能指標(biāo)研究,綜合評價各個配方濾料的物化性能,獲得了佳配方組成為G-9(鉆井液60%、頁巖20%、滑石8%、鈉長石12%),經(jīng)1060℃燒成的G-9樣品氣孔率高達36.65%,吸水率為20.62%,抗壓碎強度達到12.67MPa,耐酸性為81.28%,耐堿性為97.31%。G-9樣品不僅具有較高的氣孔率,同時還具有很高的抗壓碎強度,符合多孔陶瓷濾料的高氣孔率,高強度的要求。另外,SEM分析表明,G系列的多數(shù)樣品存在大量氣孔,形貌一致,分布均勻,顆粒被玻璃相包裹,大小比較均勻。該系列陶瓷濾料其組成范圍廣,可消化使用大量廢棄鉆井液,其鉆井廢棄液用量從40%到100%：其燒成范圍也比較寬,一般配方在900℃～1100℃燒成都可以保持優(yōu)良形狀。另外,本文最佳配方得到的濾料還具有穩(wěn)定性好,容易分離等特點。 (2)為了實現(xiàn)陶瓷濾料性能指標(biāo),如氣孔率、吸水率及體積密度等的調(diào)控,并在以上多孔陶瓷濾料原料組成基礎(chǔ)上,通過改變配料組成及燒成溫度,進行了F系列陶瓷濾料的研究。結(jié)果表明,其氣孔率可在8～40%的范圍內(nèi)調(diào)節(jié),吸水率可在3-23%之間進行調(diào)節(jié),其它相應(yīng)的指標(biāo)也可以進行調(diào)節(jié)。F1配方(天津鉆井液：頁巖：鉀長石：高嶺土=40：30：20：10)在1090℃燒成的樣品的氣孔率為19.95%,吸水率達到10.89%,體積密度為2.09g/cm3。測試結(jié)果表明,焙燒過程中形成結(jié)構(gòu)化學(xué)成分比較穩(wěn)定的莫來石,使陶瓷濾料保持了比較好的體積密度。F8配方(天津鉆井液：頁巖：滑石：鈉長石：高嶺土=60：20：8：12)在1090℃燒成的樣品氣孔率為30.03%,吸水率達到17.76%,體積密度為1.93g/cm3。由于配方中高嶺土缺乏,A1203含量急劇下降,導(dǎo)致了莫來石的減少,很難阻礙慮球焙燒過程中CaCO3分解CO2氣體的速度,氣孔率顯然提高。同時,隨著燒成溫度的降低,氣孔率和吸水率均會升高。多孔陶瓷材料的氣孔率越高,其吸附性能越好。 (3)研究了所制備濾料吸附去除水中亞甲基藍染料和羅丹明染料的效果,以及多種實驗因素對吸附效果的影響。多孔陶瓷濾料(G9樣品)吸附亞甲基藍的吸附分為3個階段：快速階段、中速階段和慢速過程。在240min后基本達到吸附平衡時,多孔陶瓷濾料對亞甲基藍和羅丹明的去除率分別達到80%和77%。另外,隨著pH的增加,亞甲基藍染料和羅丹明染料去除率均增大,低pH值不利于吸附。 (4)研究了所制備的陶瓷濾料吸附去除亞甲基藍染料和羅丹明染料的吸附等溫模型和熱力學(xué)常數(shù)。結(jié)果表明,多孔陶瓷濾料對亞甲基藍和羅丹明染料的吸附較好的符合Langmuir等溫吸附模型和Freuulich等溫吸附模型。初始濃度增加,多孔陶瓷濾料周圍有更多的染料離子存在,即染料溶液與多孔陶瓷濾表面存在著較大的濃度梯度差異,有利于多孔陶瓷濾對染料的吸附。熱力學(xué)參數(shù)研究表明鉆井廢棄泥濾料吸附去除亞甲基藍染料和羅丹明染料都是吸熱反應(yīng),升高溫度有利于亞甲基藍染料和羅丹明染料的去除。鉆井廢棄泥濾料吸附去除亞甲基藍染料和羅丹明染料的活化能分別為69.92kJ/mol和77.23kJ/mol,說明所制備濾料吸附去除水中亞甲基藍染料和羅丹明染料以化學(xué)吸附為主。 (5)考察了廢棄鉆井液濾料吸附去除亞甲基藍染料和羅丹明染料的動力學(xué)模型。吸附動力學(xué)研究表明可分別用準(zhǔn)一級動力方程和準(zhǔn)二級動力方程來描述所制備的多孔陶瓷濾料吸附去除亞甲基藍和羅丹明染料的吸附過程；在吸附過程的三個連續(xù)的階段中,顆粒內(nèi)擴散是限制吸附速率的主要原因。 (6)采用簡單、易行的方法制備出的棄鉆井液濾料,是一種綠色環(huán)保吸附材料。而傳統(tǒng)上制備多孔濾料所用的骨料主要為Al2O3, SiO2且這些原料價格相對較高,制備工藝復(fù)雜,限制了其大規(guī)模應(yīng)用。而用棄鉆井液代替?zhèn)鹘y(tǒng)多孔陶瓷生產(chǎn)的主要原料,既減少了棄鉆井液帶來的環(huán)境污染,又降低了成本。棄鉆井液制備的吸附濾料吸附能力強,對水中亞甲基藍和羅丹明B染料有很好的吸附作用,為擴大棄鉆井液的資源利用探索了一種新途徑和新技術(shù),為含染料的廢水工業(yè)廢水以及其它廢水處理工程設(shè)計提供了理論指導(dǎo),及為開發(fā)廉價、高效、因地制宜的吸附材料提供理論基礎(chǔ)。本研究使棄鉆井液從低附加值向高附加值轉(zhuǎn)變,符合我國清潔生產(chǎn)、循環(huán)經(jīng)濟的產(chǎn)業(yè)政策,促進了經(jīng)濟的可持續(xù)發(fā)展。
【學(xué)位授予單位】：武漢理工大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2012
【分類號】：X741

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