废弃钻井液制备陶瓷滤料及其吸附染料污染物的研究

发布时间：2020-08-07 18:47

【摘要】：在钻井过程及完工后排放的废弃钻井液,主要成分为膨润土、钻井岩屑、水以及多种化学添加剂。在油田钻井过程中,钻井液起着润滑、冷却、护壁、传输钻井岩屑、平衡地层压力作用的工作液。但是,废弃钻井液中含有重金属、碱、盐、油、有机物等多种有毒有害污染物,由于处理难度较大,它与含油污水、污油共称为油田三大公害。目前,处理的方法多为固-液分离技术,分离后固相掩埋,液相处理达标后外排,也有采用直接填埋、土地耕作、注入地层、固化、焚烧等方法。因此,加强对废弃钻井液进行无害化处理,减少或避免环境污染以及维护耕地质量十分必要。本文将废弃钻井液的安全处置与资源化、水中难降解染料等污染物的处理结合起来,实现以废治废的目的。本论文以天津某钻井废液为研究对象,首先对钻井废弃液进行絮凝浓缩、脱水等前期预处理；然后,按照Ca-Mg-Al-Si系统要求设计环保陶瓷滤球的配方,研究以废弃钻井液为主要原料制备多孔陶瓷滤料(滤球)。通过对多孔陶瓷滤料的体积密度、气孔率及气孔率与滤料压碎强度平衡的调控研究,结合TG-DSC、SEM、XRD、XRF等测试手段对其相关性能进行表征,获得了利用废弃钻井液制备多孔陶瓷虑球的最佳工艺和配方；最后,研究了所制备的多孔陶瓷滤料吸附水中亚甲基蓝染料和罗丹明染料的性能,并对影响处理效果的因素、污染物去除机理展开了一系列研究。主要的研究成果如下： (1)以天津某废弃钻井液为原料,对其进行简易的预处理。即将废弃钻井液进行絮凝浓缩,同时加入粉煤灰,用压缩机进行压滤,最终滤饼烘干,获得粉料备用。根据获得原料的组成,配以适当的助烧剂,如资源丰富、价格低廉的滑石、页岩、硅灰石等,通过配料、混料、过筛、焙粉、成球、干燥及烧成等工艺制备出多孔陶瓷滤球。钻井废弃泥多孔陶瓷滤料气孔率,吸水率,抗压碎强度,稳定性等是表征其物化性能的最主要指标。通过G系列陶瓷滤料的一系列性能指标研究,综合评价各个配方滤料的物化性能,获得了佳配方组成为G-9(钻井液60%、页岩20%、滑石8%、钠长石12%),经1060℃烧成的G-9样品气孔率高达36.65%,吸水率为20.62%,抗压碎强度达到12.67MPa,耐酸性为81.28%,耐碱性为97.31%。G-9样品不仅具有较高的气孔率,同时还具有很高的抗压碎强度,符合多孔陶瓷滤料的高气孔率,高强度的要求。另外,SEM分析表明,G系列的多数样品存在大量气孔,形貌一致,分布均匀,颗粒被玻璃相包裹,大小比较均匀。该系列陶瓷滤料其组成范围广,可消化使用大量废弃钻井液,其钻井废弃液用量从40%到100%：其烧成范围也比较宽,一般配方在900℃～1100℃烧成都可以保持优良形状。另外,本文最佳配方得到的滤料还具有稳定性好,容易分离等特点。 (2)为了实现陶瓷滤料性能指标,如气孔率、吸水率及体积密度等的调控,并在以上多孔陶瓷滤料原料组成基础上,通过改变配料组成及烧成温度,进行了F系列陶瓷滤料的研究。结果表明,其气孔率可在8～40%的范围内调节,吸水率可在3-23%之间进行调节,其它相应的指标也可以进行调节。F1配方(天津钻井液：页岩：钾长石：高岭土=40：30：20：10)在1090℃烧成的样品的气孔率为19.95%,吸水率达到10.89%,体积密度为2.09g/cm3。测试结果表明,焙烧过程中形成结构化学成分比较稳定的莫来石,使陶瓷滤料保持了比较好的体积密度。F8配方(天津钻井液：页岩：滑石：钠长石：高岭土=60：20：8：12)在1090℃烧成的样品气孔率为30.03%,吸水率达到17.76%,体积密度为1.93g/cm3。由于配方中高岭土缺乏,A1203含量急剧下降,导致了莫来石的减少,很难阻碍虑球焙烧过程中CaCO3分解CO2气体的速度,气孔率显然提高。同时,随着烧成温度的降低,气孔率和吸水率均会升高。多孔陶瓷材料的气孔率越高,其吸附性能越好。 (3)研究了所制备滤料吸附去除水中亚甲基蓝染料和罗丹明染料的效果,以及多种实验因素对吸附效果的影响。多孔陶瓷滤料(G9样品)吸附亚甲基蓝的吸附分为3个阶段：快速阶段、中速阶段和慢速过程。在240min后基本达到吸附平衡时,多孔陶瓷滤料对亚甲基蓝和罗丹明的去除率分别达到80%和77%。另外,随着pH的增加,亚甲基蓝染料和罗丹明染料去除率均增大,低pH值不利于吸附。 (4)研究了所制备的陶瓷滤料吸附去除亚甲基蓝染料和罗丹明染料的吸附等温模型和热力学常数。结果表明,多孔陶瓷滤料对亚甲基蓝和罗丹明染料的吸附较好的符合Langmuir等温吸附模型和Freuulich等温吸附模型。初始浓度增加,多孔陶瓷滤料周围有更多的染料离子存在,即染料溶液与多孔陶瓷滤表面存在着较大的浓度梯度差异,有利于多孔陶瓷滤对染料的吸附。热力学参数研究表明钻井废弃泥滤料吸附去除亚甲基蓝染料和罗丹明染料都是吸热反应,升高温度有利于亚甲基蓝染料和罗丹明染料的去除。钻井废弃泥滤料吸附去除亚甲基蓝染料和罗丹明染料的活化能分别为69.92kJ/mol和77.23kJ/mol,说明所制备滤料吸附去除水中亚甲基蓝染料和罗丹明染料以化学吸附为主。 (5)考察了废弃钻井液滤料吸附去除亚甲基蓝染料和罗丹明染料的动力学模型。吸附动力学研究表明可分别用准一级动力方程和准二级动力方程来描述所制备的多孔陶瓷滤料吸附去除亚甲基蓝和罗丹明染料的吸附过程；在吸附过程的三个连续的阶段中,颗粒内扩散是限制吸附速率的主要原因。 (6)采用简单、易行的方法制备出的弃钻井液滤料,是一种绿色环保吸附材料。而传统上制备多孔滤料所用的骨料主要为Al2O3, SiO2且这些原料价格相对较高,制备工艺复杂,限制了其大规模应用。而用弃钻井液代替传统多孔陶瓷生产的主要原料,既减少了弃钻井液带来的环境污染,又降低了成本。弃钻井液制备的吸附滤料吸附能力强,对水中亚甲基蓝和罗丹明B染料有很好的吸附作用,为扩大弃钻井液的资源利用探索了一种新途径和新技术,为含染料的废水工业废水以及其它废水处理工程设计提供了理论指导,及为开发廉价、高效、因地制宜的吸附材料提供理论基础。本研究使弃钻井液从低附加值向高附加值转变,符合我国清洁生产、循环经济的产业政策,促进了经济的可持续发展。
【学位授予单位】：武汉理工大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2012
【分类号】：X741

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