用网络模型揭示分离膜形态对油滴截留的影响

发布时间：2020-08-06 22:35

【摘要】：含油废水若未经充分处理而直接排放,会对生态环境造成严重的危害。与传统方法(如离心法、重力分离法和化学破乳法)相比,基于膜分离的含油废水处理技术作为一种高效、灵活的处理手段,不仅可以达到除油的目的,而且可以将水从水包油乳液中回收并再次利用。尽管膜分离技术有着诸多优点,油滴与多孔膜结构间复杂相互作用的潜在机理却仍不清晰,而此机理的解读对于开发新型分离膜以更有效的处理含油废水具有重要价值。因此,本研究将探讨油滴截留和分离膜的形态的关联,以此为分离膜的设计与发展提供新思路。本研究采用基于网络模型的方法,从理论上研究了分离膜形态对油滴截留的影响。将多孔分离膜在数值上离散为一个由立方单元格组成的体系,并利用其坐标方向建立节-点结构。此离散化处理为数值分析提供了一个具有各种拓扑结构的局部线性空间域。进而将基于有限元法的网络分析和“迷宫”求解器作为互补手段相结合,以探索网络的拓扑结构。本研究对网络的横向尺寸(单元格的数量)进行了优化,以尽量降低可能由网络次级结构的不确定性带来的负面影响;对有限元分析的数值求解方法进行了迭代容差值和预处理方面的优化来提高模型模拟效率。此外,还建立起基于归一化流量的标准来精确判定网络中的活跃单元组(即拥有非零流量的连通单元格群)。若改变各方向上的闭合几率,网络的结构会随之发生改变(如从高度连通型变为直通型)。基于此,以统计方式模拟单个油滴的在网络表面的沉积来研究跨油滴压随横向闭合几率的变化;探究了多油滴沉积(即变化网络表面覆盖率)情况下跨油滴压的分布规律;依据活跃单元组中拓扑特性的相关变化解释了跨油滴压与闭合几率间的依存关系。本研究讨论了一个在过去工作中建立的临界压力模型,并将其应用于网络模型中,以预测在含油废水处理中油滴截留率随跨膜压的变化。通过比较具有不同连通性的网络的模拟结果,确定出油滴截留率与网络拓扑结构的关系。此外,在不同表面覆盖率的情况下,讨论了废水含油量对油滴截留率的影响。所有的模拟结果均证实,当分离膜具有高度连通的膜孔结构时,跨油滴压可能明显小于跨膜压,从而产生相对较高的油滴截留率。此外,分离膜表面较高的油滴覆盖率可以显著改变其内部结构中压力的分布,从而使油滴截留率降低。有理由相信,此网络模型将会为提升基于膜分离的含油废水处理的性能做出贡献。
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：X703
【图文】：

柱状图,油水分离,标题,含油废水处理

稳定存在于水中，较难实现油水分离[9]。（4）溶解油：粒径小于乳化油，以分子的形式分散在水相中，溶解油几乎不改变水的物理特性，不会引起肉眼可察觉的水质变化[10]514-515。因油在水中的溶解度很小，所以此类油占比通常不超过总量的 0.5%[11]。1.1.3 研究的目的与意义如上文所述，浮油与分散油在水中并不稳定，运用一些简单的物理或化学方法便可较为容易的去除，而在水中以液滴存在的乳化油因其较为稳定的物化性质，成为含油废水处理过程中较难去除的部分，也是含油废水处理后不能达到排放标准的主要原因之一[12]。随着环保法规的不断完善，各国对含油废水的处理和排放要求越来越高，这使得一些传统的处理方法已很难达到严格的排放标准，改进和完善传统工艺的弊端，努力开发更便捷有效的含油废水处理技术具有重要的意义。图 1-1 为在 web of science 中以标题‘油水分离’进行检索，并将检索得到的结果进行分类整理，将运用不同方法实现油水分离的相应文章以年为单位汇成的柱状图。可以看出，近年来油水分离相关文章的发表数量呈显著上升趋势，这也从侧面反映出人们对改善含油废水处理技术这一需求的迫切性。

流程图,化学药剂,除油,流程

图 1-2 一种以化学药剂除油的典型流程[26]19此外，还有主要针对含油废水中乳化油的盐析法，向废水中投入无机盐，以去除乳化油滴外围的水化离子，减小ζ电位，破坏双电层，减弱油滴间的排斥作用使油滴相互碰撞而聚集，从而达到破乳的目的。同时，电解质溶解在废水中，某些金属阳离子在碱性条件下水解生成难溶的氢氧化物胶体，在水中借助范德华力吸附油滴，产生凝聚作用[27]；很多阴离子表面活性剂可以与一些金属阳离子发生皂化反应，生成难溶性物质，从而提高处理效果。化学处理技术处理效果较好，处理速度快，但因为会添加一些额外的化学物质进入水体，加大了运行成本，在反应过程中也可能对水体造成二次污染。1.2.3 物理化学处理技术物理化学处理技术是运用物理和化学的综合作用或同时包括物理过程和化学过程的处理方法。主要有吸附法和气浮法。吸附法主要是利用吸附剂的多孔性、表面疏水亲油、比表面积大的特性，吸附（包括物理和化学吸附）废水中的污染物以达到回收和去除污染物的目的。目前应用较为广泛的吸附剂是活性炭，粉煤灰和吸油树脂等[10]517-520。

粒径分布,膜分离法,含油废水

哈尔滨工业大学工学硕士学位论文离膜处理含油废水主要基于截留这一策略，即将分离膜作为一种屏障（barrier），让水透过而将油截留，从而实现油水的高效分离。例如，Lipp 等[64]针对基于超滤的水包油乳液（oil-in-water emulsion）处理进行了更为基础的研究，应用动态光散射法探测油滴在水中的粒径分布，尝试揭示浓差极化和膜污染对处理性能的影响。该研究表明，分离膜对油的截留作用在很大程度上会受到乳液物化性质的影响；与固体颗粒物造成的膜污染过程相比较，油滴等乳液颗粒由于可以在特定情况下发生形变，其截留机理更为复杂。Lu 等[65]设计并进行了一系列的实验，揭示出表面活性剂在油滴截留中所起的作用并根据表面活性剂的空间和电荷效应提出了油-膜间复杂相互作用的潜在机理。Bhattacharyya 等[66]进行了一系列实验，测试以超滤实现油水分离时的性能；Lu 等[67]运用集成系统对含油废水进行处理及能源利用；Cheryan 等[26]18将以气浮法和膜分离法（见图 1-3）进行含油废水处理的效果进行了比较并肯定了膜分离法的巨大优势。

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