【正文】 cm ? c pcb ? c p= expJ228。27JV ———透過通量， m3 / (m s) ；上海交通大學(xué)碩士學(xué)位論文第 3 章 船舶艙底含油污水處理技術(shù)仿真研究Ra = 1 ?c pcb（32）式中cb ———原液濃度， mg / L ；c p ———透過液濃度， mg / L 。本章在乳化液膜分離試驗(yàn)研究的基礎(chǔ)上，對(duì)膜通量模型進(jìn)行仿真計(jì)算。較高的料液流速可以有效防止?jié)獠顦O化、提高設(shè)備處理能力。試驗(yàn)證明，使用雙聯(lián)組合濾器后，膜組件的使用壽命延長至 200 小時(shí)以上。溫度越高，艙底含油污水的黏度越低，在膜內(nèi)流過時(shí)阻力也越小，從而可以提高膜面流速，降低濃差極化現(xiàn)象。其分離性能較第一次分離過程也有很大改善。從圖中可以看到，聚偏氟乙烯（PVDF）中空纖維超濾膜組件的抗污染程度較強(qiáng)，相同規(guī)格下的膜組件滲透液通量較大，且可以較長時(shí)間保持較高的滲透液通量。[27] 乳化液膜分離試驗(yàn)結(jié)果及分析（1）變向分離操作時(shí)對(duì)膜透過液流量的影響首先使機(jī)械分離后的艙底含油污水從膜組件下端進(jìn)入膜組件內(nèi)部進(jìn)行分離。1．正常工作狀態(tài)在開始進(jìn)行試驗(yàn)之前，要對(duì)試驗(yàn)裝置進(jìn)行全面檢查，確保儀器儀表已經(jīng)校正，管子與裝置的連接處不存在泄露。一、試驗(yàn)?zāi)康谋驹囼?yàn)旨在通過對(duì)各種材料不同規(guī)格的膜組件進(jìn)行試驗(yàn)，驗(yàn)證相應(yīng)膜組件的分離效果，確定產(chǎn)品的工藝流程和選用膜的材料和規(guī)格，優(yōu)化操作條件并指出膜污染的影響及其解決或減少污染的措施，為后續(xù) 15ppm 船舶艙底水分離裝置的膜分離部分的研制提供具體的指導(dǎo)意見和方法。將大量的中空纖維一端封死，另一端用環(huán)氧樹脂澆注成管板，裝在圓筒形壓力容器中，就構(gòu)成了中空纖維膜組件，也形如列管式換熱器。組裝時(shí)在膜袋上鋪一層網(wǎng)狀材料(隔網(wǎng))，繞中心管卷成柱狀再放入壓力容器內(nèi)。對(duì)于復(fù)合膜，可優(yōu)選不同的膜材料制備致密皮層與多孔支撐層，使每一層獨(dú)立的發(fā)揮最大作用。無機(jī)分離膜包括陶瓷膜、玻璃膜、金屬膜和分子篩炭膜等。反滲透膜幾乎對(duì)所有的溶質(zhì)都有很高脫除率，但納濾膜只對(duì)特定的溶質(zhì)具有高脫除率。超濾過程一般通量較高，而溶質(zhì)的擴(kuò)散系數(shù)低，因此受濃差極化的影響較大，所遇到的污染問題也常與濃差極化有關(guān)。此外，還用利用濃度差，分壓差和電位差等作為推動(dòng)力的其他膜分離過程。不同的膜分離具有不同的機(jī)理，適用于不同的對(duì)象和要求。 本人主要工作1．設(shè)計(jì)乳化液膜分離實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，并完成試驗(yàn)；2．利用 Matlab 控制系統(tǒng)對(duì)膜通量模型進(jìn)行仿真；3．設(shè)計(jì)船舶艙底油水分離裝置試驗(yàn)系統(tǒng)和控制系統(tǒng)，并完成試驗(yàn)。[14] 本文的主要研究?jī)?nèi)容與本人主要工作11含油低于 10 mg/ L ,COD 為 1 700～5 000 mg/ L ,油去除率 99 %以上。[16]（2）金屬加工含油廢水的膜處理金屬加工過程中排放的含乳化油廢水含油濃度很高,且成分復(fù)雜。操作方式一般分為死端操作和錯(cuò)流操作，其中死端操作是傳統(tǒng)的方式，油水乳液被強(qiáng)制通過膜，隨著被截留物（如油）在膜表面上的堆積，滲透物（如水）流量下降，必須定時(shí)清除膜表面的油，以便持續(xù)作業(yè)，錯(cuò)流操作是近20年才應(yīng)用到實(shí)際過程中的新方式，油水乳液以一定流速平行于膜表面流動(dòng)，在一定程度上克服了死端操作的弊病。由于膜分離的傳質(zhì)機(jī)理各異、情況復(fù)雜，膜分離理論至今仍是學(xué)派林立，眾說紛紛，但基本共識(shí)是膜分離是處理料組分選擇性透過膜的物理化學(xué)過程，過程的推動(dòng)力主要是膜兩側(cè)的壓差，膜的孔徑雖然是膜的基本性質(zhì)，但膜和分離組分的物理化學(xué)性質(zhì)，如親水性以及荷電情況都直接影響分離過程和結(jié)果，即膜從溶液中分離溶解的成分是依據(jù)尺寸、荷電、形狀以及溶質(zhì)和膜表面間的分子相互作用而決定的。 膜分離技術(shù)處理含油污水的優(yōu)勢(shì)目前，老三套工藝處理含油廢水存在很多弊端，能量消耗大、水回用率低、二次污染難以避免。表1－2典型艙底水處理技術(shù)比較隨著國際上對(duì)油污染危害防治的重視，艙底油污水處理技術(shù)必然向重視清潔生產(chǎn)和改進(jìn)現(xiàn)有的技術(shù)和工藝的方向發(fā)展。為滿足新決議的要求，國內(nèi)外開發(fā)了許多新型油污水分離裝置，這些裝置都是在原處理系統(tǒng)的后階段加裝了深化處理系統(tǒng)，深化處理系統(tǒng)主要包括膜分離系統(tǒng)和吸附系統(tǒng)等。5上海交通大學(xué)碩士學(xué)位論文第 1 章 緒論表 1－1[6]是常用艙底含油污水處理方法比較。固體吸附材料表面的分子在其垂直方向受到內(nèi)部分子的引力，但外部沒有相應(yīng)引力與之平衡，因此，存在吸引表面外側(cè)其它粒子的吸引力，由固體表面分子剩余吸引力引起的吸附稱為物理吸附。聚結(jié)除油的機(jī)理目前還未形成統(tǒng)一的理論，總的來說，大體上有兩種觀點(diǎn)，即潤濕聚結(jié)和碰撞聚結(jié)。如果僅用一種濾料做成濾層，當(dāng)水流方向自上而下流動(dòng)時(shí)，實(shí)際難以保持粒徑3上海交通大學(xué)碩士學(xué)位論文第 1 章 緒論自上而下逐漸減少的狀態(tài)。另外由于具有很大表面積的濾料對(duì)油粒及其它懸浮物的物理吸附作用和對(duì)微粒的接觸媒介作用，增加了油粒碰撞的機(jī)會(huì)，使小油粒更容易聚合成大油粒而被截留。重力分離法的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，操作方便，缺點(diǎn)是只能分離自由狀態(tài)的油，而不能分離乳化狀態(tài)的油?；瘜W(xué)分離法是向含油污水中投放絮凝劑或聚結(jié)劑，其中絮凝劑可使油凝聚成凝膠體而沉淀，而聚結(jié)劑則使油凝聚成膠體使其上浮，從而達(dá)到油水分離的一種方法。船舶艙底水的水量與船舶類型、噸位及功率有關(guān), 還與船舶航行、停泊作業(yè)時(shí)間的長短和維修及管理狀況有關(guān)。船舶艙底含油污水成份極其復(fù)雜，所含油種多，由于使用很多活性劑等化學(xué)試劑，導(dǎo)致其乳化程度高，要實(shí)現(xiàn)油污水的分離并達(dá)到國際海事組織規(guī)定的排放標(biāo)準(zhǔn)有很大難度。除文中已經(jīng)注明引用的內(nèi)容外，本論文不包含任何其他個(gè)人或集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫過的作品成果。由于現(xiàn)有的油污水分離裝置在處理乳化液上存在困難，傳統(tǒng)的船舶油污水分離裝置單純依靠機(jī)械分離已經(jīng)無法滿足 (49)決議的相關(guān)規(guī)定。本文首先對(duì)傳統(tǒng)的油污水分離方法和乳化油油水分離技術(shù)進(jìn)行分析研究，確定超濾膜分離技術(shù)作為主要研究對(duì)象，在分析膜分離基本原理的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了分離乳化液的超濾膜分離試驗(yàn)系統(tǒng)。學(xué)位論文作者簽名：崔建偉日期：年月日上海交通大學(xué)學(xué)位論文版權(quán)使用授權(quán)書本學(xué)位論文作者完全了解學(xué)校有關(guān)保留、使用學(xué)位論文的規(guī)定，同意學(xué)校保留并向國家有關(guān)部門或機(jī)構(gòu)送交論文的復(fù)印件和電子版，允許論文被查閱和借閱。其中乳化油最難分離。國際海事組織也因此修訂了有關(guān)船舶艙底水排放的標(biāo)準(zhǔn)，排放水水中乳化油含量不得高于 15ppm 。在浮力與重力之差和阻力相等時(shí)，油粒就等速上浮。重力分離法按其作用方式不同，還可分為機(jī)械分離、靜置分離和離心分離三種。因?yàn)V料達(dá)到飽和狀態(tài)后，必須進(jìn)行反沖洗，使濾料重新獲得良好的過濾性能，如果強(qiáng)度不夠，會(huì)在反沖洗時(shí)由于不斷碰撞和摩擦而使濾料產(chǎn)生粉末，并隨沖洗水一起流失掉，增加濾料的損耗，反過來，在過濾時(shí)粉末又會(huì)聚集于濾料表層，增加流動(dòng)阻力，濾速增大，過濾質(zhì)量惡化。 聚結(jié)分離法聚結(jié)分離法是一種精細(xì)的分離方法，在微小油粒通過多孔材料的同時(shí)，讓它們互相碰撞以使油粒聚合增大，從而上浮和分離。由于浮力和水流沖擊作用，油膜開始脫落，于是材料表面得到一定程度的更新，脫落的油膜到水中仍形成油粒，改油粒粒徑比聚結(jié)前的油粒直徑更大，從而達(dá)到粗?；哪康?。當(dāng)吸附速度與脫附速度相等時(shí)，吸附達(dá)到平衡狀態(tài)，這時(shí)單位重量吸附材料所吸附的油量稱為吸附量，它是表面吸附材料吸附能力的參數(shù)，比表面積（單位重量吸附材料所具有的表面積）越大，吸附量越大。但在實(shí)際執(zhí)行 MEPC60.(33)過程中，國際海事組織逐漸認(rèn)識(shí)到現(xiàn)有的油污水分離裝置在處理乳化液上存在困難，以致某些廠家按 MEPC60.(33)生產(chǎn)的油污水分離裝置，仍對(duì)海洋造成嚴(yán)重污染危害。由于采用錯(cuò)流工藝，在分離過程中，含油污水切向流經(jīng)膜表面，液體的快速流動(dòng)使得油滴既不能進(jìn)入致密的細(xì)孔，引起膜的內(nèi)部堵塞，也不會(huì)停留在膜表面造成膜表面的堵塞。[5] [6] 膜分離技術(shù)在含油污水處理中的應(yīng)用和發(fā)展膜分離技術(shù)是國際上公認(rèn)的20世紀(jì)末至21世紀(jì)中期最有發(fā)展前途的前沿技術(shù)。[11]隨著膜技術(shù)的飛速發(fā)展，其應(yīng)用范圍已觸及各類工業(yè)操作過程，當(dāng)前的研究和實(shí)踐表明它在油水分離領(lǐng)域也逐漸顯示出強(qiáng)大的發(fā)展?jié)摿?。含油污水中油的存在狀態(tài)是選擇膜的首要依據(jù)。上海交通大學(xué)碩士學(xué)位論文第 1 章 緒論技術(shù)處理油田含油廢水,既可以避免對(duì)環(huán)境和水體產(chǎn)生污染,又可提供高質(zhì)量的油田回注用水,國內(nèi)外都有此方面的研究報(bào)道。超濾法處理乳化油廢水應(yīng)用已經(jīng)有 20 多年了,德國早在 1979年就已有 250 多個(gè)超濾設(shè)備用于濃縮乳化油。因此，將膜分離技術(shù)應(yīng)用于船舶艙底水處理技術(shù)具有十分重要的理論與實(shí)際意義。膜一般很薄，厚度從幾微米、幾十微米至幾百微米之間，而長度和寬度有時(shí)要以米來計(jì)量。常用的膜分離技術(shù)有微濾(MF)、超濾(UF)、納濾和反滲透(R0)。微濾膜的孔徑一般在13上海交通大學(xué)碩士學(xué)位論文第 2 章 乳化液膜分離試驗(yàn)研究O．02～10μm左右，其主要特征為孔徑均一、孔隙率高，其分離主要依靠機(jī)械篩分作用，其次是吸附截留。關(guān)于反滲透分離機(jī)理是無孔機(jī)理(溶解－模型)還是有孔機(jī)理(選擇吸附－毛細(xì)孔流理論)的爭(zhēng)論維持了若干年，但無論如何，反滲透過程中膜材與被分離介質(zhì)之間的化學(xué)特性是起第一位作用的，然后才是膜的結(jié)構(gòu)形態(tài)，這一點(diǎn)已經(jīng)達(dá)成了共識(shí)。此外，由于膜本身帶有電荷，溶質(zhì)與膜面之間的靜電效應(yīng)也會(huì)對(duì)納濾過程的膜污染情況產(chǎn)生影響，這一點(diǎn)也是納濾污染與超濾、反滲透污染的一個(gè)重要小同之處。一般對(duì)稱膜的厚度在10～200μm之間，傳質(zhì)阻力由膜的總厚度決定，降低膜的厚度可以提高透過速率。板框式膜組件采用平板膜，其結(jié)構(gòu)與板框過濾機(jī)類似，用板框式膜組件進(jìn)行海水淡化的裝置。缺點(diǎn)是制作工藝復(fù)雜，膜清洗困難。 乳化液膜分離試驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)為了對(duì)符合IMO Resolution (49)決議中所規(guī)定的實(shí)驗(yàn)液體經(jīng)過機(jī)械分離后的液體進(jìn)行不同材料，不同截留分子量的中空纖維超濾膜分離實(shí)驗(yàn)研究，在大量科研工作的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了乳化液膜分離試驗(yàn)系統(tǒng)如圖2－1所示[28] [29]。試驗(yàn)液體是一種油和淡水的乳化混合液，混合比例為 1 kg 該液體由以下成分組成： g 淡水； g 試驗(yàn)液體“A”； g 試驗(yàn)液體“B”； g 干型表面活性劑（十二烷基苯磺酸鈉鹽）； g“氧化鐵”（“氧化鐵”一詞用以描述黑色氧化正亞鐵（Fe 3O4）,其粒度分布狀況為 90%小于 10 微米，其余的最大粒度為 100 微米）。2．反沖洗狀態(tài)當(dāng)膜組件工作一段時(shí)間后，即要對(duì)它進(jìn)行清洗，以恢復(fù)膜通量。膜組件的滲透液通量隨時(shí)間變化的曲線如圖 2－4 所示。對(duì)膜的清洗方法主要有物理清洗和化學(xué)清洗，化學(xué)清洗一般只在膜污染較嚴(yán)重時(shí)采用，在正常使用的情況下，多數(shù)采用純水清洗，這樣做可以盡量減少化學(xué)清洗造成的二次污染。由圖可見，當(dāng)壓力較低時(shí)，膜組件的透過液通量也較低，當(dāng)提高壓力時(shí)，透過液通量隨著壓力的增高而迅速提高，并在某一點(diǎn)達(dá)到最大值。下圖 2－6 是透過液流量隨溫度變化曲線。在分離過程中聚偏氟乙烯超濾膜組件所分離的水清潔度較高，是理想的超濾膜分離裝置膜組件。本試驗(yàn)研究很好的反應(yīng)出了膜的理論特性。導(dǎo)出關(guān)于膜通量模型的新的方程，代入乳化液膜分離得出的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，經(jīng)過數(shù)值分析求解模型最優(yōu)參數(shù)，利用 matlab 控制系統(tǒng)仿真模塊建立模型進(jìn)行仿真。由于濃差極化現(xiàn)象的存在，膜表面截留的溶質(zhì)濃度為ｃｍ，所以膜的真實(shí)截留率 R 應(yīng)為R = 1 ?c pcm（33）截留率 R 雖然能真實(shí)地表示超濾的特性，但由于膜表面濃度無法測(cè)定，所以可按濃差極化模型進(jìn)行計(jì)算。[11] [25]當(dāng)溶質(zhì)被膜完全截留時(shí)（即 R=1 和 c p ＝0），式（35）則為cmcb= expJ228。(39)實(shí)際使用的膜組件，除了管式和中空纖維式外，一般在流道中要加入湍流促進(jìn)材料，以增加湍流程度，提高傳質(zhì)系數(shù) K。 F30(312)cSh = c S式中 Lp ———純水滲透系數(shù)， m3 / (m Pas) ；