聚偏氟乙烯改性膜处理油田三次采出水的抗污染特性与机制

博士学位论文博士学位论文聚偏氟乙烯改性膜处理油田三次采出水的抗污染特性与机制PROPERTIESANDMECHANISMOFMEMBRANEANTIFOULINGINOILFIELDPRODUCEDWATERTREATEDBYMODIFIEDPVDFULTRAFILTRATIONMEMBRANE哈尔滨工业大学哈尔滨工业大学2012年6月国内图书分类号：TU991.2学校代码：10213国际图书分类号：628.162密级：公开工学博士学位论文学博士学位论文聚偏氟乙烯改性膜处理油田三次采出水的抗污染特性与机制博士研究生：衣雪松导师：于水利教授/时文歆副教授申请学位：工学博士学科：市政工程所在单位：市政环境工程学院答辩日期：2012年6月授予学位单位：哈尔滨工业大学ClassifiedIndex:TU991.2U.D.C:628.162DissertationfortheDoctoralDegreeinEngineeringPROPERTIESANDMECHANISMOFMEMBRANEFOULINGINOILFIELDPRODUCEDWATERTREATEDBYMODIFIEDPVDFULTRAFILTRATIONMEMBRANECandidate：YiXuesongSupervisor：Prof.YuShuili/AssociateProf.ShiWenxinAcademicDegreeAppliedfor：DoctorofEngineeringSpeciality：MunicipalEngineeringAffiliation：SchoolofMunici.andEnvir.Eng.DateofDefence：June,2012Degree-Conferring-Institution：HarbinInstituteofTechnology摘要-I-摘要本课题从研究油田三次采出水水质特点出发，以解构和建构理论为指导，通过研究考察超滤过程的宏观现象，辅以微观液-固界面的相互作用深入剖析，阐明了油田三次采出水对超滤膜污染的影响因子及污染机制，建立了油田采出水的超滤膜污染模型，优化了运行工艺条件，并提出了相应的污染控制措施。为TiO2/Al2O3-PVDF超滤膜在油田采出水的实际应用提供重要的理论基础和技术支持。首先，对比研究了不同操作压力、料液浓度、温度、pH值、矿化度等条件下，PVDF膜及纳米改性TiO2/Al2O3-PVDF膜处理油田采出水时主要有机物的截留率及透水量。结果表明，渗透液中乳化液（O/W）的浓度在0.5mg/L以下，可达油田低渗透层回注要求。进而，通过响应曲面法优化分析了超滤去除水中主要污染物过程中的最佳操作条件，结果显示，操作压力对超滤过程的通量衰减起最主要作用；在此基础上确定的改性膜超滤过程的通量预测模型，可为其在采出水处理中的实际应用提供理论参考。其次，通过研究采出水中两种典型的高分子污染物在超滤膜上的吸附性能，发现亲水性有机物阴离子型聚丙烯酰胺（APAM）给改性膜造成的污染相对严重，疏水性的O/W相对较轻。通过考察两种膜对APAM及O/W的静态吸附，发现两种膜对二者的吸附等温线分别为Langmuir-Freundlich型和Redlich-Peterson型；且APAM在两种膜上的吸附能力均随pH的升高而降低，随温度的升高而升高；阳离子对两种膜吸附APAM的影响较大,吸附作用的相对大小为Na+＜K+＜Ca2+,阴离子作用不显著。在pH值2.0~12.0的范围内，O/W在两种膜上的吸附量随pH值的升高先升高后降低；随温度的升高而降低；阴、阳离子的加入均促进了O/W吸附量的增加。说明改性膜抗污能力的提升是具有针对性的。再次，通过对比分析不同运行模式下超滤通量衰减过程，建立了不同膜阻力对超滤通量衰减贡献的数学模型。得出：膜孔堵塞过程发生迅速且持续时间短，主要发生在超滤开始的前4min，但该过程造成的通量衰减却十分显著；凝胶层形成包括三个阶段，即浓差极化阶段、凝胶层形成阶段及凝胶层稳定阶段，此过程需经过30min完成，所得凝胶形成模型可以较好的对该过程进行模拟；以污染物-膜的静态吸附为基础，建立的吸附污染阻力引起的通量衰减数学模型可以很好的解释超滤过程中慢污染情况，该部分阻力引起的通量衰减在超哈尔滨工业大学工学博士论文-II-滤后期起主导作用，且该过程持续时间较长。经典的“Cake”模型对整个超滤过程进行模拟，随超滤时间的延长适应性变差；故此，建立了基于各因素之间内在关系的白金汉模型，该模型能够简单、有效的模拟不同废水的超滤过程。第四，以前期实验为基础，以管式膜组件的形式，将改性PVDF膜和PVDF原膜应用于油田采出水的处理过程中，考察了操作压力对两种超滤膜透水性能的影响及出水水质随时间的变化趋势。结果表明：高压