无机钛金属膜的应用及污染机理研究

无机钛金属膜的应用及污染机理研究

郝佳佳

中石化胜利油田分公司纯梁采油厂山东滨州256504

摘要：本章针对樊家污水站钛金属膜过滤器运行存在的实际问题，开展了钛金属膜污染机理分析研究，通过对钛金属膜污染机理进行分析研究，确定了造成钛金属膜污染的堵塞的主要物质组成，对钛金属膜过滤过程及污染过程进行描述，并通过粒径分析得出了因粒径的不匹配性是造成钛金属膜污染的根本原因。

关键词：樊家污水站；钛金属；过滤

1樊家污水站现状

樊家输油站内污水处理流程如下：

1）污水回收流程：污水处理系统内处理构筑物的溢流、放空、反冲洗的含油污水排至污水回收池内，回收的含油污水通过污水回收泵提升至污水处理系统进行处理。

2）污油处理流程：污水处理系统处理构筑物回收的污油，通过收油管排放至已建污油池内。通过污油泵提升至油处理系统进行处理。

3）污泥处理流程：污水处理系统各处理构筑物排放的污泥通过排泥管排放至污泥干化场内，污水进入到污水回收池，污泥集中处理。现污泥量较大，污泥部分排放至已建污泥池内。

4）加药流程：投加药剂品种为缓蚀剂、阻垢剂、混凝剂、絮凝剂、除油剂，杀菌剂，其中缓蚀剂、阻垢剂、除油剂、杀菌剂投加在除油罐进水管路上，混凝剂、絮凝剂投加在SSF悬浮污泥床进水管路上。

5）污水外输流程：二级缓冲罐污水经污水提升泵提升后，进入金属膜过滤器内，处理后污水通过污水外输管线（钢管，DN150）输送至樊一注水站内。

2金属膜过滤器存在的问题

过滤精度有待突破、膜污染问题有待解决、过滤方式有待改进。

3钛金属膜污染机理研究

3.1钛金属膜污染机理分析方法

激光拉曼光谱、膜材料比表面积及孔径分布、场发射扫描电子显微镜（FESEM）、X射线能量色散谱（EDX）、GC-MS、悬浮物粒径中值及分布

3.2钛金属膜过滤机理

过滤后膜面表面形成一层质地均匀且细腻的褐色污染层，过滤孔径越小越细腻。也就是说，进水中的油滴颗粒依金属颗粒的形状很容易粘附在膜表面及孔隙通道内部，且容易聚集成更大的油滴，直至完全堵塞孔隙通道，严重恶化了膜的过滤性能。

固体颗粒粒径越小，越容易进入过滤介质内部，堵塞滤膜内的孔隙，使过滤通道减小。粒径中值较大的颗粒，容易在滤芯表面形成架桥，而阻止颗粒进入介质内部，形成绝对堵塞，有利于过滤过程的进行。

从过滤实验后滤膜与水分蒸发后滤膜的对比照片可以看出，膜片表面截留污染物中：油类聚集成团被截留；膜孔径越小，油类形成的团越小。固态膜面物质呈现的黄褐色是三价铁的颜色；表面物质呈细腻光滑状。

3.3扫描电镜（SEM）分析

新膜的表面较光滑平整，膜孔清晰可见。樊家污水站污染膜与清洁膜相比，膜表面污染比较严重，几乎所有的膜孔已经被堵塞。膜面上覆盖了一层使用后形成的凝胶层污染物，主要污染物以胶团形式存在于膜表面，可见油类，胶体和微生物是膜表面的主要污染物。可以预见，膜表面形成凝胶层的同时，污染物粒子也会进入膜孔。

3.4能谱（EDX）分析

将污染膜孔内进行能谱扫描分析，元素所占质量百分比见图2-10。选取的物质能谱图显示，其C、O元素的含量较高且，C元素百分比远较O元素高，因此极大可能是环或长碳链的有机物，因此该物质非常可能是被截留在膜孔中的石油类污染物。

因此，推断膜孔内污染物中，可能存在硫酸盐还原菌等细菌、油类及其它可溶性有机物、Ca、Fe的无机物及其可溶性Cl盐，SiO2的胶体和颗粒、金属硫化物等。

3.5色谱质谱（GC/MS）分析

从GC/MS检测出的53种有机物来看，膜上的主要污染物为含有一定长碳链的烃类衍生物，主要有烷烃、酯、烯烃、芳香烃、和少量的酚、酸、醛、酮等，而长碳链的烃类衍生物是原油中的主要物质组成，推断有机污染物中石油类物质是造成膜污染的主要成分。

3.6激光拉曼光谱分析

从拉曼光谱检测出的有机物来看，膜上的主要污染物包括正烷烃、叔硝基烷类、异氰酸酯类、硫酸烷基酯类、杂环戊烷、仲醇类、叔醇类、异硫氰酸烷基酯类、伯碘代烷类、烷基乙炔类、呋喃、脂肪腈类等原油物质，证明了膜的有机污染物同样是以油田采出污水中的石油类物质为主，是造成膜污染的主要因素，试验分析结果与GC-MS分析结论一致。

3.7钛金属膜堵塞机理分析

通过上述分析，确定了钛金属膜膜孔内污染物主要由钙、铁、镁等的硫酸盐、碳酸盐或碱式沉淀，SiO2胶体或颗粒，油类及其它可溶性有机物，细菌等组成。根据过滤机理分析，采用目前较为公认的1/3粒径堵塞原理，即过滤颗粒直径小于膜孔径的1/3时，认为可以通过膜孔径，过滤颗粒直径大于膜孔径时，认为过滤颗粒被膜截留，当过滤颗粒大于膜孔径的1/3、小于膜孔径时，容易造成膜的堵塞，结合钛金属膜污染机理分析，膜进水中颗粒物的孔径对于膜孔径的选择起决定性作用，否则容易造成膜污染和水质不达标的现象。

经过预处理后的污水中悬浮颗粒的粒径主要集中的300~450nm之间，因此，为了确保过滤水质达标，同时尽量减少颗粒污染物对膜的污染堵塞，膜过滤孔径的选择应小于100nm。

受加工精度的影响钛金属膜目前的精度只能达到500nm，樊家污水站采用的钛金属膜的过滤孔径为500nm，颗粒物孔径恰恰介于膜孔径的2/3左右，极易造成膜的污染和堵塞。

4小结

樊家污水站预处理工艺出水的污水中悬浮颗粒的的粒径主要集中的300~450nm之间。因此，为了确保过滤水质达标，同时尽量减少颗粒污染物对膜的污染堵塞，膜过滤孔径的选择应小于100nm。而目前钛金属膜加工精度只能达到500nm，颗粒物孔径恰恰介于膜孔径的2/3左右，极易造成膜的污染和堵塞，处理水质无法到Ⅰ级指标。

参考文献

[1]组合式折叠膜过滤器的结构优化与特点[J].邢书芳,胡春光,郭健.机电信息.2017(05).

[2]过滤器多次通过试验异常数据分析与诊断[J].庄海,梁圣伟,董锬.机床与液压.2014(07).