纳米TiO2处理钻井废水研究

王 松，樊 营 (长江大学化学与环境工程学院，湖北 荆州 434023)

王浩任 (中国石化集团工程研究院大陆架公司,山东 德州 253000)

张顺元 (中国石油集团工程研究院海外所,北京 100195)

纳米TiO2处理钻井废水研究

王 松，樊 营 (长江大学化学与环境工程学院，湖北 荆州 434023)

王浩任 (中国石化集团工程研究院大陆架公司,山东 德州 253000)

张顺元 (中国石油集团工程研究院海外所,北京 100195)

油田钻井废水成分复杂，若处理不当将会对环境造成严重影响。分析了江汉油田钻井废水的水质特性，采用酸化中和、混凝进行预处理，并用纳米TiO2对江汉油田钻井废水进行了深度处理，同时确定了纳米TiO2光催化处理钻井废水的适宜条件，即纳米TiO2的适宜用量为200mg/L左右、初始pH值为4、光催化氧化反应时间100～120min、光距40～80mm。试验结果表明，经过处理后的江汉油田钻井废水各项污染指标均达到国家规定的污水排放标准。

江汉油田；钻井废水；纳米TiO2

工业废水特别是石油钻井废水，这类废水含有许多对人体有害的物质，如酚类、芳烃及其衍生物、重金属等，种类繁多，污染环境，危害人体健康，因而各国政府都对钻井废水的处理和排放提出了严格的要求，为此研究者提出了相关处理方法[1-6]。下面，笔者利用纳米TiO2作为光敏半导体材料催化氧化处理工业污水，实现回收利用或达标排放，取得了良好的社会和经济效益。

1 试剂与仪器

1.1试剂

硫酸亚铁铵；重铬酸钾；浓硫酸；30%双氧水；硫酸银；硫酸汞；FeSO4·7H2O；硫酸铝；硫酸铁；氯化铝、氯化铁；邻菲啰啉；纳米TiO2。以上药剂均为化学纯。

1.2仪器

JJ-1精密增力电动搅拌器；FA-N/JA-N电子天平；pHs-3C精密酸度计；COD125 测定仪；AQ2010浊度仪；高速离心机；紫外灯。

2 结果与讨论

2.1钻井废水水质分析

由于钻井废水种类繁多，成份各不相同，选用江汉油田钻井废水作为处理对象，其水质分析结果如表1所示。

表1 钻井废水的水质分析结果

注：①本标准采用《污水综合排放标准》GB8978-1996[7]。②COD:化学需氧量。③SS:悬浮物。

从表1可以看出，该油田钻井废水的各项指标均超标，需要进行处理。

2.2钻井废水的预处理

1)酸化 取水样加入H2SO4调节pH值分别为1、2、3、4和5，搅拌后倒入量筒静置沉淀，取上清液测COD和色度，结果如表2所示。从表2可以看出，pH值为3比较合适。

表2 酸化处理结果

2)中和 取经酸化至pH值为3的水样加入NaOH,调节pH值为8，搅拌后倒入量筒静置沉淀，取上清液测得结果如下：COD为2360mg/L；色度为140倍(棕黄色)；浊度为33.4。

3)钻井废水的混凝处理 将等量150mg/L混凝剂FeCl3、Al2(SO4)3、AlCl3、Fe2(SO4)3分别加入4个干净烧杯中，再在每个烧杯分别加入100ml经过预处理的钻井废水。用配制的硫酸溶液调pH值，搅拌30min后静置60min，待分层后取上层清液测定COD，测试结果如表3所示。

表3 混凝剂的筛选试验结果

由表3可以看出， AlCl3对钻井废水的混凝效果明显优于其他混凝剂，故选择AlCl3为混凝剂。

2.3纳米TiO2深度处理钻井废水

1)TiO2投加量对COD去除率的影响 取6份100ml经预处理后的钻井废水，在300W紫外灯光照射下，光距为80mm，用NaOH溶液和H2SO4溶液调节废液的pH值到4左右，在反应时间为60min的条件下，分别加入不同量的TiO2，结果如表4所示。

表4 TiO2投加量对COD去除率的影响

由表4可知，随着TiO2用量增加，钻井废水COD去除率越来越大，在用量为200mg/L时，在一定时间内COD去除率可以达到 68.19%；但当TiO2用量大于200mg/L时，钻井废水COD去除率不再增加，反而降低。其原因是当TiO2投加量增加到一定程度时，过量的催化剂反应会造成散射，再加上催化剂相互间的掩蔽作用，使得有效光子产率降低，导致光催化降解率下降。因此，确定纳米TiO2的适宜用量为200mg/L左右。

表5 初始pH值对COD去除率的影响

2)初始pH值对COD去除率的影响 取6份100ml经预处理后的钻井废水，在300W紫外灯光照射下，加入TiO2200mg/L，光距为80mm，反应时间为60min的条件下，用NaOH溶液和H2SO4溶液调节废液的pH值，COD去除率如表5所示。从表5可以看出，当溶液的pH值为4时，钻井废水COD去除率最大。因此，初始pH值以4为宜。

3)光催化氧化反应时间对COD去除率的影响 取6份100ml经预处理后的钻井废水，考虑到废水中加入纳米TiO2后光照反应时间对COD去除率的影响，在300W紫外灯光照射下，加入TiO2200mg/L，用NaOH溶液和H2SO4溶液调节废液的pH值在4左右，光距为80mm，反应时间分别为10、30、60、80、100和120min(见表6)。从表6可以看出，随着反应时间的增长，钻井废水COD的去除率逐渐升高，在100min时，去除率上升的幅度很大，这表明在100min时反应已基本完成，因而光催化氧化反应时间以100～120min为宜。

4)光强对COD去除率的影响 取6份100ml经预处理后的钻井废水，光强以光距(即光源距反应装置的距离)来表示。在300W紫外灯光照射下加入TiO2200mg/L，用NaOH溶液和H2SO4溶液调节废液的pH值在4左右，反应时间为100min,调节光距为20、40、60、80、100和120mm(见表7)。

表6 光催化氧化反应时间对COD去除率的影响

表7 光距对COD去除率的影响

从表7可以看出，当光距为40mm时钻井废水COD去除率明显提高。当光距大于80mm后钻井废水COD去除率开始降低，说明光强太大或太小都不适于污水中有机物降解。因此，光距取40～80mm较为合适。

3 处理后的水质分析结果

江汉油田钻井废水在经过纳米TiO2的深度处理后的水质分析结果如表8所示。从表8可以看出，各项污染指标均能达到国家规定的污水排放Ⅱ级标准。

表8 纳米TiO2处理后的钻井废水水质分析结果

4 结 语

江汉油田钻井废水成分复杂，各项污染指标严重超标，对其处理可采用酸化、中和、混凝和TiO2光催化处理。通过室内试验确定了TiO2光催化处理钻井废水的适宜条件：纳米TiO2的适宜用量为200mg/L左右；初始pH值以4为宜；光催化氧化反应时间为100～120min；光距为40～80mm。结果表明，经过上述条件处理后的该油田钻井废水各项污染指标均能达到国家规定的污水排放Ⅱ级标准。

[1]范崇政，肖建平，丁建伟.纳米TiO2的制备与光催化反应研究进展[J].科学通报,2001，46(4):256-273.

[2]罗菊仙，赵中一.半导体多相光催化氧化技术在环境保护中的应用研究进展[J].中国地质大学学报，2000，25(5):536-541.

[3]杨合，马兴冠，赵苏.光催化技术在废水处理中的应用[J].环境保护科学，2004，30(2):9-11.

[4]刘真.井下作业废水处理的试验研究[J].油气田环境保护，2000，10(4):19-21.

[5]王春梅.TiO2光催化性能及在水处理中的应用[J].南通大学学报(自然科学版)，2005，4(1)：28-31.

[6]吴斌,王松,喻霞,等.纳米TiO2处理油田压裂废液研究[J].长江大学学报(自然科学版),2009,6(4):N179-181.

[7] GB8978-1996,污水综合排放标准[S].

10.3969/j.issn.1673-1409(N).2012.09.017

X741

A

1673-1409(2012)09-N049-03

2012-06-24

王松(1964-)，男,1985年大学毕业，教授,现主要从事油田化学方面的教学与研究工作。

[编辑] 李启栋