基于電浮原理的油水分離裝置的設(shè)計

張振超++劉瑞++楊洵++白露++李紅芳

摘 要：目前傳統(tǒng)的油水分離裝置處理油污的效果不佳，油水中油分的含量較大，其中多項指標(biāo)不符合或者達不到國家污水排放標(biāo)準(zhǔn)等情況。新型電浮油水分離裝置能夠迅速和有效地處理油水污染物。電極電解水產(chǎn)生氣泡，氣泡有吸附油分的特性，將懸浮在混合物中的油分帶到表面，多次循環(huán)進行油和水的自動分離和收集。

關(guān)鍵詞：油水分離 電浮發(fā)生器 循環(huán)分離 節(jié)能

中圖分類號：TQ028 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1674-098X（2017）09（c）-0082-02

油水分離裝置是對油污進行處理的一種設(shè)備。從源頭處理小型餐飲行業(yè)油污、家庭中的油水分離處理。對收集到的油進行生物煉油和有關(guān)化學(xué)產(chǎn)品的生產(chǎn)等處理。為了盡可能地降低能源消耗、降低成本，又能提高油水分離效率，我們進行了一種新型的油水分離裝置的探索。

1 設(shè)計背景

目前，我國油水分離器大多采用重力沉降法和離心法。其中重力沉降法需要很低的流速和很大的容器，分離的速度太慢，對粘度大、油水密度差異小的油水污染物處理效果不佳；離心法分離的復(fù)雜樣品要求分離純度較高，然而油水污染物的分離純度不高，故要經(jīng)過多次分離、多次操作才能達到預(yù)定的分離效果。

2 設(shè)計思路

2.1 設(shè)計目的

本團隊從油的密度比水的密度小的物理原理以及電解水產(chǎn)生氣泡的化學(xué)原理出發(fā)，探索并制作了一種綠色、高效、低消耗的油水分離裝置。該裝置主要實現(xiàn)三個目標(biāo)：循環(huán)分離油水污染物；一定程度上，提高油水分離的效率；分離過程綠色環(huán)保，無二次污染。

2.2 設(shè)計原理

油水分離裝置的工作原理：（1）由污水泵將油水混合相送入油水分離裝置中，通過過濾網(wǎng)將大顆粒雜質(zhì)過濾出去，無法進入分離器中，在循環(huán)系統(tǒng)中主要進行小顆粒雜質(zhì)與油水的分離。（2）循環(huán)系統(tǒng)主要進行泥等小雜質(zhì)顆粒的排出，提高油水的潔凈度。（3）含更小顆粒的油滴的污水通過細濾器，除去水中雜質(zhì)，進入油水分離系統(tǒng)，利用水壓強以及氣浮發(fā)生器（利用電解原理，產(chǎn)生氣泡）使細小油滴聚合成較大的油滴與水分離。（4）分離后，水相通過排水閥排出，油水分離系統(tǒng)中分離出來的油相通過排油閥排出。

其電極反應(yīng)方程為：

陽極：2OH--2e=1/2O2↑+H2O

陰極：2H++2e=H2↑

2.3 裝置介紹

如圖1所示，裝置由循環(huán)系統(tǒng)和油水分離系統(tǒng)組成。

左集油室尺寸為50×60×60（cm），右集油室尺寸為40×60×30（cm），電極為圓柱形式，長20cm，半徑0.5cm（共6個），前后左右間隙為5cm。

循環(huán)系統(tǒng)：中集油室油水泵運作給左集油室提供壓力，將中集油室中的油水污染物打到左集油室?；旌衔锝?jīng)一定時間初步分離后關(guān)閉排油閥和排水閥門并打開油水泵，將左集油室中的下部經(jīng)初步分離油水混合物經(jīng)排水管壓到中集油室，針對油水污染物的混合狀況，多次分離和循環(huán)。最后打開排油閥和排水閥并打開油水泵，將油從排油閥中排出，水從排水閥中排出。

油水分離系統(tǒng)（即電浮發(fā)生器又稱為左集油室）：（1）電極能產(chǎn)生極細小分散的氣泡，平均直徑約為15μm，可以增加油滴與氣泡間的接觸面積。（2）可根據(jù)變壓器調(diào)節(jié)通過電極的電流密度（可根據(jù)電極面積計算A/m2），便能在溶液中生成任何氣泡濃度和尺寸，確定分離效果最好的氣泡尺寸。（3）選擇合適的電極和電解質(zhì)溶液條件（NaCl電解質(zhì)）就能夠得到分離的最佳效果。

由表1實驗數(shù)據(jù)得：隨著電解質(zhì)濃度的增加，電解反應(yīng)程度逐漸增加。其中NaCl（0.035mol/L）反應(yīng)更加明顯且不產(chǎn)生有害污染物質(zhì)。

2.4 實驗分析

實驗數(shù)據(jù)圖2表明：隨著電流的增大去油率也在逐漸提高，當(dāng)電流為1.3A時去油率達到最高，然后隨著電流的增大去油率會有所降低。起初當(dāng)電流小于1.3A時電極電解出的氣泡會逐漸增多，去油率逐漸提高。當(dāng)電流大于1.3A時電解出的氣泡會增大彼此結(jié)合的概率而不是與懸浮在混合物中的油分碰撞結(jié)合，所以會導(dǎo)致去油率的降低。當(dāng)溶液中加入NaCl后，去油率由53%提高到了65%。根據(jù)研究表明，NaCl電解質(zhì)能夠有效地削弱氫氣和氧氣的氣泡尺寸，進而增大氣泡與懸浮油分的接觸面積和碰撞機會，提高去油率。

實驗數(shù)據(jù)圖3表明：電流是控制油水分離效果的關(guān)鍵變量。通入的電流越大消耗的電能會越大。當(dāng)加入3%的NaCl電解質(zhì)溶液后實驗表明耗能減少。例如在電流為1.3A和浮選反應(yīng)時間為40min時，無和有NaCl電解質(zhì)溶液的電能消耗分別為4和2.5kwhr/m3，即加入NaCl電解質(zhì)可減少耗能約為37.5%。

實驗數(shù)據(jù)圖4表明：初始實驗油濃度為1000mg/dm3的懸浮的油濃度隨電浮時間變化的曲線。當(dāng)電浮時間為30min和40min時，油濃度分別減至402和300mg/dm3，可得去油率為60%和70%，相應(yīng)的電耗分別為4.0和6.2kwhr/m3，可得當(dāng)耗能約增加50%，去油率約提高了16.7%。從耗能觀點，選擇浮選電浮時間40min較好。

去油率可用下式表示：

式中：V為集油室體積；t為電浮反應(yīng)時間；A為電極與溶液的接觸面積；k為集油室電浮法去油速率常數(shù)；C為油水混合物中的懸浮油濃度。

由實驗數(shù)據(jù)圖5表明：左集油室與右集油室之間的液面差與電浮分離達到油濃度為300mg/dm3的電浮時間關(guān)系。懸浮油的起始濃度為1000mg/dm3。由實驗數(shù)據(jù)得：起初隨著液面差的提高去油率也逐漸提高，達到要求油濃度的時間變量線性遞減，這是由于液面差越高氣泡與懸浮油分的碰撞程度幾率越大，氣泡升到溶液表面的時間較短引起的。當(dāng)液面差為10cm時，時間最短為40min，此時氣泡與懸浮溶液中的油分碰撞程度和氣泡升到溶液表面的時間為最佳油水分離條件。隨著液面差的繼續(xù)提高，氣泡與懸浮油分的碰撞程度一定，然而氣泡升到溶液表面的時間較長，所以降低了油水分離的效率，電浮時間增加。

2.5 傳統(tǒng)和新型裝置的比較

此裝置在與傳統(tǒng)裝置耗能相同的情況下，油水分離效率更高，循環(huán)分離，處理量是傳統(tǒng)裝置的5倍（見表2）。

3 結(jié)論

（1）通入電極電流為1.3A時，浮選時間為40min時裝置去油率達到最高。

（2）加入NaCl電解質(zhì)溶液可以有效地提高去油率，減少電能消耗。

（3）合理的左集油室與右集油室的液面差可以有效地提高油水分離效率。

參考文獻

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