【摘 要】
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聚合物驱采油技术现已普及于国内外各大油田,这保障了原油资源的持续供给,但随之而来的问题是如何合理地处理或处置采油过程产生的巨量聚合物驱采油废水。聚合物驱采油废水成分复杂,若未经有效处理/净化后直接进行排放,将对水体、土壤、水生动植物、大气环境乃至人体健康造成严重危害。微滤技术作为膜分离领域的一项非常成熟的技术经常被用于聚合物驱采油废水深度脱盐前的预处理。然而,微滤过程中的膜污染问题严重阻碍了预处理
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聚合物驱采油技术现已普及于国内外各大油田,这保障了原油资源的持续供给,但随之而来的问题是如何合理地处理或处置采油过程产生的巨量聚合物驱采油废水。聚合物驱采油废水成分复杂,若未经有效处理/净化后直接进行排放,将对水体、土壤、水生动植物、大气环境乃至人体健康造成严重危害。微滤技术作为膜分离领域的一项非常成熟的技术经常被用于聚合物驱采油废水深度脱盐前的预处理。然而,微滤过程中的膜污染问题严重阻碍了预处理过程的高效稳定运行,其污染机理的准确阐述对微滤过程中膜污染的控制尤为重要。阴离子聚丙烯酰胺（APAM）是聚合物驱采油过程中使用最多的聚合物之一,且大量残留于聚合物驱采油废水中,是影响聚合物驱采油废水微滤效能的主要污染物之一;并且,聚合物驱采油废水中通常含有大量无机离子,其盐度通常可达1000–40000 mg/L。因此,论文以APAM为目标污染物、0.1μm的聚四氟乙烯（PTFE）膜为微滤膜,基于扩展的Derjaguin–Landau–Verwey–Overbeek（XDLVO）理论探索了溶液p H、一价阳离子（Na+和K+）及二价阳离子(Ca2+和Mg2+)对其微滤膜污染行为的影响机制。论文中设定的溶液p H梯度为3.0、5.0、8.0、10.0和12.0;设定的离子浓度梯度为0、1000、2000、5000和10000 mg/L。另外,论文深入对比分析了1000 mg/L的离子浓度条件下不同价态阳离子(Na+和Ca2+)对其微滤膜污染的影响机理,以求为聚合物驱采油废水处理的微滤过程中膜污染行为的控制提供理论指导。论文的主要内容与结论如下:1)溶液p H可以影响PTFE膜和APAM的理化性质,进而影响膜污染行为。研究结果表明,路易斯酸碱相互作用在较短的分离距离范围内对膜污染行为影响较大。随着溶液p H的降低,斥力能垒逐渐降低;且当p H值低于3.5时,斥力能垒消失,APAM将更容易地吸附并积累到PTFE膜表面。在同一溶液p H条件下,APAM与APAM之间的斥力能垒低于APAM与PTFE膜之间的斥力能垒,说明微滤后期的膜污染更严重。另外,随着溶液p H的增加,膜固有阻力和膜孔堵塞阻力的降低并不明显,而滤饼层阻力显著降低。此外,膜污染趋势与总界面相互作用能具有明显的线性关系。2)溶液离子浓度的增加加剧了微滤过程中相对通量（J/J0）的衰减和污染阻力的积累,使得APAM溶液导致的多孔结构的污染层变得更加致密,进而提高了污染膜对APAM的去除效率。XDLVO理论的预测结果与不同离子浓度条件下的膜污染行为的吻合度较好。相比之下,K+对膜污染的加重作用强于Na+,Mg2+对膜污染的加重作用强于Ca2+。具体而言,当溶液中Na+/K+的离子浓度从0 mg/L逐渐增加至1000、2000、5000、10000 mg/L时,微滤J/J0的终值逐渐从0.38降低至0.28/0.25、0.24/0.18、0.17/0.12、0.12/0.08;当溶液中Ca2+/Mg2+的离子浓度的从0 mg/L逐渐增加至1000、2000、5000、10000 mg/L时,微滤J/J0的终值逐渐从0.38降至0.35/0.32、0.28/0.25、0.23/0.20、0.19/0.15。前者主要是由Na+和K+之间不同的水合性质所导致,Na+诱导的水合排斥力强于K+,使得Na+存在条件下APAM与PTFE膜/污染膜之间的排斥相互作用相比于K+存在条件更强,从而Na+存在条件下的膜污染更轻;后者主要是由Ca2+和Mg2+之间不同的水合性质及桥接作用所致,Ca2+诱导的水合排斥力远弱于Mg2+,同时其桥接作用远强于Mg2+,使得Ca2+与APAM的结合亲和力比Mg2+强得多,导致APAM-Ca2+复合物的负电荷密度更小,APAM-Ca2+颗粒更大、更紧密,从而其对膜污染的加重作用小于Mg2+。3)1000 mg/L的Na+/Ca2+的加入加剧了吸附及微滤过程中APAM引起的膜污染。吸附动力学的模拟结果与膜污染阻力、膜过滤效率和膜微观图像的分析结果一致。与Na+相比,溶液中的Ca2+诱导产生了更强的水合排斥力,进而促进疏松滤饼层的形成,使得Ca2+存在下的膜污染相比于Na+有所减缓。
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