納濾反滲透法處理油田采出水

孫國富 徐靜莉 李大鵬 都昌盛 郝宏艷 許昌學(xué)院化學(xué)化工學(xué)院

傳統(tǒng)的采出水處理方法包括重力分離法、氣浮法、共聚法等。但這些技術(shù)都有著不利之處，例如重力分離法不能滿足外排水要求、淤泥處理問題及操作費用較高等[1-2]。膜分離技術(shù)是近幾年發(fā)展起來的能夠用于油田污水處理的新技術(shù)，其中微濾、超濾、納濾和反滲透等膜技術(shù)在采出水處理方面具有無可比擬的優(yōu)越性：①應(yīng)用范圍廣（適用于海上和陸地的原油開采）；②膜是截流各種物質(zhì)的有效屏障，因此進水質(zhì)量的變化對產(chǎn)水質(zhì)量影響較??；③不需要使用化學(xué)藥劑；④可以用于選擇性廢物料循環(huán)工藝；⑤膜設(shè)備占地面積小，能量消耗低，自動化程度高。

高分子膜和無機陶瓷膜常用于油田采出水處理，本研究主要采用高分子納濾膜和低壓反滲透復(fù)合膜進行采出水處理，主要原因是：①高分子膜具有價格優(yōu)勢，比陶瓷膜便宜，但是不能用于高于50℃的場合，盡管采出水的溫度一般高于50℃，但是之前要經(jīng)過其他工段進行處理，因此到膜入口時一般溫度已經(jīng)降到50℃以下；②許多研究人員認為微濾和超濾比較適合采出水的處理，但由于采出水主要是除鹽，因此相比較而言，納濾和反滲透膜更適合采出水處理回用。

本次研究采用兩種陶氏公司生產(chǎn)的商業(yè)膜NF90、NF270和低壓反滲透膜BW 30膜，考察不同商業(yè)膜的滲透通量。膜的性質(zhì)見表1。

表1 膜的性質(zhì)

1 實驗

實驗采用去離子水（DI水），以及三種自配的采出水PW1、PW2和PW3作為進料。水樣在有氧條件下保存。采用滴定法對鈣、鎂、鈉、鉀進行分析，未分析陰離子的含量，采用HACHDR2800分析硅，同時測量了水樣中TOC、TDS及電導(dǎo)率。水樣指標見表2。

表2 水樣指標

所使用的膜由聚酯支撐網(wǎng)、多孔的聚砜內(nèi)層及最上面的超薄聚酰胺涂層構(gòu)成。使用前用1∶10∶9的硫酸、乙醇、去離子水混合液清洗膜12 h[4]，這樣處理過的膜稱作預(yù)處理膜。實驗采用Milipore公司生產(chǎn)的YT30 142HW機，整個過程采用死端過濾。膜的直徑140mm，進料通過通入到進料槽的氮氣加壓。進料體積500mL，實驗在室溫下進行。

實驗壓力為0.1~0.7MPa，一旦系統(tǒng)壓力達到需要值，開始計時，在該壓力下運行60min，稱重。之后在下一個壓力下重復(fù)該步驟。為了確定DI水的清潔效果，在完成采出水的處理后，采用去離子水作為進料液進行實驗。

為進料液的初始電導(dǎo)率；cf2

為滲透液的電導(dǎo)率。

2 結(jié)果與討論

2.1 運行時間對水的滲透通量的影響

采用NF90膜，以DI水、PW1作為進料液，在室溫、壓力0.4MPa條件下，考察運行時間對水的滲透通量的影響。實驗結(jié)果如圖1所示。

圖1 運行時間對水的滲透通量的影響

由圖1可知，對于DI水，隨著運行時間的增加，水的滲透通量幾乎沒有變化，保持平穩(wěn)，說明膜表面沒有被污染，總阻力保持一定。對于PW1，最初的幾分鐘內(nèi)，水的滲透通量下降很快，之后緩慢下降趨于平穩(wěn)。之后繼續(xù)下降是因為濾餅形成和增長的結(jié)果，主要原因是實驗過程中采用的是恒壓死端過濾操作，開始時溶液中的某些粒子在膜孔內(nèi)積累，導(dǎo)致膜孔堵塞，使總阻力增加，從而引起了通量的急劇下降；然后隨著運行時間的增加，在膜表面形成了濾餅層，當濾餅層不再增厚，達到一個平衡厚度后，水的滲透通量開始保持穩(wěn)定。

2.2 操作壓力對水的滲透通量的影響

采用NF270、NF90和BW30三種膜，以PW1、PW2、PW3及DI水作為進料液，在室溫、運行60min條件下，考察運行時間對水的滲透通量的影響。實驗結(jié)果如圖2、3、4所示。由圖2、3、4可以看出，對于這三種膜而言，在一定壓力范圍內(nèi)，去離子水和采出水的滲透通量與壓力呈線性關(guān)系。在相同操作壓力下，三種進料液的滲透通量大小依次為PW2>PW 1>PW 3；在相同的進料液，相同操作條件下，三種膜的滲透通量依次為NF270>NF90>BW30，這是因為不同的膜孔徑，截留分子量不同，其原始通量不同，在相同操作壓力下，孔徑越大滲透通量也就越大[5]。無論使用哪一種膜，無論何種進料液，對于死端過濾操作，水的滲透通量的變化趨勢是一樣的。隨著操作壓力的增加，水的滲透通量在0.1~0.7 MPa壓力范圍內(nèi)呈增加的趨勢。因此在一定壓力范圍內(nèi)，提高操作壓力對增加水的滲透通量最有利。這是因為納濾是以壓差為驅(qū)動力的膜過濾過程，增加操作壓力提高了傳質(zhì)推動力，使得水的滲透通量增加。但是增加壓力，會使能耗增大，對系統(tǒng)的耐壓能力要求提高，從而使裝置的成本提高[6]，因此實際操作過程中，應(yīng)該綜合考慮以便選擇合理的壓力。

圖2 操作壓力對NF90膜的水滲透通量的影響

圖3 操作壓力對NF270膜的水滲透通量的影響

圖4 操作壓力對BW30膜的水滲透通量的影響

2.3 DI水對膜清洗的影響

試驗采用不同的膜，第一輪采用DI水作為進料液，第二輪采用不同的采出水作為進料液，第三輪采用DI水作為進料液，在室溫，每輪運行60 min的條件下，考察了不同壓力下，用DI水對膜進行清洗后膜的通量變化。實驗結(jié)果如圖5、6所示。

圖5 PW2作為進料液DI水對NF270膜的清洗

圖6 PW3作為進料液DI水對BW30膜的清洗

從圖5和圖6可以看出，當采出水PW 2和PW 3運行結(jié)束，再用DI水對膜NF270和BW30進行清洗后，膜的滲透通量均有恢復(fù)，但是并未能恢復(fù)到初始通量。在較低壓力下，NF270膜的通量恢復(fù)較好，接近于初始通量，可能的原因是在較低壓力下，短時間運行后納濾膜上形成的濾餅未被壓實的結(jié)果。如果在高壓下操作，長時間運行，只有使用清洗劑才能恢復(fù)膜的通量到較好的水平。

2.4 不同膜的表觀截留率

以三種采出水作為進料液，在室溫（25℃），0.55MPa壓力條件下運行20min，考察三種膜的表觀截留率。滲透水的質(zhì)量列于表3中。由表3可以看出，對于同一種膜，采出水PW1的表觀截留率最高；膜BW30對三種采出水的表觀截留率最高，這是因為該膜的孔徑最小，截留分子量最低。在實際操作過程中，應(yīng)該根據(jù)對產(chǎn)水的水質(zhì)要求來合理地選擇分離膜。

表3 三種膜的產(chǎn)水水質(zhì)

3 結(jié)論

本研究采用三種自制的采出水PW1、PW2和PW 3，考察了三種商業(yè)膜NF270、NF90和BW 30在不同壓力、運行時間和DI水清洗后水的滲透通量變化及三種膜的表觀截留率。在一定壓力范圍內(nèi)隨著操作壓力的增加，三種膜的滲透通量都呈增加的趨勢。NF270在室溫、壓力0.7 MPa下，PW1、PW 2和PW 3的滲透通量最高，分別為73.6、102.5和33.4 kg/(m2·h)；在室溫、壓力0.4MPa條件下，運行60min后，NF90膜的水的穩(wěn)定滲透通量為8.84 kg/(m2·h)；膜經(jīng)過DI水清洗后，通量能夠恢復(fù)到一定的水平；BW30具有較高的表觀截留率。

[1]姜桂芳．淺談油田污水處理技術(shù)[J]．油氣田地面工程，2006，25（11）：24-25.

[2]車鑫，張亞娟．油田污水處理技術(shù)淺談[J]．科技創(chuàng)新導(dǎo)報，2009，（1）：119.

[3]Chuyang Y． Tang， Young Nam Kwon etc..FoulingofReverseOsmosisand Nanofiltration Membranesby Humic Acid Effectof Solution Composition and Hydrodynamic Conditions[J]． J． ofMembrane Science，2007， 290（1-2）：86-94.

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[6]王湛，張新妙．操作條件對死端微濾膜通量的影響[J]．膜科學(xué)與技術(shù)，2006，26（1）：26-30.