浮选柱处理油田废水过程中的微泡组成 调控的研究

王荣琛，刘尘旻，李龙帝，张圆圆，杨斯杰

作者简介：

王荣琛，生于1999年9月，男，汉族，河南洛阳人，中国矿业大学，化学工程与工艺专业本科在读

刘尘旻，生于1999年3月，男，汉族，湖南邵阳人，中国矿业大学，矿物加工工程专业本科在读

李龙帝，生于2000年6月，男，汉族，河南洛阳人，中国矿业大学，化学工程与工艺专业本科在读

张圆圆，生于1999年11月，女，汉族，山西临汾人，中国矿业大学，消防工程专业本科在读

杨斯杰，生于1998年10月，男，汉族，江苏徐州人，中国矿业大学，安全科学与工程专业本科在读

基金项目：

本文系中国矿业大学2019年度大学生实践创新训练计划项目，项目编号： 201910290182X

摘要：石油开采，加工与应用过程中产生的含油废水一直是难处理污水，本文创新使用了一种电解浮选柱式净水装置，对含油废水样品进行处理。以期开发出一种更高效，便捷，污染更少的含油废水净化新技术。经修正实验后，使用这种新型的电解浮选柱式净水装置处理模拟含油废水样品，最高除油率可达96%。与传统的处理含油废水的方法相比，这种方法还有操作简便，除油率高，产生污染小等优势。

关键词：浮选柱、含油废水、电解

1前言

石油开采，加工与应用过程中产生的含油废水对环境生态造成了极大的污染。如何合理，妥善，高效地处理含油废水，已经成为了一个重要问题。在含油废水中，油水混合物以多种形式存在，如悬浮油，分散油，溶解油以及油固混合物等。其中，乳化油的去除是含油废水净化的难点。目前去除乳化油最常见的方法是气浮法。

浮选柱是典型的浮选设备，净化路径长，分离精度高是它的特点。国内外有许多研究者都曾利用浮选柱进行了油水分离的实验研究。查阅文献之后得知，运用浮选柱进行处理，除油率大概在90%左右。

电-Fenton法的研究始于20世纪80年代。至今，国内外许多学者曾采用电-Fenton法处理难降解的有机废水，并取得了满意的效果。电-Fenton法具有反应速率快，操作简便，无二次污染等特点。

本文创新使用了一种电解浮选柱式净水装置，对含油废水样品进行处理。在自行研制的电解气浮净水系统的基础上，以模拟含油废水为研究对象，进行了含油废水净化实验研究。以期开发出一种更高效，便捷，污染更少的含油废水净化新技术。

2实验系统与方法

2.1实验系统：

电解气浮净水系统如图所示：

图2-1 电解气浮净水系统

由柱体，位于柱体顶部的进水口，位于柱体底部的出水口,阀门以及柱体底部呈中心对称的螺旋点击组成。该螺旋状电极基本覆盖整个柱体底部，有利于增大通电处理含油废水时产生气泡的量，同时也有利于产生的气泡均匀分散。此外阳极采用铁质材料制造,在处理的过程中， 与 发生经典的电-Fenton反应从而产生高活性的羟基自由基*OH。对含油废水的处理有很好的促进作用。

浮选柱主体结构包括两部分：浮选柱分选段（柱分离装置），旋流分离段（旋流分离装置）。实验过程中，含油废水由位于柱体中上部的给料口给入，与上升的气泡逆向碰撞，粘油气泡进入柱体顶部经油品收集槽排出，电解产生的纳米级气泡与高活性羟基自由基*OH在分选段对含油废水进行净化。实验用浮选柱的内径为50mm，高度为2000mm，阳极材料为铁，阴极材料为不锈钢。

2.2实验方法：

（2.2.1）利用车用二冲程机油（含水率0.1%，45C下的密度约为980 ）配制模拟含油废水水样。具体方法是:利用表面活性剂十六烷基三甲基溴化铵（CTAB）将机油配置成体积浓度20%的乳化油，然后根据实验需要稀释成所要求的浓度。每次配置1L模拟水样，本次实验分别配制试样浓度为20，50，100，150mg/L。在稀释过程中，为使油品充分分散并保持稳定，需在3000r/min的搅拌器（麦普龙牌DJ1C-40型立式液体搅拌器）中搅拌1h，然后静止12h。

2.2.2实验步骤：

将配置好的试样倒入电解浮选柱式净水装置中，加入电解质，打开直流稳流稳压电源（迈斯泰克牌DP305型）开始按照设计的电压进行电解。处理一定时间后，切断电源，取样。

打开装置下部的出水口阀门，取处理后的水样100ml，将处理样用石油醚（主要为戊烷和己烷以及少量不饱和烃）进行萃取，再用抽滤装置进行抽滤，最后用石油醚进行定容。应用紫外分光光度计（上海舜宇恒平752型）对定容好的试样进行测定，除油率的计算公式如下：

除油率 ）/ ]*100%

其中： 处理前试样的含油量（mg/L）

处理前试样的含油量（mg/L）

2.2.3仪器与试剂：

电解浮选柱式净水装置、车用二冲程机油（模拟含油废水水样）、电解质、石油醚。

3.结果与讨论

3.1较佳实验条件的确定

查阅文献得知，影响该电解浮选柱式净水装置对含油废水处理效果的主要因素有：电解电压，反应时间，样品初始含油浓度，电解质浓度等。对几次预实验的结果进行分析后，由各个因素水平值为均值可得出各个因素中较佳的水平条件为：pH值为3，电解电压为15V，处理时间为20min，初始含油浓度为100mg/L，电解质浓度为20g/L。

为了进一步确定最优的含油废水样品的处理条件，在正交实验的基础上，我们对电解电压，反应时间以及电解质浓度做单因素实验。

3.2单因素影响分析

3.2.1电解电压对模拟含油废水除油率的影响：

含油废水样品的初始浓度为：100mg/L

电解时间为5in，10min，15min，电解质浓度为20g/L

分别取10V，20V， 30V的电解电压进行实验，所得结果如图所示：

图3-1 不同电解电压对模拟含油废水除油率的影响

由图3-1可知，随着电解电压的升高，除油率呈现出先升高后略微降低，最后基本不变的变化。并在电解电压为25V时取得了最佳处理效果。除油率达到90%。产生上述现象的原因是：随着电解电压的增大，副反应（如电解生成氧气）与极化作用也随之加剧，使得处理效果下降。此外，电压过大，也会造成电解产生的气泡直径过大，超出纳米级范围。过大的气泡与油滴的亲和性下降，气浮作用减弱，因此也不利于含油废水的处理。

3.2.3反应时间对模拟含油废水除油率的影响。

含油废水样品的初始浓度为：100mg/L

电解电压为25min，电解质浓度为20g/L

分别取10min,15min,20min,25min,30min,35min,40min的电解时间进行实验，所得结果如图所示：

图3-2 反应时间对模拟含油废水除油率的影响

由图3-2可知，随着电解时间的延长，除油率呈现出先基本不变，再缓慢上升，再基本不变的变化。电解产生的纳米级气泡的气浮作用对净化含油废水有很大的帮助。同时，铁电极在电解过程中发生电-Fenton反应形成的高活性羟基自由基*OH能有效地降解含油废水。查阅文献得知，该反应的一个重要特点就是反应速率快。反应开始阶段，除油率随时间的延长而增大，一段时间后，除油率接近最大值。在该实验条件下，电解时间为40min时，除油率接近最大值85%。继续延长电解时间，除油率增加缓慢是因为电解过程中含油浓度不断降低，因此延长电解时间的边际效用递减。此外，随着反应时间的延长，电解溶液的pH值增大，导致其中的铁离子如 离子不能稳定存在，因此产生实际作用的Fenton试剂的量也减少，从而导致反应速率增长缓缓直至达到平衡。考虑到电耗，最佳的反应时间为40min。

3.2.4电解质浓度对模拟含油废水除油率的影响

含油废水样品的初始浓度为：100mg/L

电解时间为40min，电解电压为10V

分别取5mg/L ，10mg/L，15mg/L，20mg/L，25mg/L，30mg/L，35mg/L的电解质浓度进行实验，使用的电解质为无水硫酸钠，所得结果如图所示：

图3-3 电解质浓度对模拟含油废水除油率的影响

由图3-3可知，随着电解质浓度的增加，除油率呈现出先增加，再略微下降，最后基本不变的变化。当电解质浓度增大到20-30g/L时，除油率的增大明显变慢。电解质投加量为30g/L时，除油率达到最大，为90%左右。分析得出：反应体系中的电解质浓度过低，会加大系统内阻，不利于反应进行。此外，电解质浓度过高时，电解质与电解液中离子如 的相互作用会增强，对诸反应尤其是电-Fenton反应的正常进行会有干扰，因此除油率不会增加。

4.结论与展望

4.1影响净水装置除油率大小的因素

影响该电解浮选柱式净水装置除油率大小的因素为：电解电压，反应时间，含油废水样品的初始浓度，电解质浓度。

4.2净水装置处理废水样品的最佳条件

经单因素修正实验，我们确定了用电解浮选柱式净水装置处理模拟含油废水样品的最佳条件为：初始含油浓度为100mg/L，电解电压为25V，反应时间为40min，电解质浓度为30g/L，在最佳参数组合条件下，除油率可达96%。

4.3对应用的展望

该电解浮选柱式净水装置有着很好的应用前景，对含油废水有很好的处理效果。与传统的处理含油废水的方法相比，有操作简便，除油率高，产生污染小等优势。针对我国西北地区石油产量大，有大量待处理的含油废水，能源特别是电能充足的现状。该电解浮选柱式净水装置可以被广泛应用以解决环境问题。

5.参考文献

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