油水分離方法的研究

羅 潔

（吉林工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，吉林 吉林 132013）

隨著人類工業(yè)的迅速發(fā)展以及油類物質(zhì)的大量使用，自然界中的水資源、油資源污染日趨嚴(yán)重，并已經(jīng)對人類健康造成了危害，同時(shí)對資源造成了浪費(fèi)。工業(yè)油水混合和海上石油泄漏是最常見的污染形式。含油污水嚴(yán)重威脅了人類健康和生態(tài)平衡，油水分離技術(shù)可成功的實(shí)現(xiàn)各種油液和水的完全分離，將工業(yè)含油廢水中的油液從水體中分離出來，凈化水質(zhì)，避免隨意排放含油廢水帶來的危害，且凈化的水可以循環(huán)使用，降低對水資源的消耗。油水分離技術(shù)也可成功的將海上溢油從海面分離，凈化海洋環(huán)境，使泄漏的原油得到回收利用，減少石油資源的浪費(fèi)。因此，油水分離技術(shù)的研究對改善水污染、油污染以及減少水、油資源的浪費(fèi)具有很重要的理論意義和實(shí)際價(jià)值。

1 油水分離方法

目前傳統(tǒng)的油水處理方法包括：生物降解法、化學(xué)處理法、物理處理法。自從發(fā)現(xiàn)了自然界中某些物質(zhì)表面的極端潤濕性，研究人員對其表面的特殊微觀結(jié)構(gòu)產(chǎn)生了濃厚的興趣。近年來，利用材料特殊潤濕性對水和油的不同作用來實(shí)現(xiàn)油水分離引起了研究者廣泛的關(guān)注，粉末、纖維膜、棉織物、濾紙、金屬網(wǎng)、聚氨酯海綿等材料都被應(yīng)用于極端潤濕性表面制備和油水分離研究，均可獲得較好的極端潤濕性和分離效果。

1.1 傳統(tǒng)的油水分離方法

（1）生物降解法。生物降解法主要是通過采用人工措施來促進(jìn)油污染物的自然生物降解，主要方法是在水體中添加能夠降解油液的微生物、施加營養(yǎng)物質(zhì)來促進(jìn)微生物的增值和投入表面活性劑來促進(jìn)微生物對油液的降解等，生物降解法對環(huán)境影響小，且沒有二次污染。

Cunningham等采用生物降解法去除柴油，并通過對比試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，將聚乙烯醇作為包埋劑系統(tǒng)的固定化技術(shù)對柴油的降解效果要比非固定化技術(shù)及商業(yè)菌劑對柴油的去除效果好。史琪琪等[1]對簡單噴灑微生物的生物降解法進(jìn)行了改進(jìn)，采用下潛式的裝置實(shí)現(xiàn)生物處理，通過控制下潛式裝置在浮油下的運(yùn)動再配合一套滴加微生物的系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)精確、定量地向浮油內(nèi)添加微生物的過程。

（2）化學(xué)處理法。使油類物質(zhì)的存在形態(tài)發(fā)生改變而減少污染的方法稱為化學(xué)處理法。化學(xué)處理法的目的是使油液分散或聚集，根據(jù)油層厚度的不同，可以選擇化學(xué)制劑或燃燒來實(shí)現(xiàn)。當(dāng)油層厚度小于0.3cm時(shí)，使用溢油分散劑、集油劑、吸油劑等化學(xué)制劑效果較好；而當(dāng)油層厚度較大時(shí)，往往則使用燃燒法來處理。化學(xué)處理法所需后勤支持少，效果好、反應(yīng)快。

美國曾多次在湖泊，內(nèi)河，濕地等多處對水面油污染物應(yīng)用了就地燃燒法，結(jié)果表明在油層厚度較大、含水率較大的情況下，就地燃燒是一種快速的、方便的、有效的浮油處理方式[2]。20世紀(jì)90年代后期，溢油凝油劑的研究在我國受到很大重視，青島海洋大學(xué)陳國華、大連理工大學(xué)李忠義、復(fù)旦大學(xué)姚重華等人分別系統(tǒng)地研究了聚乙烯醇型、大豆蛋白凝油劑、氨基酸型凝油劑、山梨糖醇型凝油劑等凝油劑的制備，取得了豐碩的研究成果。

（3）物理處理法。將油（水）從水（油）中分離出來，而不改變油或水的存在形式的油水分離方法，例如重力法、離心法、吸附法、圍欄法、磁性分離法等，均稱為物理處理法。物理處理法無二次污染，避免了資源浪費(fèi)。

19世紀(jì)50年代，美國殼牌公司開發(fā)了一種平行板捕集器，隨后Fram公司在此基礎(chǔ)上，利用浮油較水體相比與捕集器具有較短的距離以及油液與板面發(fā)生碰撞而聚結(jié)的原理，研發(fā)出一種更加優(yōu)化的聚結(jié)板分離器，成功實(shí)現(xiàn)了對水面浮油的收集。在我國，青島華海環(huán)保工業(yè)有限公司設(shè)計(jì)出一種斜帶沉浮式撇油器，具有效率高、適應(yīng)性強(qiáng)、結(jié)構(gòu)緊湊、操作方便等優(yōu)點(diǎn)。

1.2 基于極端潤濕性材料的油水分離方法

（1）油吸附法。目前，基于極端潤濕性材料的油吸附法常用的材料有粉末和聚氨酯海綿。粉末油水分離的原理是將超疏水-超親油粉末灑在油水混合物中，利用其特殊的潤濕性吸收油液。Arbatan等用硬脂酸無水乙醇溶液修飾碳酸鈣粉末，得到具有超疏水性的碳酸鈣粉末，并進(jìn)行了油水分離試驗(yàn)，如圖1所示，油水分離效率高于98%。Banerjee等將制備的含鐵金屬有機(jī)骨架材料（MOF）煅燒后獲得Fe3O4和碳的磁性疏水親油表面，通過外加磁場，使吸附油液的磁性疏水粉末與水分離。

圖1 油水混合物：（a）加入超疏水粉末前；（b）加入粉末后；（c）分離后[4]

聚氨酯海綿由于其內(nèi)部可以提供充分的儲油空間，通過吸油-擠壓過程可實(shí)現(xiàn)高效率油水分離。Qing等利用化學(xué)沉積和表面能修飾的方法制備出的超疏水-超親油聚氨酯海綿能吸收各種水面浮油，海綿的吸收速度快，效率高，可重復(fù)性強(qiáng)。徐文驥等[3]利用超疏水-超親油海綿發(fā)明了一種高效率、高純度、無動力的水面浮油收集裝置。

（2）油或水過濾法。油或水過濾法油水分離的原理類似過濾，通過疏水親油的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)材料透過油阻隔水來實(shí)現(xiàn)油水分離，如濾紙、纖維膜以及金屬網(wǎng)等。石彥龍等[4]以棉織物為基底，在其表面浸涂ZnO溶膠，再用辛基三甲氧基硅烷降低涂層表面能，利用棉織物表面的超疏水性和超親油性，實(shí)現(xiàn)對油水混合物中油和水的有效分離。Zang等將改性的SiO2/PS復(fù)合材料涂抹在濾紙上，制備出具有超疏水超親油性和高油水分離效率的濾紙。Kong等在室溫下將磷銅網(wǎng)置于去離子水中浸泡3小時(shí)，再經(jīng)十二硫醇修飾后得到超疏水磷銅網(wǎng)，并進(jìn)行了如圖2所示的油水分離試驗(yàn)。

圖2 基于超疏水磷銅網(wǎng)的油水分離：（a）分離前；（b）分離后

2 存在的問題

傳統(tǒng)的油水分離方法和目前已有的基于極端潤濕性材料的油水方法存在以下問題：

（1）生物降解法對環(huán)境有較高的要求，降解速度緩慢，油液不可回收，造成資源浪費(fèi)；化學(xué)處理法成本高，生產(chǎn)工藝復(fù)雜、價(jià)格貴、難以推廣且會存在二次污染。物理處理法在處理海上溢油方面存在很大的問題，其中圍欄法最終回收的油純度不高，需采取進(jìn)一步的分離，吸附法在吸油的同時(shí)也會吸入水分，回收也需油水分離。

（2）目前基于極端潤濕性材料的油水分離方法大多只適用于分離輕油（密度小于水）-水混合物，而對重油（密度大于水）-水混合物進(jìn)行油水分離的方法較少。國內(nèi)外對基于極端潤濕性材料的重油-水混合物分離的研究也較少。

（3）超疏水粉末能有效的吸收油液，但粉末的可重復(fù)使用性差，且分離出的油液不可回收利用；超疏水聚氨酯海綿具有一定的油存儲能力，但吸油能力受體積限制且儲存穩(wěn)定性差，每次吸油后都需擠壓處理使吸附的油排出。基于網(wǎng)狀材料的油或水過濾法分離速度快，但需預(yù)先收集油水混合物，并且過濾網(wǎng)的油水分離效率、耐水壓性、抗水沖擊穩(wěn)定性等方面存在一定的局限性。因此，這兩種方法僅適用于工業(yè)油水分離，對于大面積海上油水分離存在較大的局限。

3 結(jié) 語

綜上所述，傳統(tǒng)油水分離方法普遍存在工藝過程復(fù)雜、二次污染、油水分離不徹底等缺點(diǎn)。目前已有基于極端潤濕性材料的油水分離方法大多只適用于分離輕油（密度小于水）-水混合物，而對重油（密度大于水）-水混合物進(jìn)行油水分離的方法較少。超疏水粉末可重復(fù)利用性差，油液不可回收；超疏水聚氨酯海綿吸油能力受體積限制且儲存穩(wěn)定性差；基于超疏水網(wǎng)狀材料的油或水過濾法在分離效率、耐水壓性、抗水沖擊穩(wěn)定性等方面存在一定的局限性。這就需要研究一種新的油水分離方法。超疏水-超親油泡沫銅是一種對水和油顯示兩種不同極端潤濕性的三維多孔結(jié)構(gòu)材料，可實(shí)現(xiàn)油和水的分離，在解決水污染和油污染的問題上具有良好的應(yīng)用前景。