含聚合物污水電化學處理中的氣泡和油珠變化分析

任宛莉

（寶雞職業技術學院 公共課教學部，陜西 寶雞 721013）

含聚合物的污水處理對注聚油田的有效開發產生重要影響，通常在返出聚合物時，采油污水的乳化程度、黏附性提高，但油珠的粒徑會變小，這也會導致油珠與懸浮物的乳化穩定性提升，給油水分離帶來了困難[1]。正常狀態下，含聚合物污水在經過處理后會注到地層，如果沒有達到處理標準，會出現堵塞底層空隙的情況，使注水能力與油井產量大大降低。針對含聚污水，其乳化油珠通常是以微小顆粒的形式存在，并且存在微氣泡，這些微氣泡能夠和油珠碰撞，使更多油珠碰撞在一起形成粒徑較大的油珠。同時，在微氣泡的作用下可以迅速上浮，有助于提升電化學除油能力。

為了觀察處污效果，需借助分形理論，該理論主要是用以描述、計算相對粗糙且不規則客體性質的手段。分形維數主要是闡述分形結構的參數，能夠定量說明顆粒的空間填充狀態及不規則性質。因此，應用形態原位識別技術對電化學處理期間的氣泡及油珠變化進行呈現，觀察氣泡和油珠的黏附、聚集、分布特點，在展開微觀研究期間，合理判斷電化學處理除污效果[2]。

1 實驗部分

1.1 研究對象

研究對象為含聚合物污水，且污水乳化程度較高，應用常規方式很難實現快速脫穩，處理較困難，在油污水中存在相關的殘余聚合物。

1.2 實驗試劑和儀器

石油醚，由天津福晨試劑提供。紫外可見分光光度儀，北京普析通用儀器有限責任公司；直流穩壓電源，意澤電氣有限公司；乳化機，上海弗魯克流體機械制造有限公司；電化學反應器，自行設計（包含電極板、蠕動泵、集水管、電極板、光源等）。

1.3 電化學除油過程

電化學處理含聚合物污水過程如圖1所示。

圖1 電化學處理含聚合物污水過程示意

應用電化學處理期間，電極板材料為惰性鈦材，裝置以透明材料為主，通過直流電源帶動，在電極板表面會出現氣泡，主要為生成氫氣和氧氣所致，并且在氣體帶動下逐漸上浮[3]。在利用外加電場對其處理期間，能夠破壞污水中的乳化油珠，促進乳化油的聚集并形成較大的油珠，有助于從水中進行分離。正常狀態下，形成氣泡的密度低于水的密度，氣泡會開始上浮，在上浮階段又會和油滴進行碰撞，使油滴的粒徑逐漸變大，在提升油珠上浮速度的過程中，又能夠加強除油效果[4]。

1.4 電化學除油工藝

1）將含聚合物污水添加到電化學反應器中，按照反應器的容量大小，添加至規定容量。

2）準確設定污水在反應器中的時長，按照時間設置，可依從10、20、30 min 等執行動態處理。合理調節對應電流值在4～8 A 之間，應用分析軟件，將錄像截屏頻率設定在1 次·s-1，在執行中將水溫控制在60 ℃左右。

3）保持靜態時間30 min 后開始執行動態處理過程。

4）獲取經過不同時間動態處理的污水進行取樣，按照規范化操作進行處理，利用分光光度法測定污水中的油含量。

5）使用石油醚對最初污水和處理后的污水進行萃取，并借助分光光度儀測出含油量，比較兩者差值和原始含油量的比值。

2 結果與討論

2.1 動態處理期間氣泡和油珠的形態特點

使用形態學分析可觀察氣泡與油珠的變化，借助微觀分析對其產生過程、變化情況進行研究，可以為油珠顆粒聚集以及優化電化學處理含聚合物污水工藝提供幫助。在觀察氣泡形態分時變化期間，發現通過電化學處理，生成氧氣和氫氣，氣體在水中形成氣泡，并且氣泡的大小主要和上升浮動的速度有關[5]。動態處理期間氣泡和油珠上浮示意如 圖2所示。

圖2 氣泡和油珠上浮示意

一般來講，對于直徑低于100 μm 的氣泡，主要呈現出球形狀態，直徑在1～10 mm 之間的氣泡，其形狀主要為橢圓形。觀察發現，當輸出電流控制在6 A、停留時間達到30 min 時，氣泡粒徑在60.7～68.1 μm 之間，處于微小氣泡范圍內。當氣泡的分形維數控制在2.06 時，電化學處理過程中氣泡的粒徑不會發生顯著變化。在屬于微氣泡狀態下，能夠使氣泡黏附油珠周邊，展現出氣浮效果。

2.2 處理過程中氣泡與油珠的相互作用

電化學處理含聚合物污水時，屬于動態變化的過程，該階段氣泡和油珠間會形成碰撞、黏附，并且整個浮升體系是在氣體、液體、固體共同作用下構建起來的，三者相互聚集的大小屬于油水分離的關鍵過程[6]。氣泡和油珠黏附進而浮升的條件：首先，兩者要具有大致相同的運動軌跡，并且發生存在有效接觸；其次，在氣泡和油珠接觸的同時，必須克服粒子間的相互作用，消除靜電斥力、范德華力等影響，最終保證氣泡和油珠能夠實現有效碰撞，兩者通過黏附聚集在一起；同時，在浮力的作用下氣泡和油珠的共聚體會逐漸上升，最終實現油水分離的過程。

從微觀層面出發，在電化學處理下，水力動力學斥力能夠阻擋油珠和氣泡間的彼此作用，多數油珠會散步在氣泡周邊區域，在此條件下氣泡和油珠進行黏附[7]。隨著電化學處理過程的推移，油珠也會在氣泡的帶動下進行積累，這能夠為油珠的上浮分離創造條件。

2.3 氣泡和油珠對除油效果的影響

在電化學反應條件下，電極部位會有微小氣泡產生，出現的微小氣泡粒徑大小存在差異，并且在不同階段氣泡的上升速度并不相同。總體而言，粒徑相對較小的微氣泡上升速度更為緩慢，由于其表面積較大，通常更容易捕獲到較小的油珠顆粒，而粒徑較大的微氣泡上浮速度更快一些，不太容易黏附在油珠周圍，又比較容易破裂，對氣浮作用產生影響，通常會干擾除油效果[8]。觀察發現，如果將輸出電流控制在4 A，在此條件下氣泡的當量直徑越小，其除油效果會更加明顯。此外，在污水停留時間低于20 min 時，氣泡當量直徑會大于57.32 μm，如果將污水停留時間延長，獲得的氣泡平均當量直徑會降低，并且除油率將呈現出上升趨勢。因此，上述結果表明在輸出電流較低的情況下，如果保持較長的停留時間就能夠產生更多的氣泡，在此條件下氣泡和油珠碰撞的概率增加，借助氣浮作用的影響，除油效果更佳顯著。

在觀察油珠變化對除污效果影響時，按照斯托克斯沉降定律，油珠在水中進行上浮的速度和油珠直徑的平方成正比[9]。正常狀態下，顆粒較大的油珠和氣泡發生碰撞進而黏附的概率較大，更有利于形成共聚體微粒，這也能夠提升油珠的上浮速度[10]。反之，若是油珠顆粒相對較小，其被氣泡捕捉的概率會降低，整個過程浮升速度也會變慢，很容易影響到除污效果。研究發現，在將輸出電流控制在4 A 時，動態停留時間會對油珠間的集聚產生影響。如果將動態處理時間進行延長，油珠粒徑也會逐漸變大，同時，伴隨著污水在電解槽中停留時間的延長，不同油珠間的碰撞概率會變大，促進了油珠的聚集現象。在將動態停留時間控制為10～20 min 時，整體上油珠形態變化較小，形成的聚集顆粒較小。如果將動態停留時間延長到25～30 min 時，最終形成的油珠形態差異較為明顯，且小顆粒更容易聚集成大顆粒，除油率會得到提升。上述結果表明，在輸出電流較低的情況下，保持較長動態停留時間時能夠提升除污效果。

2.4 電流大小對電化學除油效果的影響

通過調整電流的大小以及污水動態的停留時間，能夠獲得較好的電化學條件。結合此次研究過程，發現輸入電流大小能夠對油滴、氣泡形態產生影響，且在較高電流狀態下，如果降低動態停留時間，可以實現提升除油效果。在保持較低的電流條件下，如果能夠適當增加動態停留時間，也能發揮出提升除油率的效果。

3 結 論

在使用電化學處理時，觀察含聚合物污水處理期間氣泡與油珠的變化，能夠選擇出最佳的除污條件。伴隨著處理時間的延長，油珠顆粒會逐漸聚集而變大，對應的分形維數也會發生一定的變化。總體上氣泡的分形維數保持在2.06 左右，在特定的停留時間期間，氣泡分時的形態會變小。此外，電流也屬于影響油珠氣泡分形變化的因素之一，在較高輸出電流條件下保持較短的停留時間或在較低的輸出電流條件下保持較長的停留時間，均可獲得較好的除油效果。