基于超親水材料的溢油回收分離實驗

張慶范

(中海油能源發展股份有限公司 安全環保分公司，天津 300452)

海上溢油處置技術[1-2]經過近半個世紀的發展完善已相對成熟，目前處置方法主要包括直接焚燒[3]、機械回收[4]、噴灑分散劑[5]、生物降解[6]等。這些常規的處置技術存在各種各樣的問題，如回收效率低、操作復雜、二次污染等。溢油處置的關鍵是含油污水的分離。在眾多分離方法中，基于超親水材料[7]的油水分離以抗污染、低能耗、長壽命、高效率的優勢成為主要發展方向。考慮對超親水材料開展溢油回收分離實驗，分析分離流道及超親材料的孔徑對溢油回收分離效果的影響，探討基于超親水材料的溢油回收分離裝置的設計思路。

1 實驗準備

1.1 實驗裝置

為測試超親水材料在原油環境下的分離效果，利用有機玻璃管、鋁型材等設計搭建溢油回收分離實驗裝置，見圖1a)。分離流程及流道，見圖1b)。包括收油頭、油水槽、分離器件、流量計、油水泵和連接管等。收油頭與電動拉桿相連，實驗中可根據需要調整其與水面的距離。分離器件主要分為3個分離腔，分離腔之間用密封墊和不銹鋼螺栓連接，分離腔均為可拆卸設計，以便于調整分離流道。

圖1 溢油回收分離實驗裝置

1.2 實驗試劑和儀器

實驗過程中所用試劑和儀器見表1，實驗油樣取自渤海某平臺的中質原油，20 ℃時該原油的密度為926.9 kg/m3，黏度為581.2 mPa·s。

表1 實驗試劑和儀器

1.3 實驗流程

基于超親水材料在水中的疏油能力遠大于空氣中的特性，為最大限度地利用超親水材料的疏油性能，實驗正式開展前首先對分離流道進行充水操作，使整個分離網浸沒在水中。隨后調整水泵功率，使出水口流量穩定在1 L/min左右；待分離系統穩定運行一段時間后，在前端水槽中加入300 mL原油，正式啟動溢油回收分離實驗；當水面所有溢油回收完成后，結束本輪測試。

每輪實驗過程中，分別在起始、中間和結束階段進行取樣分析。隨后繼續開展下一輪測試，每種測試條件重復11次，以測試分離網的重復利用性能。

2 測試分析方法

2.1 流量測試

在溢油回收分離過程中，因為進口含油量會在一個區間波動，從而導致出水口的流量也會隨之波動。通過出水口處安裝的渦流流量計可獲得分離系統的即時流量，同時利用量筒和秒表對分離系統的平均流量進行測試。

2.2 進水口及出水口含油量測試

水樣測試時，首先加入一定體積的二氯甲烷充分震蕩，隨后轉移至分液漏斗進行靜止分層，下層溶液經定容后即可通過分光光度計和標準曲線計算得到原油的含量，最終利用量筒測量上層水的體積，計算水樣的含油濃度。

2.3 出油口含水量測試

將出油口的樣品加入15 mL的具塞離心管，隨后放入80 ℃烘箱靜置4 h，分別讀取分層后水和油的體積，計算含水百分比。

2.4 分離效率η和濃縮倍數m計算

材料的分離效率和濃縮倍數的計算公式如下。

3 結果與討論

3.1 超親水材料單級分離實驗

分離網有效截面積為67.4 cm2。實驗過程中發現，當分離裝置運行一段時間后，若未及時抽取上層浮油，超親水網就會出現透油現象，最終滲透的油滴會繼續在超親水網背面聚集上浮，形成浮油層。為解決透油問題，在靠近出口的位置設置2塊隔離擋板(見圖2)，并在擋板前端增加抽油口，以及時排出分離器后端的浮油。

圖2 單級分離流道及分離網截面示意

在分離器后端設置2塊擋板后，雖然對分離效果會有一定提升，但實驗開展一段時間后仍會在圖2部分區域聚集大量浮油。浮油在水流的帶動下逐漸填充在2個擋板間的區域，最終流向出水口，從而影響出水口的含油量。為消除浮油對測試結果的影響，每組測試僅選擇前3輪的結果進行平均，4組超親水材料的測試結果見表2。

表2 超親水材料單級分離測試結果

從測試結果可見：4種不同孔徑的超親材料均表現出了良好的分離性能，分離后出水口的含油量均降低至50 mg/L以下，出油口的含油量則保持在85%以上。

3.2 分離流道改進

在單級分離測試實驗中，由于設置在出口附近的2塊擋板距離太近，使得擋板間形成1個相對狹窄的通道。當分離過程持續一段時間后，在滲透和水流的作用下會有大量浮油聚集在2個擋板之間，嚴重影響出水口的含油量。為解決滲透浮油聚集的問題，對分離流道進行改進方案見圖3。

圖3 分離流道中擋板改進設計示意

通過增大2個擋板間的距離，同時將抽油口設置在2個擋板中間，在一定程度上解決了滲透浮油流向出水口的問題。

完成分離流道優化后，繼續對9 μm超親水材料進行分離測試，對比9 μm超親材料在流道優化前后的分離效果見圖4。

由圖4可見，流道改進前后，出水口的含油量在分離過程中均呈現出逐漸升高的趨勢，而出油口的含油量則隨時間而波動變化；出水口的含油量明顯降低，均保持在15 ml/L以內，出油口隨時間的波動趨勢也明顯減弱，多數情況下都處于70%以上。

雖然超親水材料在分離過程中表現出了良好的疏油能力，但在水流壓力的作用下，仍會有少量油滴透過分離網，致使分離網背面由亮銀色逐漸變為黑色,見圖5。

圖5 分離過程中超親水材料背面顏色變化

當親水分離網的顏色加深到一定程度后，會逐漸聚結形成小油滴，最終在浮力的作用下從分離網脫離上浮，說明超親水分離網除了具有隔油效果外，還對水流中分散油滴具有一定的聚結作用。

3.3 不銹鋼網單級分離實驗

為研究孔狀結構對油水分離效果的貢獻，在相同實驗條件和分離流道的基礎上，選擇相同孔徑的不銹鋼網進行系列單級分離實驗，結果見表3。

表3 不銹鋼網單級分離測試結果

在所有目數的不銹鋼網分離實驗中，不銹鋼網背面均會有大量油滴透過，見圖6。相對于超親水不銹鋼網(圖5)，不銹鋼網在分離過程中透過的油滴更大，形成的油滴卻并未快速上浮。該現象說明，單純不銹鋼網對水中分散油滴仍有聚結作用，但同時也具有一定的吸附能力，從而影響其實際分離效果。

圖6 分離過程中不銹鋼網背面顏色變化

對比超親材料和不銹鋼網的分離效果見圖7。從圖7可以看出，親水材料和不銹鋼網對溢油回收物均有一定的分離效果，經2種材料分離后油口含油量均在75%以上。相同目數下，親水材料的分離效果明顯優于不銹鋼網，主要原因：親水涂層的存在，可以增加水從分離網透過的速率，從而提升分離通量；親水涂層具備的疏油效果，可以促進網上凝聚的小油滴快速分離，從而提升分離效果。

圖7 親水涂層和不銹鋼網分離效果對比

3.4 雙級分離實驗

通過引入多級分離網在理論上可以大幅降低后面腔室的分離壓力，從而提升整體分離效率。按照多級分離的思想，在原有單級分離的基礎上增加一層分離網，形成雙級分離裝置并在同樣條件下開展相關測試。實驗過程中，第一級選擇18 μm的超親水材料用于粗分離，第二級選擇9～18 μm的超親水材料作為二次分離，雙級分離的測試結果見圖8。4種材料的分離效率和濃縮倍數見表4。

表4 4種孔徑超親水材料的分離效率及濃縮倍數

圖8 雙級分離測試結果

從圖8可以看出，影響出水口含油量的因素分別為運行時間和最后一級分離網的孔徑。只有當最后一級分離網孔徑為9 μm目時，出水口的含油量才會在整個分離過程中保持在15 mg/L以內。整體來看，在所有分離過程中，出水口的油含量均隨分離時間呈緩慢增加的趨勢，而出油口含油量則在85%上下波動。

4 結論

在溢油回收流程中引入超親水材料后，可極大地提高溢油回收物中的含油量，對溢油回收物體積具有10～19倍的濃縮效果；同時當在雙級分離中選用9 μm超親材料時，回收物分離后的水口含油量可降低至15 mg/L以內，超親水材料在溢油回收分離中具有良好的應用前景。后續研究中，應將超親水材料與收油頭整合，同時結合自動化控制技術，發展智能高效的新一代溢油回收裝備。