基于碳基吸附剂对油田含油污水处理的探讨

吴 健

上海环境物流有限公司

1 引言

通常情况下，处理水域污染采用吸附法，通过对水中残存的微量污染物进行吸附，实现净化水源。吸附剂运用范围较广，比如溶解性有机物、脱除重金属、除臭、脱色等。吸附法在使用过程中，以离子交换或膜分离的方式进行预处理，或是在二级处理之后进行深度处理。在对水源进行处理时，吸附法具有较明显的优点，比如适用范围广泛、可回收有用无聊、重复使用、处理效果较好，去除其他方法难以处理的大分子有机污染物等，所以目前在水处理领域上，吸附法有着极为重要的作用。

2 油田含油污水及其处理方法

油田在开发期间会产生油田采出水、洗井污水以及钻井污水，这些都会导致含油污水的形成，而油田采出水是污水形成的主要原因。原油开采的同时会出现采出水，然后会随着原油一起被输送到集输系统中，所以含油污水的含油量受到地质、集输条件、脱水技术等因素的影响。虽然水质各有不同，但是从整体上看，油田含油污水通常具备下列性质。

第一，污水中所含油量较高。通过分析化验结果可以得出，通过与各种各样的水质标准进行对比，污水中所含油量仍然高于其他各项指标。学界普遍认为，油田含油污水从物理形态上来说大体可以分为四类：乳化油、机械分散态油、游离态油以及溶解油。

第二，矿化度高。通常情况下，油田含油污水的含盐量至少是1000mg/L，矿化度过高会大大缩短管路的使用寿命，并且会加大污水生化处理的难度。在聚驱采油时，采用清水来制作浓度为1000m/L的聚合物溶液，其黏度比用高含盐量制作的浓度为1000mg/L的溶液要高60%。油田含油污水的矿化度由阴离子和阳离子的总量来表示，阴离子有CO32-、HCO3-、Cl-和SO42-，阳离子有Na+、K+、Ca2+和Mg2+。

第三，含油污水中的微生物的数量也较多。含油污水中最为常见的集中微生物包括腐生菌、铁细菌以及硫酸盐还原菌等。大量存在的微生物对于油田含油污水的影响可谓弊多利少。它们的存在不但会使水质受到极大影响，水中的悬浮物也会呈增加态势，而且也会严重腐蚀厂区的设备管线。此外，如果采油时采用的是聚驱的方式，那么聚合物在微生物的催化下，会发生生物降解，不利于聚合物的驱油效果最大化。

3 吸附法对油田含油污水处理的应用实践

在水处理上，吸附法是经常被人们采用的方法，其主要作用是去除水中含有的少量污染物，在需要对水进行脱色、除臭、去除重金属等处理的时候就可以采用这种方法。吸附法不仅能够当作处理工作的第一步，为离子交换、膜分离等工作打好基础，也能够当作最终的处理方法，确保处理效果。

3.1 碳质吸附剂

（1）活性炭。这是一种非常常见的吸附剂，当下全球有50%~60%的活性炭被用作吸附剂，包含了粒状、纤维及粉状活性炭。由于活性炭的比表面积较大，微孔非常多，所以有着较强的吸附力，可以吸附大量的杂质，在吸附水中的油时还可以吸附大量的有机物，通常情况下，能够吸附30mg/g~80mg/g的油。但是活性炭是难以再生物质，使用成本较高，所以通常情况下都是在深度处理时才会使用活性炭。调查显示，使用活性炭能够有效去除水中的所有油质以及25%~45%的COD。

（2）膨胀石墨。膨胀石墨的取材来源为天然的鳞片石墨，其加工方式包括插层、水洗、干燥以及高温膨化等流程，最终所得到的是一种以疏松多孔为主要特点的蠕虫形状的物质。该种物质从其结构活性上来说主要包括以下四方面的特点：网状孔型结构较为发达、比表面积较高、表面活性较高、孔隙结构以大中空为主。正是由于这些特点，使得膨胀石墨表现出明显的疏水亲油性。这一大特性也使得其在水中拥有较强的选择性吸附功能。而且其这一功能所适用的范围也很广，不论是单纯的油品还是在水上漂浮的油品，都可以充分发挥选择性吸附的功能。此外不可忽视的是，它对水中的重油更是表现出超强的吸附量。据此前相关报道，膨胀石墨对于A级重油的最大吸油率达到了惊人的80g/g，并且其回收率也高达80%。

（3）煤基吸附剂。作为自然界中少有的天然吸附剂，煤的内部具有较多的孔隙结构，且含有多种含氧官能团，煤表面的酚羟基官能团与羧基酸使得煤具备改性性质。因此煤和类似的材料都可用作吸附剂，对于水资源的处理，煤的性能决定了它的为。褐煤作为一种燃料效果较低的煤，十分适合用于水处理。将1mm的褐煤放置于温度达到105℃~110℃的真空环境之中，放置半个小时再转移到温度280℃~340℃的环境之中，将褐煤本身的挥发性消除后再经过处理，制成0.5μm~100μm大小，混合在表面活性剂与硅石粉之中，从而制成褐煤吸附剂。这种吸附剂可将水中油分有效吸附。采用半焦对含油污水进行深度处理，研究后发现，半焦在改性后可将污水中油分有效消除，且达到90%多的去除率，可作为采油回注水继续使用。

3.2 黏土类吸附剂

（1）膨润土是以蒙脱石为主要成分，在特定的条件下，会发生膨胀并且最终以层状结构呈现出来的矿物质。该种矿物质的主要成分为碱土金属以及少量的碱。其层状结构上的优点在于结构完整、有序度较高、层与层之间的黏合度也较高、在比表面积上的和离子交换容量也较大。正是由于它的这些优势，所以膨润土以及其相关制品在离子交换性、可塑性、黏性以及吸水性上都很高。再加上膨润土价格低廉、储量却又非常丰富，因此它在当前的污水处理领域市场应用前景十分广阔。不计其数的学者把膨润土作为基础矿物质合成了众多有机或者无机的膨润土复合型材料。

（2）蛭石，是一种结构单元层以两个硅氧四面体和一个镁氧八面体为主，以层状镁硅酸盐作为呈现形式的非金属矿物。以B.N.奥西波夫为代表的众多学者以蛭石与膨润土为比较对象，结果显示蛭石的阳离子交换容量是1.0mg/g~1.5mg/g，比膨润土要大。在环保领域，蛭石能够起到吸附污水中杂质及有害物质的作用，这种吸附剂的成本较低，能够有效吸附杂质，并且蛭石是一种可再生资源。由于蛭石具有絮凝性，所以可以依据需要将其处理成各种形态，方便人们使用。

（3）凹凸棒石。作为一种具有水富镁硅酸盐的黏土矿物，凹凸棒石自身结构、形态较为独特，层链状晶体以及0.01μm×1μm的棒状，纤维状晶体形态，因此比表面积较高，且吸附性能良好，其在环境当中可轻易获得，价格相对低廉。凹凸棒石从天然矿土上获得，因此杂质较多，必须进行预处理才可使用，常见的改性方式有热处理、碱处理以及酸处理。凹凸棒石在加温之后结构变成高度多孔的干草堆，因此表面积与孔隙度变大，具有更高的吸附性能。

3.3 碳基吸附剂活化改性的应用实践

材料的化学性质与表面物理结构决定了碳基吸附剂的吸附性能，在制作过程中，首先要活化改性，改变表面积与孔隙结构，同时要贴合吸附质的化学性质，改变表面化学性质。

吸附剂和吸附质的表面是吸附作用进行的主要场所，吸附剂的物理结构有比表面积、孔径、孔容等，这些物理结构决定了吸附剂的吸附性能。在物理结构中，孔隙结构是非常重要的，其比表面积、孔隙大小和孔径分布情况都对吸附性能有着非常重要的影响。所以，改变碳基材料的物理结构能够让其具备更多孔隙结构，这样能够大大提升其吸附能力，有着关键性意义。

（1）关于碳基吸附剂从表面物理结构入手可进行活化改性的方法。制备碳基吸附剂的关键方法就是活化改性。而现有的两种方法分别为气体活化和药剂活化。

药剂活化指的是在原材料中加入诸如ZnCl2、H3PO4等适量的药剂，其次再进行进一步的升温炭化和活化的方法。由于Zn Cl2等药剂本身所具有的脱水功能，因此由原料中的氢氧分子会以水蒸气的形式蒸发掉，最终多孔性的炭得以形成。如果想要进行进一步的回收，那就必须在烧成物中加入HCl。此外，这一方式还可去除掉吸附剂中的可溶性盐类。药剂活化法的优点在于成本低，固碳率高。恰恰是因为这些优势，药剂活化法被行业内广泛采用。

气体活化法的前提条件是使用成型后的炭化物，在高温条件下，将其与CO2、水蒸气等类似的气体进行接触，再进一步利用这些火花气体进行水煤气反应，最终达到去除挥发性的有机物质，使得微孔愈加发达的目的。活性炭的吸附性能极易受到活化温度的影响，当其温度保持在1150℃以下时，进行升温处理会使得其吸附容量大幅度地增加；但是当其温度高于1150℃时，进行升温处理则会起到反作用。

（2）碳基吸附剂表面化学性质的活化改性方法。表面化学性质指的是表层的化学官能团，作为活性中心，化学官能团直接影响着吸附剂的表面化学性质以及化学吸附。

氧化改性就是在一定的环境下，用强氧化剂来处理碳基吸附剂的表面官能团，这样能够增加吸附剂表层的含氧酸性基团，进而加强吸附剂吸附极性物质的能力，这样一来就能够有效提升其处理污水的能力。其中，经常使用的氧化剂有HNO3、H2SO4、HCl、HF等。当下，利用强氧化剂来增强吸附剂吸附极性物质的能力成为人们关注和研究的重点。然而，在提升吸附剂表面极性的同时，也提升了吸附剂的亲水性，这样一来，该吸附剂就不能用来吸附以疏水性为主的污染物。

还原改性指的是使用还原剂对碳基吸附剂进行表面官能团的改变，将其含氧碱性基团进行提升，改善表面非极性，提升吸附性能。部分学者提出，碳基吸附剂表面所含的碱性是无氧的Lewis碱表面，在高温之下，使用惰性气体N2、H2处理获取含有较多碱性基团的吸附剂。这种吸附剂表面拥有更多疏水性基团，因此降低与水的亲和力，更容易吸附污水当中的有机物。

4 油田含油污水的方法及处理途径

油田含油污水的处理途径一般有三种：热采锅炉给水、外排和回注。

4.1 用作热采锅炉给水

因为当前原油的储存量越来越少，稠油的开采成为人们当前关注的重点。蒸汽吞吐法是稠油开采中最为常见的方法之一。通过此方法开采出来的稠油中所含有的蒸汽冷凝水较为丰富，并且在分离之后，还会形成大约80℃的热采污水。随着所产出的水量的逐渐上升，导致对于回注水处理的工作超负荷运转。尤其在排放污水时，对于其所进行的净化处理也是必不可少。与此同时，吞吐采油工作对热采锅炉给水的需求量较大。所以，假如可以把污水进行处理后供给到吞吐采油工作中，就能够实现经济、环境双收益。依据《热采锅炉用水》（SY0027—1994）的标准，将稠油污水进行相应的处理，然后供给到热采炉中，重点处理对象是污水的硬度SiO2、悬浮物和油。

4.2 采出水外排

目前在扩大开发油田时，产生了越来越多的含油污水，但是大部分油田已然步入高含水期，其中百分之九十以上的含油污水都已经过处理，进行回注使用，但是油田含油污水外排只增不减。在近几年越来越多的人关注到含油污水外排导致的环境污染问题，虽然外排量因此降低，但达标率却极低。比如胜利油田，有70×104m3的日产污水量，以及6×104m3的外排污水量；孤岛采油厂每年要外排450×104吨的污水，但外排污水当中只有20%的达标率。显而易见，含油污水是否能达标排放是当前要解决的难题。

4.3 用作回注水

当前，我国拥有的油田基本上已经迈入了二、三次采油时期，使用的是注水开发方法。假如将油田含油污水进行深度处理，然后将其注回油田或者混合清水注入油田中，这样不但能够满足油田开发的需求，还能够有效节约水资源，符合可持续发展的原则，实现了经济、环境双收益。在20世纪60年代末，我国首座含油污水处理回注站已经投入使用，当前各个污水处理中心都已经具有一定规模。然而，由于当前的原油中含水量在持续上升，需要回注的水越来越多，对水质的要求也越来越高。从此能够发现，在处理污水时，应当要重点掌控好油、悬浮物及悬浮物大小。

综合以上论述，尽管处理污水的方法有很多，但是不管什么样的方法都不是完美的。含油污水含有种类较多的杂质，并且难以去除，污水排放量不断增加，同时对排放的要求也在不断提高，所以，使用传统方式来净化污水是无效的，在处理污水过程中，应当要综合使用几种方法，增强处理的效果，让污水达到排放标准。除此以外，当前污水处理向着降低用水及排水量、提升污水循环利用率的方法发展，提升处理污水的技术，研发出效果好、耗能低的处理方法。从此能够发现，传统的处理污水的办法已经不能满足其发展的需要，必须要加快新方法及新材料的研发进度。

5 结语

对于含油污水中所表现出来的油的特性，本文主要是以半焦和褐煤作为原材料，通过高温焙烧活化、高压水热活化、ZnCl2活化等方法制备出所需的碳基吸附剂。在评判过程中采用静态与动态两种吸附手法对吸附剂具备的吸附除油性进行测验，在对不同情形之下的吸附出油性能进行调查后，总结出具备有效性的吸附出油条件以及碳基吸附剂制作环境。总而言之，在研究吸附剂具备的吸附出油性能之后，在多种表征手段中重点考察吸附剂表现的化学性质对于出油性能产生的作用；同时深入研究吸附剂的再生能力，对再生过程中采取的数据进行考察，从而研制出更为高效、简便的再生手法。