含油廢水常用的處理方法及超疏水材料的應(yīng)用

鞠春紅

(黑龍江省科學(xué)院 石油化學(xué)研究院,哈爾濱 150040)

含油廢水是一種數(shù)量龐大的污染物,主要來(lái)源于石油、食品加工、機(jī)械冶金等工業(yè)及交通運(yùn)輸、紡織、醫(yī)藥等領(lǐng)域[1-2],會(huì)污染水體,對(duì)環(huán)境造成破壞,如在水面上形成油膜,致使水體缺氧,導(dǎo)致水生動(dòng)植物無(wú)法正常生長(zhǎng),從而破壞水生生態(tài)環(huán)境。含油廢水對(duì)土壤、生物的危害也較大,因此急需研究出安全、節(jié)能、環(huán)保的油水分離方法。

1 含油廢水常用的處理方法

根據(jù)油、水物理及化學(xué)性質(zhì)的不同及混合狀態(tài)的差異,人們已研究出多種油水分離方法,主要包括重力分離法、離心分離法、真空脫水法、化學(xué)脫水法、吸附脫水法、膜分離法、聚結(jié)分離法等[3-12]。

1)重力分離法[4-5]又稱(chēng)密度差分離法,利用油與水的密度差與不相溶特性,油水混合物在重力作用下實(shí)現(xiàn)分離。分離時(shí),一般使油水混合液處于靜置狀態(tài),因油脂密度低于水,浮于水上,略作沉淀后,利用機(jī)械進(jìn)行液位分離即可。重力分離法主要是利用重力作為分離動(dòng)力,但由于需使用除水罐、除水池等大型設(shè)備,油水分離耗時(shí)長(zhǎng),設(shè)備投資大,影響了該方法的經(jīng)濟(jì)效益。

2)離心分離法[6]是把油水混合液裝入高速旋轉(zhuǎn)的特定容器中,因油與水有密度差異,高速旋轉(zhuǎn)的油與水因離心力不同而分離。這種方法最早應(yīng)用于液-固體系,目前此方法的分離效率不到50%,還需進(jìn)一步提高。

3)真空脫水法[7]是利用同一溫度下油水混合物中水的飽和蒸汽壓比油的飽和蒸氣壓高的原理進(jìn)行真空蒸餾,由于水的沸點(diǎn)較低會(huì)提前蒸發(fā),從而實(shí)現(xiàn)油水分離。實(shí)際應(yīng)用中一般是把加熱到適合溫度的油水混合物打進(jìn)低壓的真空腔,使水分蒸發(fā)成蒸汽,再用真空泵將水蒸汽抽出,從而達(dá)到油水分離的效果。此方法需要在真空條件下操作,要求較高,能耗高,效率低,難以適應(yīng)發(fā)展需求。

4)化學(xué)脫水法[8]是在油水混合液中投加化學(xué)藥劑等活性物質(zhì),使其與油中的水發(fā)生特定的化學(xué)反應(yīng),所產(chǎn)生的反應(yīng)產(chǎn)物易于從油中分離,以此達(dá)到從油中分離水的效果。氫化鈣、乙醇鋁、氫化鋁等均可以作為化學(xué)脫水試劑。化學(xué)脫水法需油罐、過(guò)濾器、反應(yīng)器等大型設(shè)備,所用化學(xué)試劑成本較高,且會(huì)造成二次污染,限制了其應(yīng)用。

5)吸附脫水法[9]是利用淀粉等親水性介質(zhì)對(duì)水分進(jìn)行選擇性吸附,將油水混合物中的水從油中分離出來(lái),從而實(shí)現(xiàn)油水分離,能在很大程度上降低油中的水含量,但在實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用中會(huì)遇到吸附介質(zhì)的飽和量不高、更換及凈化比較頻繁、生產(chǎn)成本高等問(wèn)題。

6)膜分離法[10]是采用具有選擇透過(guò)性或特定孔徑的多孔薄膜,這種薄膜對(duì)油、水的親和度存在差異,在某種推動(dòng)力的作用下使油水分離。膜分離法具有高效、節(jié)能等優(yōu)點(diǎn)。但由于發(fā)展時(shí)間較短,現(xiàn)在制備出的油水分離薄膜的機(jī)械性能、分離速度、分離能力、使用壽命、抗污染能力等還遠(yuǎn)未達(dá)到工業(yè)要求,還需深入進(jìn)行技術(shù)研發(fā)。

7)聚結(jié)分離法[11-12]分為預(yù)處理、聚結(jié)、分離3個(gè)步驟。預(yù)處理主要是去除油水之外的其他雜質(zhì),聚結(jié)過(guò)程是為增大油水液滴,分離是依據(jù)油和水在材料表面潤(rùn)濕性不同的原理,采用疏水親油性濾網(wǎng),利用濾網(wǎng)疏水和親油的性質(zhì)來(lái)實(shí)現(xiàn)油水分離。聚結(jié)分離法是一種高效率、低成本的油水分離技術(shù),得到了廣泛應(yīng)用。

2 超疏水材料在含油廢水處理中的應(yīng)用

2.1 超疏水材料的表面特征

超疏水材料是表面具有潤(rùn)濕性的一種新型材料,其表面為特殊的微納米結(jié)構(gòu),在這些結(jié)構(gòu)上有低表面能物質(zhì),水很難附著在其表面。利用超疏水材料表面具有潤(rùn)濕性的特殊性能,可對(duì)油水混合物進(jìn)行分離,以達(dá)到處理含油廢水、凈化水資源的目的。

液體與固體表面保持接觸時(shí)會(huì)發(fā)生濕潤(rùn),表面潤(rùn)濕性是指液體在固體表面的鋪展能力[13],固體表面的化學(xué)組成及微觀結(jié)構(gòu)決定了其潤(rùn)濕性。表面潤(rùn)濕性在噴灑農(nóng)藥、噴涂油漆、礦物篩選等工藝中都有著廣泛應(yīng)用。

固體表面的潤(rùn)濕程度與接觸角大小有關(guān),接觸角越小,液體對(duì)固體表面的潤(rùn)濕性越好,反之亦然。人們根據(jù)水對(duì)不同物質(zhì)的潤(rùn)濕性及不同物質(zhì)對(duì)水接觸角不同的原理,將物質(zhì)劃分為疏水材料、超疏水材料、親水材料、超親水材料等。超疏水性是一種特殊的潤(rùn)濕性,當(dāng)水滴在固體表面的接觸角大于150°時(shí)(如圖1),把這種表面稱(chēng)為超疏水表面[14]。超疏水現(xiàn)象即材料表面對(duì)水有排斥作用,水滴在超疏水表面可以發(fā)生自由滾動(dòng)。

圖1 液滴在固體表面表觀接觸角示意Fig.1 Diagram of the apparent contact angle of a droplet on a solid surface

2.2 應(yīng)用前景

目前,超疏水材料得到了廣泛應(yīng)用,可利用超疏水表面處理含油廢水。曹小平[15]使用銅、鐵等金屬材料制備了超疏水表面,姚建年[16]提出了溶液浸泡一步制備超疏水材料的方法,可一步構(gòu)建粗糙表面和表面疏水性修飾。這些研究對(duì)制備超疏水材料具有較大貢獻(xiàn),推動(dòng)了含油廢水處理技術(shù)的發(fā)展。超疏水材料具有成本低、制備方式簡(jiǎn)易、制備材料環(huán)保等優(yōu)勢(shì),在含油廢水處理中具有廣闊的應(yīng)用前景[17]。

3 結(jié)束語(yǔ)

油水分離技術(shù)具有較高的油水分離率,但存在著成本高、步驟煩瑣、操作困難等缺點(diǎn),不適于實(shí)際生產(chǎn)。需研制新型油水分離技術(shù),開(kāi)發(fā)出成本低、制備方法簡(jiǎn)單、操作性好、安全有效的油水分離方法,解決不同環(huán)境下的油水分離技術(shù)難題。超疏水材料在處理含油廢水時(shí)操作簡(jiǎn)單、分離效果好,因此具有廣闊的應(yīng)用前景。應(yīng)針對(duì)含油廢水成分復(fù)雜多變、影響因素眾多的特點(diǎn),進(jìn)一步加強(qiáng)機(jī)理研究,建立通用的機(jī)理模型,促進(jìn)其在含油廢水處理中的應(yīng)用與推廣。