納濾反滲透法處理油田采出水

孫國(guó)富 徐靜莉 李大鵬 都昌盛 郝宏艷 許昌學(xué)院化學(xué)化工學(xué)院

傳統(tǒng)的采出水處理方法包括重力分離法、氣浮法、共聚法等。但這些技術(shù)都有著不利之處，例如重力分離法不能滿足外排水要求、淤泥處理問(wèn)題及操作費(fèi)用較高等[1-2]。膜分離技術(shù)是近幾年發(fā)展起來(lái)的能夠用于油田污水處理的新技術(shù)，其中微濾、超濾、納濾和反滲透等膜技術(shù)在采出水處理方面具有無(wú)可比擬的優(yōu)越性：①應(yīng)用范圍廣（適用于海上和陸地的原油開(kāi)采）；②膜是截流各種物質(zhì)的有效屏障，因此進(jìn)水質(zhì)量的變化對(duì)產(chǎn)水質(zhì)量影響較小；③不需要使用化學(xué)藥劑；④可以用于選擇性廢物料循環(huán)工藝；⑤膜設(shè)備占地面積小，能量消耗低，自動(dòng)化程度高。

高分子膜和無(wú)機(jī)陶瓷膜常用于油田采出水處理，本研究主要采用高分子納濾膜和低壓反滲透復(fù)合膜進(jìn)行采出水處理，主要原因是：①高分子膜具有價(jià)格優(yōu)勢(shì)，比陶瓷膜便宜，但是不能用于高于50℃的場(chǎng)合，盡管采出水的溫度一般高于50℃，但是之前要經(jīng)過(guò)其他工段進(jìn)行處理，因此到膜入口時(shí)一般溫度已經(jīng)降到50℃以下；②許多研究人員認(rèn)為微濾和超濾比較適合采出水的處理，但由于采出水主要是除鹽，因此相比較而言，納濾和反滲透膜更適合采出水處理回用。

本次研究采用兩種陶氏公司生產(chǎn)的商業(yè)膜NF90、NF270和低壓反滲透膜BW 30膜，考察不同商業(yè)膜的滲透通量。膜的性質(zhì)見(jiàn)表1。

表1 膜的性質(zhì)

1 實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)采用去離子水（DI水），以及三種自配的采出水PW1、PW2和PW3作為進(jìn)料。水樣在有氧條件下保存。采用滴定法對(duì)鈣、鎂、鈉、鉀進(jìn)行分析，未分析陰離子的含量，采用HACHDR2800分析硅，同時(shí)測(cè)量了水樣中TOC、TDS及電導(dǎo)率。水樣指標(biāo)見(jiàn)表2。

表2 水樣指標(biāo)

所使用的膜由聚酯支撐網(wǎng)、多孔的聚砜?jī)?nèi)層及最上面的超薄聚酰胺涂層構(gòu)成。使用前用1∶10∶9的硫酸、乙醇、去離子水混合液清洗膜12 h[4]，這樣處理過(guò)的膜稱作預(yù)處理膜。實(shí)驗(yàn)采用Milipore公司生產(chǎn)的YT30 142HW機(jī)，整個(gè)過(guò)程采用死端過(guò)濾。膜的直徑140mm，進(jìn)料通過(guò)通入到進(jìn)料槽的氮?dú)饧訅骸＿M(jìn)料體積500mL，實(shí)驗(yàn)在室溫下進(jìn)行。

實(shí)驗(yàn)壓力為0.1~0.7MPa，一旦系統(tǒng)壓力達(dá)到需要值，開(kāi)始計(jì)時(shí)，在該壓力下運(yùn)行60min，稱重。之后在下一個(gè)壓力下重復(fù)該步驟。為了確定DI水的清潔效果，在完成采出水的處理后，采用去離子水作為進(jìn)料液進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

為進(jìn)料液的初始電導(dǎo)率；cf2

為滲透液的電導(dǎo)率。

2 結(jié)果與討論

2.1 運(yùn)行時(shí)間對(duì)水的滲透通量的影響

采用NF90膜，以DI水、PW1作為進(jìn)料液，在室溫、壓力0.4MPa條件下，考察運(yùn)行時(shí)間對(duì)水的滲透通量的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖1所示。

圖1 運(yùn)行時(shí)間對(duì)水的滲透通量的影響

由圖1可知，對(duì)于DI水，隨著運(yùn)行時(shí)間的增加，水的滲透通量幾乎沒(méi)有變化，保持平穩(wěn)，說(shuō)明膜表面沒(méi)有被污染，總阻力保持一定。對(duì)于PW1，最初的幾分鐘內(nèi)，水的滲透通量下降很快，之后緩慢下降趨于平穩(wěn)。之后繼續(xù)下降是因?yàn)闉V餅形成和增長(zhǎng)的結(jié)果，主要原因是實(shí)驗(yàn)過(guò)程中采用的是恒壓死端過(guò)濾操作，開(kāi)始時(shí)溶液中的某些粒子在膜孔內(nèi)積累，導(dǎo)致膜孔堵塞，使總阻力增加，從而引起了通量的急劇下降；然后隨著運(yùn)行時(shí)間的增加，在膜表面形成了濾餅層，當(dāng)濾餅層不再增厚，達(dá)到一個(gè)平衡厚度后，水的滲透通量開(kāi)始保持穩(wěn)定。

2.2 操作壓力對(duì)水的滲透通量的影響

采用NF270、NF90和BW30三種膜，以PW1、PW2、PW3及DI水作為進(jìn)料液，在室溫、運(yùn)行60min條件下，考察運(yùn)行時(shí)間對(duì)水的滲透通量的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖2、3、4所示。由圖2、3、4可以看出，對(duì)于這三種膜而言，在一定壓力范圍內(nèi)，去離子水和采出水的滲透通量與壓力呈線性關(guān)系。在相同操作壓力下，三種進(jìn)料液的滲透通量大小依次為PW2>PW 1>PW 3；在相同的進(jìn)料液，相同操作條件下，三種膜的滲透通量依次為NF270>NF90>BW30，這是因?yàn)椴煌哪た讖剑亓舴肿恿坎煌湓纪坎煌谙嗤僮鲏毫ο拢讖皆酱鬂B透通量也就越大[5]。無(wú)論使用哪一種膜，無(wú)論何種進(jìn)料液，對(duì)于死端過(guò)濾操作，水的滲透通量的變化趨勢(shì)是一樣的。隨著操作壓力的增加，水的滲透通量在0.1~0.7 MPa壓力范圍內(nèi)呈增加的趨勢(shì)。因此在一定壓力范圍內(nèi)，提高操作壓力對(duì)增加水的滲透通量最有利。這是因?yàn)榧{濾是以壓差為驅(qū)動(dòng)力的膜過(guò)濾過(guò)程，增加操作壓力提高了傳質(zhì)推動(dòng)力，使得水的滲透通量增加。但是增加壓力，會(huì)使能耗增大，對(duì)系統(tǒng)的耐壓能力要求提高，從而使裝置的成本提高[6]，因此實(shí)際操作過(guò)程中，應(yīng)該綜合考慮以便選擇合理的壓力。

圖2 操作壓力對(duì)NF90膜的水滲透通量的影響

圖3 操作壓力對(duì)NF270膜的水滲透通量的影響

圖4 操作壓力對(duì)BW30膜的水滲透通量的影響

2.3 DI水對(duì)膜清洗的影響

試驗(yàn)采用不同的膜，第一輪采用DI水作為進(jìn)料液，第二輪采用不同的采出水作為進(jìn)料液，第三輪采用DI水作為進(jìn)料液，在室溫，每輪運(yùn)行60 min的條件下，考察了不同壓力下，用DI水對(duì)膜進(jìn)行清洗后膜的通量變化。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖5、6所示。

圖5 PW2作為進(jìn)料液DI水對(duì)NF270膜的清洗

圖6 PW3作為進(jìn)料液DI水對(duì)BW30膜的清洗

從圖5和圖6可以看出，當(dāng)采出水PW 2和PW 3運(yùn)行結(jié)束，再用DI水對(duì)膜NF270和BW30進(jìn)行清洗后，膜的滲透通量均有恢復(fù)，但是并未能恢復(fù)到初始通量。在較低壓力下，NF270膜的通量恢復(fù)較好，接近于初始通量，可能的原因是在較低壓力下，短時(shí)間運(yùn)行后納濾膜上形成的濾餅未被壓實(shí)的結(jié)果。如果在高壓下操作，長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行，只有使用清洗劑才能恢復(fù)膜的通量到較好的水平。

2.4 不同膜的表觀截留率

以三種采出水作為進(jìn)料液，在室溫（25℃），0.55MPa壓力條件下運(yùn)行20min，考察三種膜的表觀截留率。滲透水的質(zhì)量列于表3中。由表3可以看出，對(duì)于同一種膜，采出水PW1的表觀截留率最高；膜BW30對(duì)三種采出水的表觀截留率最高，這是因?yàn)樵撃さ目讖阶钚。亓舴肿恿孔畹汀Ｔ趯?shí)際操作過(guò)程中，應(yīng)該根據(jù)對(duì)產(chǎn)水的水質(zhì)要求來(lái)合理地選擇分離膜。

表3 三種膜的產(chǎn)水水質(zhì)

3 結(jié)論

本研究采用三種自制的采出水PW1、PW2和PW 3，考察了三種商業(yè)膜NF270、NF90和BW 30在不同壓力、運(yùn)行時(shí)間和DI水清洗后水的滲透通量變化及三種膜的表觀截留率。在一定壓力范圍內(nèi)隨著操作壓力的增加，三種膜的滲透通量都呈增加的趨勢(shì)。NF270在室溫、壓力0.7 MPa下，PW1、PW 2和PW 3的滲透通量最高，分別為73.6、102.5和33.4 kg/(m2·h)；在室溫、壓力0.4MPa條件下，運(yùn)行60min后，NF90膜的水的穩(wěn)定滲透通量為8.84 kg/(m2·h)；膜經(jīng)過(guò)DI水清洗后，通量能夠恢復(fù)到一定的水平；BW30具有較高的表觀截留率。

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