含油废水常用的处理方法及超疏水材料的应用

鞠春红

(黑龙江省科学院 石油化学研究院,哈尔滨 150040)

含油废水是一种数量庞大的污染物,主要来源于石油、食品加工、机械冶金等工业及交通运输、纺织、医药等领域[1-2],会污染水体,对环境造成破坏,如在水面上形成油膜,致使水体缺氧,导致水生动植物无法正常生长,从而破坏水生生态环境。含油废水对土壤、生物的危害也较大,因此急需研究出安全、节能、环保的油水分离方法。

1 含油废水常用的处理方法

根据油、水物理及化学性质的不同及混合状态的差异,人们已研究出多种油水分离方法,主要包括重力分离法、离心分离法、真空脱水法、化学脱水法、吸附脱水法、膜分离法、聚结分离法等[3-12]。

1)重力分离法[4-5]又称密度差分离法,利用油与水的密度差与不相溶特性,油水混合物在重力作用下实现分离。分离时,一般使油水混合液处于静置状态,因油脂密度低于水,浮于水上,略作沉淀后,利用机械进行液位分离即可。重力分离法主要是利用重力作为分离动力,但由于需使用除水罐、除水池等大型设备,油水分离耗时长,设备投资大,影响了该方法的经济效益。

2)离心分离法[6]是把油水混合液装入高速旋转的特定容器中,因油与水有密度差异,高速旋转的油与水因离心力不同而分离。这种方法最早应用于液-固体系,目前此方法的分离效率不到50%,还需进一步提高。

3)真空脱水法[7]是利用同一温度下油水混合物中水的饱和蒸汽压比油的饱和蒸气压高的原理进行真空蒸馏,由于水的沸点较低会提前蒸发,从而实现油水分离。实际应用中一般是把加热到适合温度的油水混合物打进低压的真空腔,使水分蒸发成蒸汽,再用真空泵将水蒸汽抽出,从而达到油水分离的效果。此方法需要在真空条件下操作,要求较高,能耗高,效率低,难以适应发展需求。

4)化学脱水法[8]是在油水混合液中投加化学药剂等活性物质,使其与油中的水发生特定的化学反应,所产生的反应产物易于从油中分离,以此达到从油中分离水的效果。氢化钙、乙醇铝、氢化铝等均可以作为化学脱水试剂。化学脱水法需油罐、过滤器、反应器等大型设备,所用化学试剂成本较高,且会造成二次污染,限制了其应用。

5)吸附脱水法[9]是利用淀粉等亲水性介质对水分进行选择性吸附,将油水混合物中的水从油中分离出来,从而实现油水分离,能在很大程度上降低油中的水含量,但在实际生产应用中会遇到吸附介质的饱和量不高、更换及净化比较频繁、生产成本高等问题。

6)膜分离法[10]是采用具有选择透过性或特定孔径的多孔薄膜,这种薄膜对油、水的亲和度存在差异,在某种推动力的作用下使油水分离。膜分离法具有高效、节能等优点。但由于发展时间较短,现在制备出的油水分离薄膜的机械性能、分离速度、分离能力、使用寿命、抗污染能力等还远未达到工业要求,还需深入进行技术研发。

7)聚结分离法[11-12]分为预处理、聚结、分离3个步骤。预处理主要是去除油水之外的其他杂质,聚结过程是为增大油水液滴,分离是依据油和水在材料表面润湿性不同的原理,采用疏水亲油性滤网,利用滤网疏水和亲油的性质来实现油水分离。聚结分离法是一种高效率、低成本的油水分离技术,得到了广泛应用。

2 超疏水材料在含油废水处理中的应用

2.1 超疏水材料的表面特征

超疏水材料是表面具有润湿性的一种新型材料,其表面为特殊的微纳米结构,在这些结构上有低表面能物质,水很难附着在其表面。利用超疏水材料表面具有润湿性的特殊性能,可对油水混合物进行分离,以达到处理含油废水、净化水资源的目的。

液体与固体表面保持接触时会发生湿润,表面润湿性是指液体在固体表面的铺展能力[13],固体表面的化学组成及微观结构决定了其润湿性。表面润湿性在喷洒农药、喷涂油漆、矿物筛选等工艺中都有着广泛应用。

固体表面的润湿程度与接触角大小有关,接触角越小,液体对固体表面的润湿性越好,反之亦然。人们根据水对不同物质的润湿性及不同物质对水接触角不同的原理,将物质划分为疏水材料、超疏水材料、亲水材料、超亲水材料等。超疏水性是一种特殊的润湿性,当水滴在固体表面的接触角大于150°时(如图1),把这种表面称为超疏水表面[14]。超疏水现象即材料表面对水有排斥作用,水滴在超疏水表面可以发生自由滚动。

图1 液滴在固体表面表观接触角示意Fig.1 Diagram of the apparent contact angle of a droplet on a solid surface

2.2 应用前景

目前,超疏水材料得到了广泛应用,可利用超疏水表面处理含油废水。曹小平[15]使用铜、铁等金属材料制备了超疏水表面,姚建年[16]提出了溶液浸泡一步制备超疏水材料的方法,可一步构建粗糙表面和表面疏水性修饰。这些研究对制备超疏水材料具有较大贡献,推动了含油废水处理技术的发展。超疏水材料具有成本低、制备方式简易、制备材料环保等优势,在含油废水处理中具有广阔的应用前景[17]。

3 结束语

油水分离技术具有较高的油水分离率,但存在着成本高、步骤烦琐、操作困难等缺点,不适于实际生产。需研制新型油水分离技术,开发出成本低、制备方法简单、操作性好、安全有效的油水分离方法,解决不同环境下的油水分离技术难题。超疏水材料在处理含油废水时操作简单、分离效果好,因此具有广阔的应用前景。应针对含油废水成分复杂多变、影响因素众多的特点,进一步加强机理研究,建立通用的机理模型,促进其在含油废水处理中的应用与推广。