聚四氟乙烯荷电膜抗污染机理的实验研究

收稿日期院2008-04-01基金项目院山东省创新基金资助项目渊2007SD016冤作者简介院邵帅渊1983要冤袁男袁硕士研究生.E-mail:[e-mail]聚四氟乙烯荷电膜抗污染机理的实验研究邵帅1袁劳伟2袁蔺爱国1渊1.中国石油大学渊华东冤化学化工学院袁山东东营257061曰2.西南石油大学石油工程学院袁成都610500冤摘要院采用自制的膜过滤实验装置袁进行PTFE荷电膜在处理油田含油污水中抗污染机理的实验研究.结果表明院PTFE荷电膜在处理油田含油污水过程中袁膜孔内及膜表面均带有负电荷袁表面灼电位稳定在原20mV袁而油田含油污水中的油和悬浮物颗粒的灼电位也为负电性袁其灼电位在原14耀原16mV之间.油田含油污水中悬浮物的灼电位与膜的灼电性相同袁由于同性相斥的电荷效应袁使PTFE荷电膜具有更强的抗污染能力.关键词院聚四氟乙烯曰荷电膜曰含油污水曰膜污染中图分类号院TS102.54曰TQ028.8文献标识码院A文章编号院员远苑员原园圆源载渊圆园园8冤园3原园园43原园5ExperimentalstudyonfoulingresistancemechanismofchargedpolyfluortetraethylenemembranesSHAOShuai1袁LAOWei2袁LINAi-guo1渊1.CollegeofChemistryandChemicalEngineering袁ChinaUniversityofPetroleum,Dongying257061,China;2.CollegeofPetroleumEngineering,SouthwestPetroleumUniversity,Chengdu610500,China冤Abstract院ThefoulingresistancemechanismofchargedPTFEmembranesusedinoil-bearingwatertreatmentinoilfieldwasinvestigatedbyexperimentsandanalyses.Theexperimentresultsshowthatthemembraneischargednegatively,whose灼potentialsmaintainat-20mVaround.Meanwhile,theoilandsuspendedparticlesarealsochargednegatively,whose灼potentialsmaintainatabout-14--16mV.Therefore,thepreparedmembranesandthesuspendedparticlesinoil-bearingwaterinoilfieldshowthesameelectricalpropertyandsimilar灼potential.ThechargeeffectfromhomogeneityrepulsionaccountsforthestrongerfoulingresistanceperformanceofchargedPTFEmembranes.Keywords院polyfluortetraethylene;chargedmembrane;oil-bearingwater;membranefouling第圆7卷第3期圆园园8年6月天津工业大学学报允韵哉砸晕粤蕴韵云栽陨粤晕允陨晕孕韵蕴再栽耘悦匀晕陨悦哉晕陨灾耘砸杂陨栽再Vol.27No.3June2008近年来全国大多数油田已进入高含水后期袁日产含油污水量非常大袁传统过滤技术难以达到现有油田回注水水质标准.目前含油污水回注地层的关键技术是采用膜分离技术对含油污水进行深度处理袁而膜分离技术应用的难点是膜的污染问题[1~3].用荷电膜解决膜的污染问题是当今研究的热点.从分离行为看袁常规膜分离过滤是基于一种物理筛分的原理袁而荷电膜除了物理筛分之外袁还有Donnan效应袁因此荷电膜具有特殊的吸附分离特性[4].另外袁由于膜中引入了荷电基团袁膜的亲水性得到了加强袁因而提高了膜的通透率曰同时由于同性相斥的电荷效应袁膜的抗污染性显著增强[5].基于上述优点袁近几年来荷电膜得到了国内外学者的广泛关注袁在荷电膜的制备方法尧性能表征以及应用等方面都有了很大的进展.但目前在处理油田含油污水应用方面仍停留在实验研究阶段袁还没有投入大规模的工业应用袁具有较大的研究价值和发展潜力.本文用聚四氟乙烯荷电膜(PTFE)处理油田含油污水袁通过自制的含油污水实验装置及相关仪器测定了PTFE荷电膜膜面灼电位尧含油污水中悬浮物的灼电位以及PTFE荷电膜与普通PTFE膜过滤压差袁分析聚四氟乙烯普通膜和聚四氟乙烯荷电膜在相同过滤条件下的分离性能.在理论上研究聚四氟乙烯荷电膜的抗污染机理袁从而为荷电膜在油田含油污水处理中的工业应用提供理论基础.PDF文件使用pdfFactoryPro试用版本创建实验原理根据胶体与表面化学[6袁7]的理论袁用压力将液体挤过毛细管网或由粉末压制成的多孔塞袁在毛细管网或多孔塞的两端会产生电位差袁微孔滤膜可以看成是由许多毛细孔组成的袁过滤过程中膜两侧也会出现电位差.而流动电位就是通过膜的净电流为零时上述电位差随压力差变化的斜率袁即当溶液在一定压力差驻P作用下以与膜面垂直方式通过多孔膜时袁膜两侧就会相应地产生电位差驻E袁流动电位可用下式描述院v=d渊驻E冤/d渊驻P冤渊1冤膜的流动电位可以通过实验直接测定得到.根据上述原理可知袁在膜面两端连接一电压表袁即可测量出不同压力下膜面流动电位的大小[8袁9].膜的流动电位只能定性地描述膜的荷电性质袁而膜表面灼电位可以定量表示膜表面电性能的大小.双电层理论认为在膜表面离子扩散双电层内距表面某一距离处有溶液与表面发生相对移动的野滑动面冶袁该处的电位与溶液主体的电位之差被称为灼电位.膜表面灼电位是决定膜动电现象的一个重要参数袁与膜材质尧溶液体系密切相关[10袁11].利用测量得到的膜的流动电位袁根据著名的Helmholtz-Smoluchowski方程可估算PTFE荷电膜的微孔表面灼电位值[12袁13]院v=d渊驻E冤d渊驻P冤=着0着r灼滋k圯灼=v滋k着0着r渊2冤式中袁v为流动电位渊V/Pa冤曰k为溶液电导率渊S/m冤曰滋为粘度渊Pa窑s冤曰着r尧着0分别为相对介电常数尧真空介电常数渊F/m冤.Helmholtz-Smoluchowski方程适用于管径或毛细管径远远大于双电层厚度的情况[14]袁膜孔壁双电层厚度为纳米级袁而本文实验用的PTFE荷电膜孔径为微米级袁远远大于双电层厚度袁所以该方程适用于本文膜表面灼电位的估算.2实验过程2.1聚四氟乙烯荷电膜的制备本实验所使用的膜为东营福斯特石油技术有限公司提供的聚四氟乙烯荷电膜(PTFE)袁孔径分别为0.45滋m和0.8滋m袁膜长50cm袁膜面积0.90m2.具体制备工艺过程院将聚四氟乙烯(PTFE)膜用30益恒温干燥箱烘干袁干燥后将其固定在一个铝板框架上袁通过C0原60要酌射线对PTFE微滤膜辐照使其活化.剪取一定面积的经预辐照的PTFE微滤膜袁放在硅胶干燥器中干燥2h袁将干膜放入气相接枝反应器袁并在气相接枝反应器中加入定量的经脱水的苯乙烯单体袁气相接枝反应器保持真空状态袁在80益恒温状态下制成PTFE原G原PS.再把已接枝的PTFE微滤膜浸入浓度为9.8mol/L的浓硫酸中袁以5g/L的硫酸银为催化剂袁在温度为80益的条件下磺化反应8h制成PTFE荷电膜.2.2实验装置及仪器含油污水膜过滤实验装置如图1所示.实验中膜组件两侧压差采用EJA110A差压变送器渊低压时使用冤和AM1151电容式差压变送器渊高压时使用冤测量袁测量量程分别为0耀40kPa和0耀300kPa袁输出电流均为4耀20mA袁精度等级分别为0.1％和0.5％袁差压变送器输出的电信号通过HK-PCI812数据采集板输入计算机袁该采集板的系统综合误差臆0.2％.膜组件的流量计量采用LZB玻璃转子流量计袁其主要技术指标为院测量范围60耀600L/h袁精度等级为1.5％.为保持料液的均匀性并控制其温度袁在料液罐中装有自制搅拌器和温度控制装置.为了保持所取水样与采样时温度一样袁本实验用THD-0515W型低温恒温槽给取样瓶中的水样恒温袁其主要技术指标为院温度范围-5耀100益袁波动度依0.05益.含油污水流过膜组件时膜两侧的电位差用HP34401A数字万用表测量.高精密型inoLab740电导率仪袁由厦门隆力德环境技术开发有限公司生产袁用于测量不同温度下含油污水的电导率.同轴旋转流变仪MCR301袁用于测量不同温度下油田含油污水的动力粘度袁其主要技术指标为院最小扭矩0.1滋Nm袁最大扭矩为200mNm.Zetasizer3000型灼电位测试仪袁由英国Malvern公司生产袁能测定试液的电动电位袁测试温图1含油污水膜过滤实验装置Fig.1Schematicdiagramofexperimentapparatusformembranefiltrationofoil-bearingwater1.料液罐曰2.离心泵曰3.流量计曰4.压力表曰5.取样口曰6.差压传感器曰7.计算机曰8.膜组件曰9.污油口曰10.透过液贮罐44--PDF文件使用pdfFactoryPro试用版本创建尧总矿化度为48497.1mg/L渊此数据由污水站提供冤袁用752型紫外光栅分光光度计测量了含油污水中的含油量为20耀100mg/L袁用COULTERMULTISIZER域库尔特全自动颗粒粒度分析仪测定了含油污水的悬浮物粒径中值为4滋m左右.2.3.2实验水样预处理将从现场取回的水样导入料液罐袁充分搅拌均匀袁加热到实验要求的温度并保持恒温.预处理的目的是使水样处于同一初始状态袁以保证实验结果具有可比性.2.4性能测试2.4.1PTFE荷电膜两侧电位差和压差的测定料液罐中的含油污水在离心泵的压力作用下全部通过膜组件进入透过液贮罐袁完成过滤.在此过程中袁含油污水通过聚四氟乙烯荷电微滤膜时两侧的电位差驻E由HP34401A数字万用表测定曰压差驻P由EJA110A差压变送器测定袁待系统稳定后分别记录数据.通过LZB玻璃转子流量计调节水样流量袁在不同水样温度下袁用不同孔径的新膜袁重复上述步骤袁共测9组实验数据.2.4.2悬浮物灼电位以及电导率k和系数浊的测定在过滤实验过程中袁等系统稳定后袁用8个容积为125mL的细口瓶分别在膜组件前后取样口取样渊取样前将取样阀门打开袁以5耀6L/min的流速畅流3min后再取样冤.用THD-0515W型低温恒温槽给所取水样分别加热到30益尧40益尧50益尧60益和70益并保持恒温.用Zetasizer3000型灼电位测试仪测定水样中悬浮物在不同温度下的灼电位曰用inoLab740电导率仪渊选取的量程为LR001袁精度为0.001滋S/cm冤测量水样在不同温度下的电导率曰用同轴旋转流变仪MCR301渊所用的剪切速率为30s-1冤测量水样在不同温度下的动力粘滞系数.2.4.3PTFE荷电膜与普通PTFE膜过滤压差的测定本文装置的流程为院料液罐中的含油污水在离心泵提供的压力下透过膜组件进入透过液贮罐袁此流程可根据料液透过膜的方式分为死端过滤和错流过滤袁本文采用的是死端过滤.通过LZB玻璃转子流量计固定水样流量为300L/h袁水样温度恒定在50益袁待系统运行稳定后袁用AM1151电容式差压变送器测定膜两侧的压差.重复上述步骤袁分别测定PTFE荷电膜与普通PTFE膜在30min内过滤压差的数据.3结果与分析3.1荷电膜膜面灼电位考虑到膜孔径尧过滤温度尧过滤流量等因素对过滤效果有较明显的作用袁而上述