超聲溶劑萃取法處理含油污泥的研究

孟玉花 ,趙朝成,劉其友,張秀霞

(中國石油大學(華東)化學工程學院,山東青島266580)

超聲溶劑萃取法處理含油污泥的研究

孟玉花 ,趙朝成,劉其友,張秀霞

(中國石油大學(華東)化學工程學院,山東青島266580)

以新疆克拉瑪依的含油污泥為研究對象,先后在超聲條件下通過有機溶劑萃取和表面活性劑水洗的方法對其進行綜合處理。結果表明:在處理溫度為55℃、超聲強度為320 W、處理時間為5 min、溶劑比為7.5 L·g-1的最佳條件下,有機溶劑石油醚萃取處理后含油污泥的剩余含油量降為6%;在處理溫度為55℃、超聲強度為320 W、處理時間為11 min、溶劑比為15.0 L·g-1、p H值為5的最佳條件下,十二烷基苯磺酸鈉-OP-10(1∶1)處理后含油污泥的剩余含油量僅為0.6%。

含油污泥;超聲;有機溶劑萃取;表面活性劑水洗

含油污泥顆粒普遍帶有負電荷,多數顆粒之間相互吸引,使含油污泥形成一個相對穩定的懸浮液系統。含油污泥的成分復雜,通常由水包油、油包水以及懸浮固體組成,此外,由于粘度高,含油污泥難以脫水。目前,含油量高的污泥一般經溶劑萃取技術或其它物理、化學和生物方法進行處理,可使污泥的含油量降低,達到外排標準或實現農業回收利用[1]。超聲處理含油污泥作為一種新興技術,具有高效、快速的特點,受到了廣泛關注[2]。

溶劑萃取法以“相似相容”原理選擇合適的溶劑作為萃取劑,萃取技術的關鍵是找到一種性價比較高的萃取劑,將原油從含油污泥中回收。溶劑萃取法可以更徹底地處理含油污泥,回收大部分原油性物質,還可以從含油污泥中分離出寶貴的碳氫化合物,并且使固體和半固體的含油污泥量減少[3]。然而,溶劑萃取法仍處于實驗室階段,由于萃取劑價格昂貴,且在處理過程中存在一定的損失,所以萃取法處理成本高,不利于實際煉油廠含油污泥的處理。表面活性劑的分子結構具有兩親性:一端為親水基團,另一端為憎水基團,在溶液的表面能定向排列,并使表面張力顯著下降[4]。表面活性劑由于其特殊的結構和性質,可以很大程度地提高難溶有機物在水相中的溶解度,故可利用表面活性劑水洗含油污泥[5]。

作者以新疆克拉瑪依的含油污泥為研究對象,先后在超聲條件下通過有機溶劑萃取和表面活性劑水洗的方法對其進行處理,并優化了萃取條件和水洗條件。

1 實驗

1.1 材料

含油污泥樣品:粘度高,含油量高(30%),含水率低(4%),采集于新疆克拉瑪依風城油田。

1.2 方法

首先選用石油醚(沸程60～90℃)在一定的條件下對含油污泥進行萃取,然后選用十二烷基苯磺酸鈉-OP-10[6](1∶1)混合液在一定的條件下對含油污泥進行水洗,通過單因素實驗考察處理溫度、超聲強度、處理時間、溶劑比等主要因素對萃取效果和水洗效果的影響,優化處理條件。

1.3 石油烴的測定方法

石油烴濃度的測定依據GB/T 16488-1996《水質石油類和動植物油類的測定 紅外分光光度法》進行。

將含有菌液的原油無機鹽培養基轉移至250 m L分液漏斗中,用1 mol·L-1的鹽酸使其酸化至p H≤2,用20 m L環保專用CCl4洗滌三角瓶,洗滌液也加到分液漏斗中,然后加入2 g氯化鈉破乳,充分振蕩3 min后,靜置5 min待其分層,將萃取液轉移至一新的三角瓶中,用CCl4萃取,重復操作2次,合并3次的萃取液。將15 mm厚的無水Na2SO4(300℃烘干2 h)平鋪于玻璃砂芯漏斗內,萃取液緩慢通過砂芯漏斗除去其中的水分,隨后用真空泵將濾液抽至抽濾瓶中,用適量CCl4洗滌砂芯漏斗,洗滌液也轉移至抽濾瓶中。將抽濾瓶中的濾液移至100 m L容量瓶中,用CCl4定容至刻度、搖勻。用OIL510型全自動紅外分光測油儀測定石油烴含量,并計算剩余含油量[7]。

2 結果與討論

2.1 超聲強度的影響(圖1)

由圖1可以看出,超聲強度越大,石油醚萃取效果和表面活性劑水洗效果越好,但當超聲強度達到320 W后石油醚萃取效果和表面活性劑水洗效果的增加趨勢均明顯減緩,尤其是石油醚萃取效果變化非常小。這是因為,隨著超聲強度的增大,萃取劑的分子動能增加,但是達到一定超聲強度后,超聲強度不再是主要的影響因素,故增加趨勢減緩。因此,選擇石油醚萃取和表面活性劑水洗的超聲強度均為320 W。

2.2 處理時間的影響(圖2)

圖1 超聲強度對溶劑萃取效果和表面活性劑水洗效果的影響Fig.1 The effects of ultrasonic intensity on solvent extraction efficiency and surfactant washing efficiency

圖2 處理時間對溶劑萃取效果(a)和表面活性劑水洗(b)效果的影響Fig.2 The effects of treatment time on solvent extraction efficiency(a)and surfactant washing efficiency(b)

由圖2可以看出,處理時間越長,石油醚萃取效果和表面活性劑水洗效果越好;當處理時間超過5 min后,石油醚萃取效果增加趨勢明顯減緩;當處理時間超過11 min后,表面活性劑水洗效果增加緩慢。這是因為,隨著處理時間的延長,污泥中的含油量越來越低,此時仍含有一部分難以萃取的石油組分,但是含量很少,即使延長處理時間,也難以將其萃取出來。綜合考慮,選擇溶劑萃取、表面活性劑水洗的最佳處理時間分別為5 min、11 min。

2.3 處理溫度的影響(圖3)

由圖3可以看出,處理溫度越高,處理效果越好,當處理溫度為55℃時表面活性劑水洗效果達到最優,且55℃以后再升高處理溫度溶劑萃取效果增加不明顯。這是因為,隨著處理溫度的升高,污泥中分子的動能增加,萃取效率高,但處理溫度達到一定程度后就不再是主要的影響因素。綜合考慮,為降低能耗、提高效率,選擇溶劑萃取和表面活性劑水洗的最佳處理溫度均為55℃。

圖3 處理溫度對溶劑萃取效果和表面活性劑水洗效果的影響Fig.3 The effects of treatment temperature on solvent extraction efficiency and surfactant washing efficiency

2.4 溶劑比的影響(圖4)

由圖4可以看出,隨著溶劑比的增加,石油醚萃取和表面活性劑水洗的效果均逐漸增強;當溶劑比超過7.5 L·g-1后,石油醚萃取效果變化不大;當溶劑比為15.0 L·g-1時,表面活性劑水洗效果最佳。這是因為,反應起始階段污泥中容易被萃取的石油組分含量較多,隨著溶劑比的增加,污泥中易萃取組分含量降低,萃取難度增大。從經濟和環保方面考慮,溶劑比不宜過大,選擇溶劑萃取、表面活性劑水洗的最佳溶劑比分別為7.5 L·g-1、15.0 L·g-1,含油污泥最終剩余含油量降為0.6%。

圖4 溶劑比對溶劑萃取效果(a)和表面活性劑水洗效果(b)的影響Fig.4 The effects of liquid-solid ratio on solvent extraction efficiency(a)and surfactant washing efficiency(b)

2.5 p H值對表面活性劑水洗效果的影響

p H值對表面活性劑在水中的存在狀態有較大的影響,進而影響到水洗的效果。利用鹽酸和氫氧化鈉調節p H值分別為4、5、6、7、8、9,考察p H值對表面活性劑水洗效果的影響,結果見圖5。

圖5 p H值對表面活性劑水洗效果的影響Fig.5 The effect of p H value on surfactant washing efficiency

由圖5可以看出,p H值大于或小于5對表面活性劑的水洗效果均不利,p H值為5時的水洗效果最好。這與文獻報道的堿性條件有助于油泥清洗的結論相悖[8],原因可能是兩者處理的污泥種類不同和選用的表面活性劑不同:文獻處理的含油污泥含水率在60%以上,呈泥漿狀,主要依靠的是表面活性劑溶液對含油污泥體系的破壞能力;本實驗采用的污泥含水率小于4%,萃取后的含油污泥結構松散,主要依靠的是表面活性劑對原油的溶解能力。堿性條件下溶液對污泥體系的破壞能力較強,酸性條件下溶液則具有較強的溶解原油的能力。因此,選擇表面活性劑水洗的最佳p H值為5。

3 結論

采用超聲溶劑萃取法對含油量高(30%)、含水率低(4%)的含油污泥進行處理:首先選用石油醚作為萃取劑超聲萃取回收污泥中的部分原油,在超聲強度為320 W、處理溫度為55℃、處理時間為5 min、溶劑比為7.5 L·g-1的最佳萃取條件下,石油醚萃取后的污泥含油量降為6%;然后選用十二烷基苯磺酸鈉和OP-10的混合液作為表面活性劑水洗液,處理石油醚萃取后的含油污泥,在超聲強度為320 W、處理溫度為55℃、處理時間為11 min、溶劑比為15.0 L·g-1、p H值為5的最佳水洗條件下,表面活性劑水洗后的污泥含油量降為0.6%。

[1] de Franca F P,da Silva L J,de Oliveira F J S.Treatment of oily sludges in soil——A field study[J].New Biotechnology,2009,25S (6):374-375.

[2] Xu N,Wang W X,Han P F,et al.Effects of ultrasound on oily sludge deoiling[J].Journal of Hazardous Materials,2009,171(6): 914-917.

[3] Zubaidy E A H,Abouelnasr D M.Fuel recovery from waste oily sludge using solvent extraction[J].Process Safety and Environmental Protection,2010,88(4):318-326.

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[5] 張力文,戴寧,楊瀟瀛,等.表面活性劑洗脫含油污泥中的機油[J].化工環保,2011,31(4):289-292.

[6] 王文祥,韓萍芳,呂效平,等.油田含油污泥超聲脫油的研究[J].環境工程學報,2007,12(1):134-136.

[7] GB/T 16488-1996,水質石油類和動植物油類的測定——紅外分光光度法[S].

[8] 高志農,許華東.青海油砂的物理化學特性[J].分析測試學報, 2002,21(6):1-4.

Research on Oily Sludge Treatment by Ultrasonic Solvent Extraction

MENG Yu-hua,ZHAO Chao-cheng,LIU Qi-you,ZHANG Xiu-xia
(College of Chemical Engineering,China University of Petroleum(Huadong),Qingdao 266580,China)

Using oily sludge from Karamay Oilfield in Xinjiang as research object,the treatment conditions were optimized for oily sludge with organic solvent extraction and surfactant washing under ultrasonic condition through the single factor experiment.When the oily sludge was extracted by petroleum ether under the optimum conditions as follows:treatment temperature of 55℃,ultrasonic intensity of 320 W,treatment time of 5 min,liquid-solid ratio of 7.5 L·g-1,the residual oil content decreased to 6%.And when the oily sludge was furtherly washed by SDBS-OP-10(1∶1)under the optimum conditions as follows:treatment temperature of 55℃,ultrasonic intensity of 320 W,treament time of 11 min,liquid-solid ratio of 15.0 L·g-1,p H value of 5, the residual oil content was only about 0.6%.

oily sludge;ultrasonic;organic solvent extraction;surfactant washing

X 741

A

1672-5425(2013)01-0068-03

10.3969/j.issn.1672-5425.2013.01.18

中央高?；究蒲袠I務費專項資金資助項目(11CX06044A)

2012-10-12

孟玉花(1987-),女,山東濰坊人,碩士研究生,研究方向:固廢資源化處理,E-mail:mengsusu123@126.com;通訊作者:趙朝成,教授,E-mail:zhao8021@sina.com。