【文章內容簡介】 中溶質和溶劑進行分離，分級，提純和富集。膜分離現(xiàn)象早在250多年以前就被發(fā)現(xiàn)，8含油污水處理技術超濾膜技術吸附技術聚結技術乳化油處理分離效果好分離效果較好處理效率差系統(tǒng)復雜性復雜簡單多級聚結較復雜濾芯使用壽命連續(xù)使用3～6個月3個月～2年1～3年使用成本較高高低維護保養(yǎng)頻繁自動沖洗直接更換濾芯一年清洗一次或更換占地面積中小大改進方向提高膜抗污染能力增加吸油量改進乳化油處理能力上海交通大學碩士學位論文第 1 章 緒論但是膜分離技術的工業(yè)應用是在20世紀60年代以后。其大致的發(fā)展史為：20世紀30年代微孔過濾(Micro—filtration)；40年代滲析(Dialysis)；50年代電滲析(Electro—dialysis)；60年代反滲透(Reverse—osmosis)；70年代超濾(Ultra—filtration)；80年代氣體分離(Gas separ— ation)；90年代滲透汽化（Pervaporization)。數(shù)十年來，膜分離技術發(fā)展迅速，特別是90年代以后，隨著膜(TFC膜)的研制成功，膜分離技術的應用領域已經(jīng)滲透到人們生活和生產(chǎn)的各個方面，膜分離技術作為一種新興的高效分離技術，已被廣泛應用到化工、食品、醫(yī)藥醫(yī)療、生物、石油、電子、飲用水制備、三廢處理等領域, 并將對21世紀的工業(yè)技術改造產(chǎn)生深遠的影響[7][9]。 膜分離技術處理含油污水的優(yōu)勢目前，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。從環(huán)境保護和油類、水再利用等經(jīng)濟角度考慮，要求有新的技術和工藝對含油廢水進行深度處理。與傳統(tǒng)處理方法相比，膜法進行油水分離的優(yōu)點是：① 純粹的物理分離，不需要加入沉淀劑；② 不產(chǎn)生含油污泥，濃縮液焚燒處理；③ 雖然廢水中油分濃度變化幅度大，但透過流量和水質基本不變，便于操作；④ 膜法一般只需壓力循環(huán)廢水，設備費用和運轉費用低，特別適合于油分濃度幾千mg/L以上含油廢水的處理。[11]隨著膜技術的飛速發(fā)展，其應用范圍已觸及各類工業(yè)操作過程，當前的研究和實踐表明它在油水分離領域也逐漸顯示出強大的發(fā)展?jié)摿Α８鶕?jù)膜本身結構的特點，選擇適宜的膜過程和膜組件，可一次去除水體中100μm以下油珠，對分散油和乳化油的適應性均很強，去除率大于90%，且無二次污染，過程無相變，膜組件結構簡單，流程縮短，設備能耗低。[9] 膜技術處理含油污水的主要影響因素優(yōu)化操作條件、合適的膜材料和膜清洗方法是膜技術處理含油廢水的關鍵技術。這些關鍵技術的研究對提高含油污水的處理效率、保證油污染物的去除率和延長膜壽9上海交通大學碩士學位論文第 1 章 緒論命具有十分重要的理論意義和實用價值。（1） 膜類型膜分離除油，關鍵在于膜類型的選擇。由于膜分離的傳質機理各異、情況復雜，膜分離理論至今仍是學派林立，眾說紛紛，但基本共識是膜分離是處理料組分選擇性透過膜的物理化學過程，過程的推動力主要是膜兩側的壓差，膜的孔徑雖然是膜的基本性質，但膜和分離組分的物理化學性質，如親水性以及荷電情況都直接影響分離過程和結果，即膜從溶液中分離溶解的成分是依據(jù)尺寸、荷電、形狀以及溶質和膜表面間的分子相互作用而決定的。目前用于油水分離的膜是反滲透、超濾和微濾膜，他們的作用是截留乳化油和溶解油。簡單的情況是乳化油基于油滴尺寸被膜阻止，而溶解油的被組織則是基于膜和溶質的分子間的相互作用，膜的親水性越強，阻止游離油透過的能力越強，水通量越高。含油污水中油的存在狀態(tài)是選擇膜的首要依據(jù)。若水體中的油是因有表面活性劑等使油滴乳化成穩(wěn)定的乳化油和溶解油，油珠之間難以相互粘結，則需采用親水或親油的超濾膜分離，一則是因為超濾膜孔徑遠小于10μm，二則是超細的膜孔有利于破乳或有利于油滴聚結。（2）膜組件與操作方式影響膜分離除油的另一個重要因素是膜組件及與之相應的操作方式。膜組件設計可以有多種形式，一般均根據(jù)兩種膜構型—平板式和管式來設計。板框膜器和卷式膜器使用平板膜，中空纖維膜器及毛細管膜器使用管式膜，多個單元膜器構成膜組件。操作方式一般分為死端操作和錯流操作，其中死端操作是傳統(tǒng)的方式，油水乳液被強制通過膜，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，必須定時清除膜表面的油，以便持續(xù)作業(yè)，錯流操作是近20年才應用到實際過程中的新方式，油水乳液以一定流速平行于膜表面流動，在一定程度上克服了死端操作的弊病。[10] 膜處理油污水的應用現(xiàn)狀（1）油田含油廢水的膜處理油田含油污水量較大,大約占油田總污水量的三分之一,且成分復雜。用UF和MF10因此，若適當配置膜組件并合理選擇膜，將獲得好的分離效果。上海交通大學碩士學位論文第 1 章 緒論技術處理油田含油廢水,既可以避免對環(huán)境和水體產(chǎn)生污染,又可提供高質量的油田回注用水,國內外都有此方面的研究報道。李永發(fā)等用超濾膜處理勝利油田東辛采油廠預處理過的廢水,處理后油截留率為 % ,能達到低滲透油田回注水標準。梁立軍等用中空纖維超濾器對大慶油田的注水站的回注水進行了試驗,開發(fā)的膜組件在通量上比常規(guī)的中空纖維組件大3～4倍,其通量最大。溫建志等采用中空纖維超濾膜對油田含油廢水進行了處理,研究表明,總懸浮固體質量濃度由6. 69 mg/ L下降為0. 56 mg/ L ,油質量濃 mg/ L下降為0. 5 mg/L ,達到滿意的效果。Simms 等人采用高分子膜和Membralox陶瓷膜對加拿大西部的重油采出水進行了處理,懸浮物含量由150～2290mg/ L降低到1 mg/ L以下,油含量由125～1640 mg/ L降低到20 mg/L以下。[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,且成分復雜。用膜法處理這些廢水具有不需加絮凝劑、操作簡便、環(huán)境影響小等優(yōu)點。金屬加工廢水在進入膜過濾器前需進行預處理,由于油水界面表面張力足以使油滴不透過已被水浸濕的膜,因而超濾膜能成功地從含油廢水中分離出油相,超濾后的滲透液中的油濃度通常低于10 mg/L ,可以排放。超濾法處理乳化油廢水應用已經(jīng)有 20 多年了,德國早在 1979年就已有 250 多個超濾設備用于濃縮乳化油。陸曉千等用超濾技術處理車床、清洗機設備產(chǎn)生的廢水,這種廢水為乳白色,含油1 000～5 500 mg/ L ,COD 含量高達 10 000～50 000 mg/ L。經(jīng)膜處理后,出水透明,[16]膜分離法處理含油污水具有操作簡單、分離效果良好、化學添加劑使用量少、無相變、能耗低等優(yōu)點,在含油污水處理中將會獲得越來越廣泛的應用。目前油水分離膜研究重點是對膜進行表面改性,以有效減小膜污染,使膜能長期穩(wěn)定工作,并降低運行費用。合理選擇膜種類和適當?shù)牟僮鳁l件,是確保實際工業(yè)應用中得到良好的油水分離效果的前提。[14] 本文的主要研究內容與本人主要工作11含油低于 10 mg/ L ,COD 為 1 700～5 000 mg/ L ,油去除率 99 %以上。上海交通大學碩士學位論文第 1 章 緒論 本文的主要研究內容超濾膜分離技術的應用從開始到現(xiàn)在已經(jīng)有將近半個世紀年的歷史，在海水淡化、石油化工、節(jié)能技術以及生物、醫(yī)藥、輕工、食品、紡織、冶金等領域，產(chǎn)生了巨大的經(jīng)濟效益和社會效益，使人們對膜分離技術有了深刻的認識。但是作為船舶艙底水處理這一新的研究領域，超濾膜分離技術的研究目前在國內仍處于初始發(fā)展階段，這方面的系統(tǒng)研究較少。因此，將膜分離技術應用于船舶艙底水處理技術具有十分重要的理論與實際意義。本文的主要研究內容分為以下幾個方面：1. 在分析膜分離基本原理的基礎上，設計了分離乳化液的超濾膜分離試驗系統(tǒng)，根據(jù)實驗數(shù)據(jù)給出膜的理論特性，提出了采用膜分離技術解決乳化油難分離問題的關鍵技術及其解決途徑。2. 通過試驗研究，發(fā)現(xiàn)影響延長膜組件壽命的主要因素，并將優(yōu)化操作條件，反清洗等措施應用于樣機設計中，為后期樣機的應用試驗改進設計研究奠定基礎。3. 在超濾的基本傳質理論基礎上，依據(jù)流體力學知識推導滲透壓、濾餅層阻力公式以及膜通量模型方程，通過分離乳化液的超濾膜分離實驗得出的實驗數(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，并對膜通量模型進行仿真，驗證了模型的正確性。4．根據(jù)超濾膜分離乳化液試驗系統(tǒng)數(shù)據(jù)和膜通量模型仿真，設計了新型船舶油水分離裝置并按照有關規(guī)范進行多次樣機試驗，并通過 CCS 型式認可試驗，裝配實船運行。 本人主要工作1．設計乳化液膜分離實驗系統(tǒng)，并完成試驗；2．利用 Matlab 控制系統(tǒng)對膜通量模型進行仿真；3．設計船舶艙底油水分離裝置試驗系統(tǒng)和控制系統(tǒng)，并完成試驗。12上海交通大學碩士學位論文2.第 2 章 乳化液膜分離試驗研究乳化液膜分離試驗研究膜從廣義上可定義為兩相之間的一個不連續(xù)區(qū)間。這個區(qū)間的三維量度中的一度和其余兩度相比要小得多。膜一般很薄，厚度從幾微米、幾十微米至幾百微米之間，而長度和寬度有時要以米來計量。具有分離功能的膜是指可選擇性透過不同物質的膜，這種膜可對多組分體系進行分離、分級、提純或富集。大多數(shù)的分離膜都是固態(tài)膜，其中尤以有機高分子聚合物材料制成的膜為主，近年來開發(fā)的無機膜和金屬膜，由于其耐熱、耐酸堿和高機械強度等方面的優(yōu)良性能也得到了迅猛的發(fā)展。另外，液膜和氣體分離膜也在一定程度上得到了應用。膜分離技術是一種新型高效的分離技術，是對非均相系中不同組分進行分離、純化與濃縮的一門新興的邊緣交叉學科。不同的膜分離具有不同的機理，適用于不同的對象和要求。不過，各種膜過程有其共同的特點，如過程一般較簡單、設備體積小、經(jīng)濟性好、分離系數(shù)較大(受膜材料的物理結構、形態(tài)等影響)，一般沒有相變、在常溫下可以連續(xù)操作、可實現(xiàn)集成或雜化、可直接放大、節(jié)能、高效無二次污染等。當前的研究和實踐表明，它在油水分離領域也逐漸顯示出極大的發(fā)展?jié)摿?。常用的膜分離技術有微濾(MF)、超濾(UF)、納濾和反滲透(R0)。 膜分離技術的基本原理（1） 膜分離過程的常見形式[22]－[25]膜分離過程是利用薄膜分離混合物的一種方法。薄膜作為兩相之間的選擇透過性相，可使兩相的某一相或多項組分透過膜，截留其他組分，從而實現(xiàn)不同組分之間的分離，達到分離，濃縮和純化的目的。不同的膜分離過程可以有不同的分離機理和推動力。膜過濾就是其中的一種，它主要是利用流體的壓力差為推動力的篩分分離過程。此外，還用利用濃度差，分壓差和電位差等作為推動力的其他膜分離過程。常見的膜分離過程包括微濾(Microfiltration，MF)、超濾(Ultrafiltration，UF)、納濾(Nanofiltration)和反滲透(Reverse Osmosis，RO)等。微濾是膜分離過程中研究最早、產(chǎn)業(yè)化最早的一種膜技術。微濾膜的孔徑一般在13上海交通大學碩士學位論文第 2 章 乳化液膜分離試驗研究O．02～10μm左右，其主要特征為孔徑均一、孔隙率高，其分離主要依靠機械篩分作用，其次是吸附截留。微濾膜的孔徑較大，常用于截留溶液中的懸浮顆粒，由于其運行壓力低且造價低，其污染問題沒有引起太多的重視。超濾也是膜分離技術中較為成熟的一種技術。超濾膜分子量截留范圍大致為1000～300000，其分離機理被認為是物理篩分過程。超濾膜是有孔膜，主要用于截留溶液中膠體、蛋白質、懸浮固體、微生物等物質，允許水、無機鹽和小分子物質透過。超濾過程一般通量較高，而溶質的擴散系數(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。反滲透過程是滲透過程的逆過程，即溶劑從濃溶液通過膜向稀溶液中流動。反滲透被認為是最精密的膜法液體分離技術，它對溶解性鹽截留率很高但允許水分子透過。關于反滲透分離機理是無孔機理(溶解－模型)還是有孔機理(選擇吸附－毛細孔流理論)的爭論維持了若干年，但無論如何，反滲透過程中膜材與被分離介質之間的化學特性是起第一位作用的，然后才是膜的結構形態(tài)，這一點已經(jīng)達成了共識。反滲透過程因為通量較低和傳質系數(shù)比較大，在使用過程中受濃差極化的影響較小，而溶質在膜面的吸附和沉積被認為是膜污染的主要原因。納濾是一種介于超濾和反滲透之間的壓力驅動的膜分離過程。納濾膜早期被稱