電絮凝技術(shù)處理油田污水的影響因素實(shí)驗(yàn)研究*

劉楊，李玉星，蔣文明，陳明燦，楊杰，徐春雯

(中國(guó)石油大學(xué) (華東)儲(chǔ)運(yùn)與建筑工程學(xué)院, 山東 青島 266580)

電絮凝技術(shù)處理油田污水的影響因素實(shí)驗(yàn)研究*

劉楊，李玉星，蔣文明?，陳明燦，楊杰，徐春雯

(中國(guó)石油大學(xué) (華東)儲(chǔ)運(yùn)與建筑工程學(xué)院, 山東 青島 266580)

針對(duì)油田乳化液的水質(zhì)特性，用電絮凝方法對(duì)配制的含油污水進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究.首先分析極板間距、溶液初始pH值及NaCl含量對(duì)除油率的影響，確定實(shí)驗(yàn)參數(shù).繼而，實(shí)驗(yàn)研究電絮凝裝置中豎直方向上典型的三層溶液，考察不同電流密度下除油率隨時(shí)間的變化規(guī)律，比較三層除油率的特性曲線.發(fā)現(xiàn)A層去除效果最快最好，B層比C層處理效果差.在電解前4 min，電流密度為150 A/m2時(shí)，A層除油率占其總效率的96.05%.從平均成本和三層除油率綜合判定，電解16 min，電流密度在100 A/m2時(shí)，電絮凝裝置中整體處理效果最好.

電絮凝；含油污水；流場(chǎng)；實(shí)驗(yàn)研究

隨著油田開(kāi)采規(guī)模的不斷擴(kuò)大，我國(guó)大部分油田已經(jīng)進(jìn)入高含水開(kāi)發(fā)中后期[1]，采出油中含水量不斷增加，如果這些水不經(jīng)處理直接排放到環(huán)境中，不僅嚴(yán)重污染環(huán)境，破壞生態(tài)平衡，還會(huì)造成水資源浪費(fèi)，因此，開(kāi)展含油污水處理技術(shù)的研究對(duì)實(shí)現(xiàn)環(huán)境保護(hù)、節(jié)能減排具有重要意義.但在油田開(kāi)采中，添加了大量的表面活性劑，油珠嚴(yán)重乳化[2]，微小油珠很難凝聚，增加了油水分離的難度，常規(guī)的方法很難達(dá)到回注或排放標(biāo)準(zhǔn)，因而迫切需要一種高效環(huán)保的污水處理技術(shù).電絮凝與其他水處理技術(shù)相比具有裝置緊湊、操作簡(jiǎn)便、處理效果好、無(wú)二次污染等優(yōu)點(diǎn)，隨著我國(guó)環(huán)保戰(zhàn)略的實(shí)施，該技術(shù)越來(lái)越受到重視[3-4].

針對(duì)含油污水，國(guó)內(nèi)外研究者進(jìn)行了大量的實(shí)驗(yàn)研究.Chen等[5]等用電絮凝技術(shù)處理高油高脂的餐飲廢水，除油率大于94%.周朝昕[6]用電絮凝與化學(xué)混凝聯(lián)合處理油田含聚采出水，最終達(dá)到《碎屑巖油藏注水水質(zhì)推界指標(biāo)及分析方法》(SY/T5329-94) A1級(jí)標(biāo)準(zhǔn).Dimoglo等[7]在處理石化廢水時(shí)發(fā)現(xiàn)，用電絮凝比電氣浮的效率高，當(dāng)pH為7.6，電流密度在150 A/m2時(shí)，電解10 min后，濁度、含油量和CODcr的去除率分別為88%,80%和80%.

然而，電絮凝研究往往假設(shè)電解時(shí)裝置內(nèi)的油濃度分布均勻，卻忽略質(zhì)量傳遞和流體流動(dòng)對(duì)除油率的影響.實(shí)際上，電絮凝是電化學(xué)反應(yīng)、絮凝沉淀及電解氣浮的協(xié)同作用，在處理裝置的豎直方向上污水所受作用不盡相同.因此，電絮凝裝置內(nèi)除油過(guò)程并不統(tǒng)一.本文以極板間豎直方向上典型的三層溶液作為研究對(duì)象，分別考察不同工藝參數(shù)下油濃度分布特性及絮體的產(chǎn)生與傳質(zhì)變化，以期進(jìn)一步完善電絮凝技術(shù)處理含油污水的理論基礎(chǔ).

1 電絮凝原理

電絮凝除油技術(shù)是在外電場(chǎng)作用下，可溶性陽(yáng)極溶解后生成大量絮凝劑，陰極產(chǎn)生穩(wěn)定均勻的氣泡，通過(guò)沉降或氣浮除去水中油的方法[8].根據(jù)文獻(xiàn)[6],本文采用鋁電極對(duì)模擬污水進(jìn)行電絮凝實(shí)驗(yàn)，其反應(yīng)如下：

Al(s)→Al3+(aq)+3e-E0=+1.66V

(1)

研究發(fā)現(xiàn)[3]：金屬Al3+與羥基離子水解后形成單絡(luò)合物，從而進(jìn)行縮聚反應(yīng)緩慢聚合成表面富含羥基的一系列多核高分子網(wǎng)狀聚合物，最終轉(zhuǎn)化成不定型[Al(OH)3]n高分子絮凝劑.單絡(luò)合物主要是：Al(OH)2+，Al(OH)2+,和Al(OH)4-，聚合物主要有：Al2(OH)24+和Al2(OH)5+，無(wú)定形不溶物Al(OH)3和Al2O3[9].

此外，電絮凝過(guò)程中產(chǎn)生的氧氣和氫氣，與加壓氣浮相比，氣泡尺寸小，比表面積大，對(duì)懸浮物和膠體的吸附浮載能力強(qiáng)，浮升條件良好[10].

2 實(shí)驗(yàn)原理與方法

2.1 污水制備

根據(jù)油田乳化液具有油滴粒徑小、油濃度大和礦化度高的特點(diǎn)[11]，用自來(lái)水和0#柴油配制實(shí)驗(yàn)污水.為提高原水電導(dǎo)率，在溶液中加入NaCl[12].測(cè)量配置的含油污水，油濃度約為1 000 mg/L，十二烷基苯磺酸鈉約為1 g/L，平均粒徑約為1.19 μm.

2.2 實(shí)驗(yàn)儀器

實(shí)驗(yàn)采用有機(jī)玻璃電解槽，尺寸為10 cm×8.5 cm×15 cm.電極由一塊鋁陽(yáng)極板和一塊鋁陰極板構(gòu)成[13]，有效面積均為10 cm×10 cm.電解槽內(nèi)壁設(shè)有多個(gè)0.3 cm寬的豎直凹槽用來(lái)放置極板，通過(guò)放置在不同凹槽內(nèi)改變極板間距，凹槽底部距溶液底面2 cm.

電解槽與電源的連接形式如圖1所示，其中電源為PS-305DM直流穩(wěn)壓穩(wěn)流電源，香港龍威儀器儀表有限公司生產(chǎn).

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置及分層取樣Fig.1 Schematic diagram and stratified sampling

2.3 實(shí)驗(yàn)步驟及方法

根據(jù)前期調(diào)研[9]，本實(shí)驗(yàn)采用靜態(tài)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行影響因素分析.首先確定參數(shù)，如：初始pH值[12]、極板間距[4]及初始NaC[9,11].

將配好的含油污水倒入自制電解槽中，連接電極與電源，保持電流恒定進(jìn)行18 min的電絮凝實(shí)驗(yàn)，電解結(jié)束后關(guān)閉電源，溶液靜置1 h后用虹吸管抽取10 mL清液進(jìn)行水中含油量的分析.根據(jù)石油天然氣行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)SY/T0530-1993油田污水中含油量測(cè)定方法，采用A360型紫外分光光度計(jì)(上海天普分析儀器有限公司生產(chǎn))，在波長(zhǎng)為210 nm處測(cè)定污水中油的質(zhì)量濃度，從而可以計(jì)算除油率.除油率計(jì)算公式如下：

(2)

式中:C0為初始污水中油的質(zhì)量濃度(mg/L)；C1為處理后水中含油質(zhì)量濃度(mg/L).

其次，在兩極板間的豎直方向上選取典型[13-15]的3層溶液，即：A,B,C，作為考察對(duì)象，分別研究電絮凝過(guò)程及除油機(jī)理.其中A層距裝置底面7 cm，均受氣浮作用和絮凝作用；B層與極板底部平齊，距裝置底面2 cm，處于電場(chǎng)內(nèi)部但氣浮作用較??；C層是極板間裝置的底面，不在電場(chǎng)內(nèi).實(shí)驗(yàn)中，電解時(shí)間為16 min，每隔4 min用虹吸管同時(shí)在圖1所示的3個(gè)位置取樣10 mL，靜置1 h后進(jìn)行分析.

為保證每次實(shí)驗(yàn)條件的一致性，應(yīng)將電極放入丙酮溶液中浸泡10 min后取出，在5%的稀鹽酸中浸泡10 min后用海綿擦并用自來(lái)水沖洗3次.電解槽用鹽酸溶液清洗15 min.為保證實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的可靠性，每組實(shí)驗(yàn)重復(fù)3次，相對(duì)誤差保證不得超過(guò)5%，取平均值為最終實(shí)驗(yàn)結(jié)果[16].

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

3.1 影響因素分析

1)極板間距的影響

在初始pH=7，NaCl濃度為2 g/L，電流密度為75 A/m2的條件下[17]，考察不同極板間距：0.7,1,2,3,4,5,6 cm對(duì)水處理效果的影響.

由圖2可知，極板間距減小，除油率先增大后降低.這是因?yàn)殚g距減小，陽(yáng)極溶出的Al3+和陰極產(chǎn)生的OH-運(yùn)移距離縮短，更快地生成絮凝劑.氣浮和絮凝的交互作用強(qiáng)烈，傳質(zhì)效果越好，導(dǎo)致除油率越高.但是極板間距過(guò)小，氣泡及絮體易積聚在極板上難以排出，減少極板的有效面積，最終導(dǎo)致效率下降；且極板間距過(guò)近易引起堵塞和短路現(xiàn)象[16]，實(shí)際操作困難.實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，極板間距1 cm時(shí)效果最優(yōu)，在5 cm內(nèi)，除油率差別不大，即極板間距增加，除油率僅從97.7%減少到97.1%.由于油田現(xiàn)場(chǎng)條件等因素的不確定性[18-19]，建議極板間距在1～5 cm間選取.

圖2 極板間距對(duì)除油率的影響Fig.2 Effect of plate spacing on oil removal rate

2)初始pH的影響

極板間距為1 cm，投加2 g/L的NaCl時(shí)，研究初始pH值對(duì)污水除油率的影響.

從圖3明顯看出，初始pH=7時(shí)，除油效果最佳.這是因?yàn)樯尚跄w的種類(lèi)主要受pH值的影響，當(dāng)溶液初始pH=7時(shí)，Al3+水解后的最終產(chǎn)物主要是高活性的不定型[Al(OH)3]n高分子絮凝劑，其吸附能力極強(qiáng)，絮凝效果比一般的絮凝劑好[12].

無(wú)論初始pH值在5～9之間如何變化，處理后污水的pH值都在8.01～8.28之間浮動(dòng).主要是因?yàn)殡娦跄a(chǎn)生大量H2，使溶液呈堿性，但是隨著OH-和溶出的Al3+不斷的結(jié)合形成絮體，pH會(huì)減少，最終溶液呈弱堿性.這是電絮凝技術(shù)的一大優(yōu)勢(shì).通常油田污水為弱堿性，在電絮凝過(guò)程中溶液可實(shí)現(xiàn)酸堿自調(diào)，無(wú)需另加試劑調(diào)節(jié)pH值，有效避免二次污染.這一結(jié)論為今后的實(shí)際運(yùn)行提供了理論依據(jù).

圖3 初始pH值對(duì)除油率的影響Fig.3 Effect of pH on oil removal rate

3)NaCl濃度的影響

在極板間距為1 cm，初始pH值=7時(shí)，考察初始NaCl在0.2,1,2,5,8 g/L下的除油率.

從圖4看出，除油率隨著NaCl的增加先增大后減小，最高除油率對(duì)應(yīng)的初始含鹽量為2 g/L.因?yàn)镹aCl電解會(huì)產(chǎn)生具有較高活性的OCl-[13]，能幫助陽(yáng)極快速溶出Al3+[20]；且適量的Cl-能有效降低CO32-和SO42-的副作用，避免它們和Ca2+和Mg2+形成氧化層[21]，極大地降低電流效率.但添加NaCl過(guò)多，生成大量OCl-的同時(shí)水中Cl-濃度也會(huì)提高，高濃度氯離子造成部分可形成大絮體的高聚物斷鏈[22]，影響絮體穩(wěn)定性，從而降低絮凝效果，最終使除油率下降.

圖4 初始含鹽量對(duì)除油率的影響Fig.4 Effect of NaCl content on oil removal rate

3.2 溶液垂直高度對(duì)除油率的影響

通過(guò)上述單因素分析，確定極板間距為1 cm，投放NaCl濃度為2 g/L，污水初始pH值為7.在電流密度分別為50,75,100和150 A/m2時(shí)，考察A,B,C 3層溶液的除油效果.

1)A層除油率

由圖5看出，電解初期A層溶液除油率明顯增加，之后增長(zhǎng)緩慢.隨著電流密度的增大，A層溶液的處理效果越好,當(dāng)電流密度增大到75 A/m2，效果最優(yōu),繼續(xù)增大電流密度,最終除油率反而下降.

圖5 A層中不同電流密度下除油率變化Fig.5 The change of oil removal rate under different current density in the A layer

電解4 min，電流密度在50 A/m2時(shí)，除油率已占其總效率的66.6%，電流密度為150 A/m2的除油率比例高達(dá)96.05%.這是因?yàn)闅飧∽饔脤?duì)A層溶液的快速除油有重要貢獻(xiàn).文獻(xiàn)發(fā)現(xiàn)[14]，豎直電極產(chǎn)生的氣泡向上運(yùn)動(dòng)，氣泡厚度隨著極板浸沒(méi)深度的減少而增加；且在上升過(guò)程中氣泡不斷合并，釋放的表面能轉(zhuǎn)化為動(dòng)能，從而導(dǎo)致A層溶液受到的氣浮力明顯大于B,C層溶液.通過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，電解初期產(chǎn)生的氣泡向上運(yùn)動(dòng)，能快速粘附攜帶絮體，A層的絮體和氣泡數(shù)量增加.此外，這一現(xiàn)象證明了Pablo的理論，生成絮體的種類(lèi)受Al3+濃度的影響[12].開(kāi)始電解時(shí)，Al3+較少，水解產(chǎn)物主要是單絡(luò)合物和分散Al(OH)3，易被氣泡粘附上浮.文獻(xiàn)[23]發(fā)現(xiàn)，電解初期粒子之間的排斥力低，形成的絮體主要是松散的、尺寸跨度較大的開(kāi)鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu).絮凝劑通過(guò)吸附帶負(fù)基頭的表面活性劑[24]，使其從油滴的微團(tuán)中分開(kāi)，油滴重新釋放到液相，在溶液中聚并成大的失穩(wěn)油滴，最終被向上運(yùn)動(dòng)的大量氣泡粘附，攜帶至溶液表面.

這期間，增大電流密度處理效果越好.根據(jù)法拉第定律[25]，電流密度越大，陽(yáng)極溶解的Al3+量增多，氣泡產(chǎn)生速率高，且在電流密度200 A/m2以內(nèi)氣泡尺寸隨電流密度增大而變小[26].因此水解后形成的絮體隨電流增大而增多，生成更多細(xì)小氣泡，其有效表面積增大，能夠吸附更多污染物.

繼續(xù)電解，4 min后除油率增長(zhǎng)緩慢，并不是電流密度越大處理效果越好.電解16 min，電流密度在75 A/m2時(shí)，處理效果最好，除油率為98.73%.因?yàn)殡娏髅芏冗^(guò)高，電解后期A層內(nèi)絮凝劑和氣泡增加過(guò)多，高速紊流的流場(chǎng)也不利于氣泡與油滴和絮凝劑的碰撞粘附過(guò)程，影響集體上浮效果[27].另外，可能因?yàn)樵陔娊膺^(guò)程中，上浮至溶液表面的失穩(wěn)油滴逐漸增多，擴(kuò)散到A層溶液的油分子增加，除油率也會(huì)變化緩慢.

2)B層除油率

由圖6可知，電解初期B層溶液除油率增加緩慢；增大電流密度，緩慢期縮短，最終除油效果越好.

圖6 B層中不同電流密度下除油率變化Fig.6 The change of oil removal rate under different current density in the B layer

電解8 min，除油率最高才19.67%.這是由兩方面原因?qū)е拢阂皇切跄瘦^弱，二是傳質(zhì)效果不佳.因?yàn)樯尚跄齽┑木酆隙扰c絮凝效率呈正相關(guān)[28].電解初期，水解形成的絮凝劑聚合度低，主要通過(guò)電中和及靜電吸附使油滴失穩(wěn)，絮凝效果較弱.此外，傳質(zhì)過(guò)程對(duì)除油率影響很大，B層溶液所受氣浮作用小，傳質(zhì)方式以電遷移和擴(kuò)散為主，導(dǎo)致除油效果增加緩慢.在這期間，電流大小對(duì)除油率沒(méi)有太大影響，說(shuō)明初期形成絮凝劑需要的鋁離子并不多[29].

在電解后期，增大電流密度，除油效果顯著增加.電解16 min，電流密度在150 A/m2時(shí)，效果最好，除油率為96.07%.首先這是因?yàn)樾跄齽┓N類(lèi)決定了除油機(jī)理和絮凝效率[28].文獻(xiàn)[23]通過(guò)檢測(cè)發(fā)現(xiàn)：隨電解的進(jìn)行，初期形成的絮體會(huì)斷開(kāi)鏈連接，重新結(jié)合后形成結(jié)構(gòu)更致密的絮體；隨電流密度的增大，陽(yáng)極溶出的鋁離子和陰極電解水后羥基離子增多，離子間的碰撞頻率升高，縮聚反應(yīng)加快，生成的絮凝劑尺寸越大，主要是不定型[Al(OH)3]n高分子.它們由于表面積大表面基團(tuán)多，能同時(shí)直接吸附多個(gè)油滴，因而絮凝效果比一般的絮凝劑要好[12].其次，電解后期，電流密度越大，極板間氣泡密度增加，渦流運(yùn)動(dòng)的影響會(huì)延伸至更深處[14]，B層溶液擾動(dòng)明顯，傳質(zhì)效率顯著增加.

3)C層除油率

如圖7所示，電解初期C層溶液除油率緩慢增加而后顯著升高，最后變化不明顯.隨著電流密度的增大，開(kāi)始的緩慢期變短，除油率明顯增加.

圖7 C層中不同電流密度下除油率變化Fig.7 The change of oil removal rate under different current density in the C layer

電解4 min內(nèi)，除油率緩慢增加，最高為13.53%；增大電流密度，這一時(shí)期會(huì)縮短.電解12 min電流密度在50 A/m2時(shí)，除油率仍為10.81%；電流密度增大到100 A/m2時(shí)，除油率的緩慢增長(zhǎng)時(shí)間縮短為4 min.這是因?yàn)镃層溶液不在電場(chǎng)內(nèi)，除油率主要由傳質(zhì)速率決定.電解初期主要生成松散結(jié)構(gòu)的微輕絮凝體，其擴(kuò)散速率和重力作用較小，導(dǎo)致除油效果緩慢.電流密度越大，微輕絮凝體生成速率增加且聚并加快，傳質(zhì)速率亦增大，均加速C層溶液的除油速度[13].

電解4 min后，電流密度越大，除油率增加越明顯.這是由于底層溶液的電絮凝過(guò)程主要受傳質(zhì)和流體流動(dòng)影響，增大電流密度，場(chǎng)內(nèi)流速越大，高分子絮凝劑下沉卷掃越多，傳質(zhì)效果越好，單位時(shí)間內(nèi)底層溶液的除油率增加越多，則所需處理時(shí)間減少.但不是電流越高越好，電流密度過(guò)大，產(chǎn)生過(guò)量的絮凝劑沉積在流場(chǎng)底部，會(huì)使已經(jīng)吸附的油滴重新與絡(luò)合物解離，使處理效果變差[30].因此，電解16 min電流密度在100 A/m2時(shí)，處理效果最好，除油率為96.39%.

3.3 除油率的對(duì)比

首先通過(guò)圖8可知，電流密度增大，除油率均增加，A,B,C層除油效果也越接近；即電流密度從50 A/m2增大到150 A/m2，3層的除油率由最大相差50.06%減小到2.66%.因?yàn)殡娦跄コ手饕挠绊懸蛩厥莻髻|(zhì)效率.根據(jù)文獻(xiàn)[9]可知，電流密度決定了絮凝劑濃度和氣體的產(chǎn)生率及尺寸大小，從而影響電絮凝反應(yīng)器內(nèi)的混合程度.增大電流密度，絮凝劑和微小氣泡增多，極大提高與污染物的傳質(zhì)效率，所以流場(chǎng)中各點(diǎn)的油濃度越均勻，最終整體效果越好.

圖8 電解16 min時(shí)電流密度對(duì)除油率的影響Fig.8 Effects of current density on oil removal rate when electrolysis time is 16 min

其次電流密度相同時(shí)，A層除油率最大，B層次之，C層效果最差.因?yàn)锳層處理效果主要受氣浮作用影響，氣泡在流場(chǎng)內(nèi)向上移動(dòng)，粘附至本層的微輕絮體較多，且氣泡能快速將失穩(wěn)油滴上浮至表面.A層的高效除油是氣浮和絮凝協(xié)同作用的結(jié)果.電絮凝出口可放置在裝置豎直方向的中上部.

最后對(duì)比B層和C層溶液的除油率曲線，發(fā)現(xiàn)B層除油率小于C層，這主要與絮凝劑的停留時(shí)間有關(guān).隨著不定型[Al(OH)3]n的生成，易下沉至容器底部聚集，與C層溶液充分接觸，停留時(shí)間較長(zhǎng).同時(shí)通過(guò)空白實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在同一裝置內(nèi)靜置同等高度的含油乳化液，底層的油滴最易失穩(wěn).

3.4 電能消耗及電極消耗

對(duì)于一項(xiàng)水處理技術(shù)的應(yīng)用來(lái)說(shuō)，除了能夠滿足處理效果外，還應(yīng)考慮成本.本文主要研究不同電流密度對(duì)電極材料消耗和電能消耗的影響.電極材料消耗可用法拉第定律[25]計(jì)算，如式(3)所示，計(jì)算結(jié)果列于表1.

(3)

式中:m為處理每克油Al的平均消耗量(g)；i為電流密度(A/m2)；S為有效極板面積(m2)；M為Al的摩爾質(zhì)量(g/mol)；z為電子摩爾數(shù)(3)；F為法拉第常數(shù)(96 500 C/mol)；t為電絮凝時(shí)間(s)；V為處理污水體積(L)；C1平為電解16 min時(shí)A,B,C層水中含油質(zhì)量濃度的平均值(mg/L).

由表1看出，電流密度從50 A/m2增大到100 A/m2，處理單位質(zhì)量的油平均消耗的Al沒(méi)變.因?yàn)樘幚頃r(shí)間一定，增大電流密度，電極平均耗量增加，整體除油量也增大，最終去除每克油都消耗了0.09 g的Al.但是電流密度升至150 A/m2時(shí)，去除每克油所消耗的Al明顯增加.這是因?yàn)殡娏髅芏冗^(guò)大，平均電極消耗顯著增加，而整體除油效果變化緩慢.

表1 Al的消耗量和電能消耗Tab.1 Consumption of Aluminium andelectric power consumption

電能消耗可用式(4)[30]計(jì)算,計(jì)算結(jié)果列于表1.

(4)

式中:E為處理每kg油所需的平均能耗(kWh/kg oil).

表1看出，通電時(shí)間一定，增大電流密度電壓變大，處理每噸污水的平均能耗增加.當(dāng)電流密度增大到100 A/m2后，處理的油量變化不大，而所需平均電能顯著增加，最終導(dǎo)致去除單位質(zhì)量的油平均電能消耗變大.

由此看出，電流密度越大越不利于降低平均能耗及電極消耗，因而在實(shí)際工程中，為了節(jié)約能耗、提高能量效率，在保證可以完成處理量的前提下，應(yīng)盡量降低電流密度.

在今后工作中，應(yīng)深入解析在電絮凝過(guò)程中的還原氧化反應(yīng)、電泳、共沉等過(guò)程的相互作用和增效機(jī)制，最終利用電絮凝技術(shù)處理油田現(xiàn)場(chǎng)污水.

4 結(jié) 論

經(jīng)實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)：

1)A層溶液位于溶液中上部，除油率最快最好，原因是電氣浮和電凝聚耦合作用的結(jié)果.這一實(shí)驗(yàn)結(jié)果為電絮凝裝置出口設(shè)計(jì)提供依據(jù).

2)比較3層流場(chǎng)中除油率隨時(shí)間的變化規(guī)律圖得出：當(dāng)陽(yáng)極溶出的Al3+濃度低時(shí)，生成的絮體是單絡(luò)合物和分散Al(OH)3，除油機(jī)理為靜電中和作用；隨著Al3+增加，絮凝劑轉(zhuǎn)為強(qiáng)吸附性的不定型[Al(OH)3]n，能同時(shí)直接吸附多個(gè)油滴.

3)對(duì)比B層和C層的處理過(guò)程，B層除油較慢效率較低，主要是受絮凝劑停留時(shí)間的影響.這一結(jié)論為電絮凝流場(chǎng)特性研究奠定了一定的實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ).

4)隨著電流密度的增大，電絮凝裝置內(nèi)整體除油率越好.電解16 min，電流密度在100和150 A/m2時(shí)，3層處理效果最大相差2.66%和1.96%；而處理單位質(zhì)量的油滴時(shí)，前者的平均電能消耗及Al電極消耗量較小，因而從平均成本和三層除油率綜合判定，在電流密度為100 A/m2時(shí)，電絮凝裝置的整體處理效果最好.

[1] 王海峰，包木太，陳慶國(guó),等. 油田含聚合物污水外排處理技術(shù)室內(nèi)模擬研究[J]. 湖南大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2009, 36(3):71-75.

WANG Haifeng, BAO Mutai, CHEN Qingguo,etal. Physical simulation of discharged treatment of waste water containing HPAM in oil field[J]. Journal of Hunan University: Natural Sciences, 2009,36(3):71-75.(In Chinese)

[2] 吳亞，陳世軍，陳剛,等. 低聚季銨鹽對(duì)聚驅(qū)采出水包油乳狀液破乳機(jī)理[J]. 湖南大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2016, 43(6):117-123.

WU Ya, CHEN Shijun, CHEN Gang,etal. Demulsification mechanism of o/w emulsion containing polymer using oligomeric quaternary ammonium salt[J].Journal of Hunan University: Natural Sciences, 2016, 43(6):117-123.(In Chinese)

[3] 張峰振，楊波，張鴻，等. 電絮凝法進(jìn)行廢水處理的研究進(jìn)展[J]. 工業(yè)水處理，2012,32(12):11-14.

ZHANG Fengzhen, YANG Bo, ZHANG Hong,etal. Wastewater treatment using electrocoagulation technology: a review[J]. Industrial Water Treatment，2012,32(12):11-14.(In Chinese)

[4] 馬敬環(huán)，李強(qiáng)，裴孝君，等. 電絮凝法處理含聚采油污水的研究[J]. 天津科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2009,24(4):54-57.

MA Jinghuan, LI Qiang, PEI Xiaojun,etal. Study on treating technology of oil field polymer sewage by electrocoagulation method[J].Journal of Tianjin University of Science and Technology, 2009,24(4):54-57.(In Chinese)

[5] CHEN X M，CHEN G H，YUE P L. Separation of pollutants from restaurant wastewater by electrocoagulation[J].Separation and Purification Technology，2000,19:68-74.

[6] 周朝昕. 粉煤灰混凝劑制備及與電絮凝聯(lián)用處理含聚采出水研究[D]. 武漢：中國(guó)地質(zhì)大學(xué)資源學(xué)院，2013：12-19.

ZHOU Chaoxin. Preparation of coagulant from fly ash and flocculation produced water containing polymer combined with electric flocculation[D]. Wuhan: Faculty of Earth Resources, China University of Geosciences，2013：12-19.(In Chinese)

[7] DIMOGLO A, AKBULUT H Y, CIHAN F,etal. Petroche-mical wastewater treatment by means of clean electochemical technologies[J]. Clean Technologies and Environmental Policy，2004,6(2):288-295.

[8] ASSELIN M，DROGUI P，BRAR S K.etal. Organics removal in oily bilgewater by electrocoagulation process[J].Journal of Hazardous Materials，2008,151(2/3):446-455.

[9] HOLT P K，BARTON G W，WARK M，etal. A quantitative comparison between chemical dosing and electrocoagulation[J]. Colloid Surface Aspects，2002,211(2):233-248.

[10] 周振，姚吉倫，龐治邦，等. 電絮凝技術(shù)在水處理中的研究進(jìn)展綜述[J]. 凈水技術(shù)，2015,34(5):9-15.

ZHOU Zhen, YAO Jilun, PANG Zhibang,etal. Review of research development in electrocoagulation technology in Water treatment[J]. Water Purification Technology，2015,34(5):9-15.(In Chinese)

[11] 鄧述波，周撫生，余剛，等. 油田采出水的特性及處理技術(shù)[J]. 工業(yè)水處理，2007,20(7):10-12.

DENG Shubo, ZHOU Fusheng, YU Gang,etal. Speciality of oil-field produced water and its treatment technology[J]. Industrial Water Treatment，2007,20(7): 10-12.(In Chinese)

[12] CANIZARES P, MARTINE F, LOBATO J,etal. Break-up of oil-in-water emulsions by electrochemical techniques[J]. Journal of Hazardous Materials，2007,145(1/2):233-240.

[13] MOLLAH M Y, MORKOVSKY P, GOMES J A，etal. Fundamentals，present and future perspectives of electroco-agulation[J]. Journal of Hazardous Materials，2004,B114:199-210.

[14] FOUAD Y O, KONSOWA A H, FARAG H A,etal. Performance of an electrocoagulation cell with horizontally oriented electrodes in oil separation compared to a cell with vertical electrodes[J]. Chemical Engineering Journal, 2009,145(3):436-440.

[15] AHMADI S, SARDARI E, JAVADIAN H R. Removal of oil from biodiesel wastewater by electrocoagulation method[J]. Korean Journal of Chemical Engineering，2013,30(3):634-641.

[16] BENSADOK K，BENAMMAR S，LAPICQUE F，etal. Electrocoagulation of cutting oil emulsions using aluminum plate electrodes[J]. Journal of Hazardous Materials，2008,152(1):423-430.

[17] 劉楊，蔣文明，邊江.等. 電絮凝處理含油污水影響參數(shù)研究[C]//2016油氣田勘探與開(kāi)發(fā)國(guó)際會(huì)議論文集. 西安: 陜西省石油學(xué)會(huì)，2016: 1-5.

LIU Yang, JIANG Wenming, BIAN Jiang,etal. Experimental study on sewage treatment by electrocoagulation[C]//Proceedings of International Field Exploration and Development Conference. Xi’an: Shaanxi Petroleum Society, 2016:1-5. (In Chinese)

[18] 衣麗霞，董景崗，項(xiàng)軍. 電絮凝法處理采油污水試驗(yàn)研究[J]. 鹽業(yè)與化工，2011, 40(1): 34-37.

YI Lixia, DONG Jinggang, XIANG Jun. Experimental research on treating oilfield sewage by electro-coagulation method[J]. Journal of Salt and Chemical Industry, 2011,40(1):34-37.(In Chinese)

[19] 張瑩,龔泰石. 直流電絮凝法處理油田采出水試驗(yàn)研究[J]. 中國(guó)給水排水，2008,24(5):61-64.

ZHANG Ying，GONG Taishi. Study on treatment of oilfield produced water by DC electrocoagulation method[J]. China Water and Wastewater，2008,24(5): 61-64.(In Chinese)

[20] 羅亞田，曾勇輝，張列宇. 等. 電凝聚過(guò)程中消除電極鈍化方法的研究進(jìn)展[J]. 能源環(huán)境保護(hù)，2006,20(3):4-6.

LUO Yatian，ZENG Yonghui，ZHANG Lieyu，etal. Development of study on the elimination of passivated electrode in the process of electric agglomerate[J].Energy Environmental Protection, 2006,20(3):4-6.(In Chinese)

[21] SAHU O, MAZUMDAR B, CHAUDHARI P K. Treatment of wastewater by electrocoagulation: a review[J]. Environmental Science and Pollution research, 2014,21(4):2397-2413.

[22] 李方文，楊娟，馬淞江，等. 電凝聚法動(dòng)態(tài)處理模擬油田采出水 [J]. 廣東化工，2013,40(2):65-66.

LI Fangwen，YANG Juan，MA Songjiang，etal. The dynamic treatmentof simulated oilfield produced water by electrocoagulation[J]. Guangdong Chemical Industry，2013,40(2):65-66.(In Chinese)

[23] SIN Y L, GAGNON G A. Growth and structure of flocs following electrocoagulation[J]. Separation and Purification Technology，2016,163:162-168.

[24] YANG C L. Electrochemical coagulation for oily water demulsification[J]. Separation and Purification Technology, 2007,54(3):388-395.

[25] ASSELIN M, DROGUI P, BENMOUSSA H,etal. Effectiveness of electrocoagulation process in removing organic compounds from slaughter house wastewater using monopolar and bipolar electrolytic cells[J]. Chemosp Here，2008,72(11): 1727-1733.

[26] BURNS S E, YIACOUMI S, TSOURIS C. Microbubble generation for environmental and industrial separations[J]. Separation and Purification Technology，1997,11(3):221-232.

[27] PHALAKORNKULE C, MANGMEEMAK J, INTRACHOD K,etal. Pretreatment of palm oil mill effluent by electrocoagulation and coagulation[J]. Science Asia，2010,36(2):142-149.

[28] 吳珍，張盼月，曾光明,等. 不同鋁形態(tài)去除水中腐植酸的混凝特性[J]. 環(huán)境科學(xué)，2008,29(7):1903-1907.

WU Zhen，ZHANG Panyue，ZENG Guangming,etal. Coagulation characteristics of different Al species on humic acid removal from water[J].Environmental Science，2008,29(7):1903-1907.(In Chinese)

[29] KHEMIS M, LECLERC J P, TANGUY G,etal. Treatment of industrial liquid wastes by electrocoagulation: experimental investigations and an overall interpretation model[J]. Chemical Engineering Science，2006,61(11):3602-3609.

[30] 張艷鳳. 電凝聚氣浮技術(shù)處理氣田廢水的試驗(yàn)研究[D]. 西安：長(zhǎng)安大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，2008：28-31.

ZHANG Yanfeng. Study on experimentation of the gas-field wastewater treatment by electrocoagulation-floatation[D]. Xi’an：School of Environmental Science and Engineering，Chang’an University，2008:28-31.(In Chinese)

Experimental Study on Influence Factors of Oil Field WastewaterTreatment by Electrocoagulation

LIU Yang, LI Yuxing, JIANG Wenming?, CHEN Mingcan, YANG Jie, XU Chunwen

(College of Pipeline and Civil Engineering, China University of Petroleum, Qingdao 266580, China )

Aiming at the characteristics of oil field sewage, the electrocoagualation (EC) process was used for the experimental study on preparation of oily waste water. The effects of electrode distance, initial pH and NaCl content on oil removal rate were analyzed, respectively, and the influence parameters were obtained. The flow field experiment was firstly carried out . Then, the solution was divided into representative of three layers in the vertical direction, while the changes of oil removal rate under different current density with time were examined, and the characteristic curves of the three layers with the oil removal rate were compared. The results showed that oil removal rate of A layer was the fastest and best, while the oil removal effect of B layer was worse than that of C layer. When electrolysis time was 4 min and current density was 150 A/m2, the oil removal effect of A layer accounted for 96.05% of total efficiency. Considering the average cost and oil removal rate of three layers, the overall treatment was the best in EC reactor when electrolysis time was 16 min and current density was 100 A/m2.

electrocoagulation；oily waste water；flow field；experimental study

1674-2974(2017)12-0142-08

10.16339/j.cnki.hdxbzkb.2017.12.022

2016-11-24

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51406240), National Natural Science Foundation of China(51406240)；山東省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(ZR2014EEQ003), Natural Science Foundation of Shandong Province of China(ZR2014EEQ003)；中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金資助項(xiàng)目(14CX02211A/12CX04070A), Fundamental Research Funds for the Central Universities(14CX02211A/12CX04070A)

劉楊(1982—)，女，貴州六盤(pán)水人，中國(guó)石油大學(xué)(華東)講師，博士研究生?通訊聯(lián)系人，Email：jiangwenming@upc.edu.cn

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