原煤吸附凈化含油污水技術(shù)

　　1 引言

　　重質(zhì)油是本世紀能源利用的重要組成部分，需要大力開(kāi)發(fā)重質(zhì)油資源以滿(mǎn)足能源需求的增長(cháng).但重質(zhì)原油在開(kāi)采、運輸過(guò)程中由于跑、冒、滴、漏等原因，均有原油散落于地面.聲化學(xué)的超聲作用是進(jìn)行油土分離凈化石油污染場(chǎng)地的有效手段，而利用聲化學(xué)手段凈化重質(zhì)油污染土壤過(guò)程中勢必會(huì )產(chǎn)生大量含重質(zhì)油的清洗污水.含油污水中的原油一般以漂浮油、分散油、乳化油、溶解油和油-固體物5種形式存在.除漂浮油外，均不能采用靜置法使油水得到有效分離.因此，除油成為含油污水治理的重中之重.

　　含油污水處理的傳統方法分為物理法(Su et al., 2003; Nicolaisen et al., 2003)、化學(xué)法(Owen et al., 2007; Zeng et al., 2007)和生物法(Kriipsalu et al., 2007; Li et al., 2005)等.傳統的處理方法雖取得了一定的成果，但仍有一些不足，這些不足促使研究人員不斷地探索處理含油污水的新技術(shù).而吸附法(曹乃珍等，1997; 吳敦虎等，1996)以其可以簡(jiǎn)易、快速地將污染物直接富集在吸附劑上的獨特優(yōu)勢，越來(lái)越多地被應用在含油污水的治理上.

　　煤是一種天然燃料，本身富含豐富的孔隙結構，其孔隙結構注定其具有獨特地吸附性能，是一種天然的碳質(zhì)吸附劑.用煤作吸附劑凈化含油污水的獨特優(yōu)點(diǎn)是不用考慮吸附劑與油的再分離，可以將其作為燃料直接燃燒，使廢油得以重新利用，減少能源浪費，節約成本.本研究擬選用陽(yáng)泉煙煤作吸附劑，對重質(zhì)油污染場(chǎng)地的含油污水進(jìn)行吸附凈化.

　　2 材料與方法

　　2.1 實(shí)驗材料

　　2.1.1 吸附劑

　　所用吸附劑為孤島采油廠(chǎng)集中供熱站的燃煤——陽(yáng)泉煙煤，其元素組成見(jiàn)表 1.

　　表1 陽(yáng)泉煙煤組成

　　2.1.2 含油污水

　　場(chǎng)地污染土取自孤島采油廠(chǎng)，對其進(jìn)行20 ℃、pH為9的聲化學(xué)清洗，靜置破乳45 min后，撇除上層浮油，對下層泥漿進(jìn)行水土分離、稀釋后，制得實(shí)驗所需含油污水，含油量為8.5 mg · L-1.超過(guò)了《山東省半島流域水污染物綜合排放標準》(DB37676—2007)中對石油類(lèi)含量的限值要求(5 mg · L-1).

　　2.2 分析方法

　　溫度采用水銀溫度計測定，量程0~150 ℃.pH采用意大利HANNA公司產(chǎn)便攜式酸度計(型號：30100-0165)測定.石油類(lèi)含量按《海洋監測規范》(GB17378.4—2007)中紫外分光光度法測定.所用正己烷(分析純)購自天津市富宇精細化工有限公司.儀器采用日本島津公司產(chǎn)UV2550型紫外可見(jiàn)分光光度儀;波長(cháng)范圍：190~900 nm(所選吸收波長(cháng)為254nm);分辨率：0.1nm;譜帶寬度：6段轉換;雙光束方式.測定過(guò)程中，每組設3個(gè)平行.臺灣產(chǎn)48 kHz、68 W超聲波單槽清洗器，槽體尺寸：140 mm×130 mm×75 mm，槽體容積：1.36 L.

　　2.3 研究方法

　　2.3.1 泥漿沉降時(shí)間的確定

　　聲化學(xué)清洗后，分別在0、2、4、6、8、10、12 min取上部泥漿23.5 mL，置于烘箱中，于105 ℃下烘干，對殘留固體進(jìn)行稱(chēng)重，以樣品中TSS的質(zhì)量為評價(jià)指標，確定適宜的沉降時(shí)間.

　　2.3.2 陽(yáng)泉煙煤對含油污水中油的吸附

　　吸附劑的靜態(tài)吸附條件優(yōu)化：以含油污水中油的去除率(η)為評價(jià)指標，考察陽(yáng)泉煙煤在不同溫度(5、10、15、20、25、30、35、40 ℃)、pH值(4、5、6、7、8、9)、時(shí)間(0、3、5、10、15、30、45 min)、粒徑(2.0、2.5、3.0、3.5、4.0 mm)、吸附劑投加濃度(0.025、0.0375、0.050、0.075、0.100、0.150 g · mL-1)下對除油效果的影響.油的去除率按式(1)計算.吸附過(guò)程中，pH值的調節用1 mol · L-1的NaOH溶液和1 mol · L-1的HCl溶液進(jìn)行.

　　式中，C0為原水中含油濃度(mg · L-1)，Ce為出水中含油濃度(mg · L-1).

　　動(dòng)態(tài)吸附：20 ℃、吸附劑粒徑3.0 mm、pH為5的條件下進(jìn)行動(dòng)態(tài)吸附實(shí)驗，實(shí)驗裝置如圖 1所示.吸附劑的裝卸可經(jīng)由法蘭口直接進(jìn)行.為增加裝置的可控制性，使水流均勻地分散于過(guò)水斷面，采用上向流式布置固定床.

　　圖 1 動(dòng)態(tài)吸附試驗裝置圖

　　吸附固定床的相關(guān)參數見(jiàn)圖 1所示.經(jīng)公式BV=πr2h計算床體積(BV)為25.1 cm3.煤床層干重組裝密度0.706 g · cm-3，按煤顆粒密度1.1 g · cm-3計算，充水后需用水量約9 cm3.

　　吸附前活化步驟包括：通過(guò)蘭格蠕動(dòng)泵將500 mL去離子水泵入吸附固定床，控制流量為10 mL · min-1，去離子水的pH值與預流入的含油污水一致.用振動(dòng)器振動(dòng)吸附固定床去除其中的氣泡，活化結束后，固定床中的殘余水通過(guò)抽吸裝置排出.

　　通過(guò)蘭格蠕動(dòng)泵將含油污水泵入煤吸附固定床，分別控制流量約為2.5、5、10 mL · min-1，樣品在間隔特定體積后被再次采集，測定其中石油類(lèi)含量.

　　2.3.3 吸附等溫線(xiàn)

　　在最優(yōu)吸附條件下，改變含油水初始濃度(0.74、0.89、1.11、1.48、2.23、4.56、6.89、8.42 mg · L-1)，按式(2)計算吸附容量qe，繪制吸附等溫線(xiàn).Langmuir吸附等溫線(xiàn)的線(xiàn)性形式如式(3)所示.

　　式中，qe為吸附容量(mg · g-1)，V為水的體積(L)，m為吸附劑用量(g).

　　式中，kL為L(cháng)angmuir常數，qmax為單層飽和吸附容量(mg · g-1).

　　3 結果與討論

　　3.1 泥漿沉降時(shí)間

　　泥漿中含有懸浮固體顆粒(TSS)，其粒徑一般為1~100 μm.主要包括粘土顆粒(0.05~4 μm)、粉沙(4~60 μm)和細砂(60~100 μm).單從粒徑大小來(lái)看，若不對泥漿的水土體系進(jìn)行分離，粉土顆粒就會(huì )吸附到煤的表面，甚至進(jìn)入大孔中造成堵塞，從而影響煤的吸附性能.

　　將7個(gè)不同時(shí)間節點(diǎn)的樣品置于烘箱中，105 ℃烘干稱(chēng)重，發(fā)現在最初的6 min泥漿中固體快速沉降，樣品干重由最初的2.70 g迅速降至0.20 g;而6 min以后，水土的分離效果變得不再明顯;至第10 min，TSS量?jì)H比第6 min下降0.02g;第10 min與第12 min的TSS量基本不變.從整個(gè)沉降過(guò)程可知，泥漿中水土分離的靜置沉降時(shí)間宜選為10 min.

　　圖 2 分離時(shí)間對懸浮顆粒的影響

　　3.2 靜態(tài)吸附

　　吸附體系溫度對吸附效果的影響見(jiàn)圖 3a.由圖可知，陽(yáng)泉煙煤吸附重質(zhì)油組分的最優(yōu)溫度為20 ℃，此溫度下油的去除率為73.86%.繼續升高溫度，去除率出現下降趨勢，特別是溫度由35 ℃上升至40 ℃時(shí)，去除率急劇下降為18.64%.分析其原因，煤吸附去除油的過(guò)程無(wú)論是放熱還是吸熱，在溫度較低時(shí)，體系溫度的升高總是能加快反應速度，短時(shí)間內使吸附容量增大，去除率升高;當溫度升高到一定程度，反應向解吸方向進(jìn)行，去除率下降.對于該異常變化，Gálvez等(2003)在碳基煤球吸附去除NO的研究中，也獲得了類(lèi)似的結果.由此可見(jiàn)，煤吸附劑在凈化含油污水時(shí)，吸附體系溫度保持20 ℃即可.

　　圖 3 不同因素對油吸附去除的影響(a.溫度，b.pH，c.吸附時(shí)間，d.粒徑，e. 投加濃度)

　　pH是影響水除油的重要影響因素.通過(guò)配制不同初始pH的油水混合系統進(jìn)行靜態(tài)吸附，測定不同pH值下的吸附效果.由圖 3b可知，pH升為5時(shí)，去除率達最高值47.06%;隨后，隨著(zhù)pH升高，去除率逐漸降低，pH為9時(shí)，吸附除油率僅為1.4%，升高pH對煤吸附油不利.究其原因，主要是因為在堿性條件下有利于O/W型重質(zhì)油乳狀液的穩定，不利于油組分從油水體系中被吸附到煤的表面(Merv et al., 2009).另外，重質(zhì)油中的酸性組分、兩性組分及瀝青質(zhì)等均具有降低界面張力的特性，而水相的堿性組分能直接活化重質(zhì)油的酸性組分、兩性組分以及瀝青質(zhì)等，所以pH越高越有利于稠油乳狀液的穩定(Anru et al., 2010; Andreas et al., 2006)，油水分離越困難.通過(guò)以上分析可知，在采用原煤作吸附劑凈化含油污水時(shí)，為了破壞乳狀液的穩定性，需引入弱酸性的環(huán)境條件，以使油水的分離更有利，結合實(shí)驗可知，pH為5時(shí)凈化效果最佳.

　　保持吸附體系溫度為20 ℃、含油污水的pH為5、煤的投加濃度及處理水量與上述實(shí)驗保持一致，研究不同吸附時(shí)間對除油效果的影響，實(shí)驗結果如圖 3c所示.由圖 3c可以看出，在最初的10 min內，受濃度梯度的影響，模擬污水中的油組分能夠迅速轉移至吸附劑上，使去除率呈指數級增長(cháng).10 min時(shí)，吸附量達最大值，吸附達到飽和，污水中油組分去除率達52.28%.隨后，油組分去除率基本不變.因此，煤吸附油組分的最佳吸附時(shí)間至少為10 min.

　　粒徑對原煤吸附除油效果的影響見(jiàn)圖 3d.由圖可知，隨著(zhù)吸附劑粒徑的增大油組分的去除率逐漸增加，3.0 mm時(shí)去除率達最大值，為52.9%;之后隨著(zhù)粒徑的增大，去除率逐漸降低.理論上，比表面積與粒徑成反比，粒徑越小，比表面積越大，吸附劑上可用于吸附的點(diǎn)位越多，單位質(zhì)量吸附劑的吸附量越高，而實(shí)驗結果與理論有較大出入.分析其原因，主要是因為過(guò)小的粒徑極易發(fā)生抱團粘結現象，減小了吸附點(diǎn)位，且粒徑過(guò)小，吸附劑間的空隙過(guò)小，液相不易通過(guò);粒徑過(guò)大，比表面積小，吸附劑上可用于吸附的點(diǎn)位越少，單位質(zhì)量吸附劑的吸附量越低.

　　在油水中分別投加0.0125、0.0375、0.050、0.075、0.100、0.150 g · mL-1粒徑為3.0 mm的陽(yáng)泉煙煤吸附劑.保持pH為5，吸附時(shí)間為10 min，體系溫度為20 ℃進(jìn)行靜態(tài)吸附.吸附效果如圖 3e所示.由圖可知，投加濃度由0.0125 g · mL-1升至0.075 g · mL-1時(shí)，油份去除率逐漸升高，由0.075 g · mL-1升至0.150 g · mL-1時(shí)去除率基本不變，投加濃度為0.075 g · mL-1時(shí)去除率達最大值，為59.1%.這說(shuō)明，隨著(zhù)投加濃度的增大，吸附劑的總表面積也相應增大，可用于吸附的點(diǎn)位就隨之增多，導致吸附去除的油組分量也相應增大.但并不是隨著(zhù)投加濃度的增加，去除率也無(wú)限增大，當投加濃度達到一定值后，吸附平衡，去除率增加緩慢甚至不增加，這與粒徑對油份去除率的影響原理基本一致.因此，當投加濃度為0.075 g · mL-1時(shí)，陽(yáng)泉煙煤吸附劑對油組分的去除效果最好.

　　含油污水屬于稀溶液體系，該體系的吸附等溫式最常用的是Langmuir方程，經(jīng)對本實(shí)驗的最佳實(shí)驗條件進(jìn)行擬合，等溫線(xiàn)擬合結果見(jiàn)表 2.由表 2可知，Langmuir方程可以較好地描述低濃度重質(zhì)油在陽(yáng)泉煙煤上的吸附過(guò)程.由Langmuir吸附等溫線(xiàn)可知，陽(yáng)泉煙煤用于低濃度重質(zhì)油污水的飽和吸附容量有限，僅為0.0247 mg · g-1，即24.7 g · t-1.Langmuir分離因子常數RL可用于判斷吸附反應是否容易進(jìn)行，當0

　　表2 等溫線(xiàn)擬合結果表

　　3.3 動(dòng)態(tài)吸附

　　不同流量對陽(yáng)泉煙煤固定床吸附效果的影響如圖 4所示.在試驗選取的3個(gè)不同流量范圍(2.5、5、10 mL · min-1)內，陽(yáng)泉煙煤吸附劑的吸附凈化效果隨流量的增加而變差.由固定床動(dòng)態(tài)吸附結果可知，流量越低，吸附飽和越滯后，處理的含油污水越多.而流量加大時(shí)，穿透點(diǎn)會(huì )相應提前，導致穿透點(diǎn)吸附量減小.動(dòng)態(tài)吸附表現出較好的處理能力與該吸附劑有限的吸附容量這一事實(shí)相矛盾.分析原因，認為在pH為5的條件下，高級脂肪酸根容易發(fā)生酸化反應(Merv et al..，2009)，生成固態(tài)的飽和高級脂肪酸，從而被吸附劑截濾在固定床中，最終使動(dòng)態(tài)吸附凈化效果得到顯著(zhù)增強.

　　圖 4 不同流量下的動(dòng)態(tài)吸附穿透曲線(xiàn)

　　總之，陽(yáng)泉煙煤吸附劑處理含油污水的水量在試驗所選定的3種情況下，處理水量在小于10倍BV時(shí)，出水均符合了《山東省半島流域水污染物綜合排放標準》(DB37676—2007)中對石油類(lèi)含量的限值要求(5 mg · L-1).而煤在吸附飽和后，持有大量油組分，使其具有更大的低位發(fā)熱量，不必進(jìn)行再生，可以直接作為燃料煤.因此，這種天然優(yōu)勢決定了其終將成為凈化重質(zhì)油污染水的一種重要選擇.凈化后的水可循環(huán)回用于重質(zhì)油污染場(chǎng)地的清洗，從而實(shí)現節約用水的目的.具體參見(jiàn)污水寶商城資料或http://www.sharpedgetext.com更多相關(guān)技術(shù)文檔。

　　4 結論

　　1)超聲清洗后需10 min的靜置沉降時(shí)間以實(shí)現泥漿中水土分離.

　　2)陽(yáng)泉煙煤固定床凈化含油污水的最佳反應條件是吸附溫度為20 ℃，pH為5，吸附時(shí)間為10 min，煤粒徑為3 mm，投加濃度為0.0075 g · mm-1.

　　3)在最佳條件下用Langmuir方程可以較好地描述低濃度重質(zhì)油在陽(yáng)泉煙煤上的吸附過(guò)程，且由分離因子常數RL判知該反應較易發(fā)生，可使污水中油組分的去除率達52.28%以上.

　　4)流量對動(dòng)態(tài)吸附有很大影響，流量加大，穿透點(diǎn)提前，吸附量減小，處理水量在小于10倍BV時(shí)，出水均符合《山東省半島流域水污染物綜合排放標準》(DB37676—2007)中對石油類(lèi)含量的限值要求(5 mg · L-1)，實(shí)現了水污染控制.