含聚合物污水电化学处理中的气泡和油珠变化分析

任宛莉

（宝鸡职业技术学院 公共课教学部，陕西 宝鸡 721013）

含聚合物的污水处理对注聚油田的有效开发产生重要影响，通常在返出聚合物时，采油污水的乳化程度、黏附性提高，但油珠的粒径会变小，这也会导致油珠与悬浮物的乳化稳定性提升，给油水分离带来了困难[1]。正常状态下，含聚合物污水在经过处理后会注到地层，如果没有达到处理标准，会出现堵塞底层空隙的情况，使注水能力与油井产量大大降低。针对含聚污水，其乳化油珠通常是以微小颗粒的形式存在，并且存在微气泡，这些微气泡能够和油珠碰撞，使更多油珠碰撞在一起形成粒径较大的油珠。同时，在微气泡的作用下可以迅速上浮，有助于提升电化学除油能力。

为了观察处污效果，需借助分形理论，该理论主要是用以描述、计算相对粗糙且不规则客体性质的手段。分形维数主要是阐述分形结构的参数，能够定量说明颗粒的空间填充状态及不规则性质。因此，应用形态原位识别技术对电化学处理期间的气泡及油珠变化进行呈现，观察气泡和油珠的黏附、聚集、分布特点，在展开微观研究期间，合理判断电化学处理除污效果[2]。

1 实验部分

1.1 研究对象

研究对象为含聚合物污水，且污水乳化程度较高，应用常规方式很难实现快速脱稳，处理较困难，在油污水中存在相关的残余聚合物。

1.2 实验试剂和仪器

石油醚，由天津福晨试剂提供。紫外可见分光光度仪，北京普析通用仪器有限责任公司；直流稳压电源，意泽电气有限公司；乳化机，上海弗鲁克流体机械制造有限公司；电化学反应器，自行设计（包含电极板、蠕动泵、集水管、电极板、光源等）。

1.3 电化学除油过程

电化学处理含聚合物污水过程如图1所示。

图1 电化学处理含聚合物污水过程示意

应用电化学处理期间，电极板材料为惰性钛材，装置以透明材料为主，通过直流电源带动，在电极板表面会出现气泡，主要为生成氢气和氧气所致，并且在气体带动下逐渐上浮[3]。在利用外加电场对其处理期间，能够破坏污水中的乳化油珠，促进乳化油的聚集并形成较大的油珠，有助于从水中进行分离。正常状态下，形成气泡的密度低于水的密度，气泡会开始上浮，在上浮阶段又会和油滴进行碰撞，使油滴的粒径逐渐变大，在提升油珠上浮速度的过程中，又能够加强除油效果[4]。

1.4 电化学除油工艺

1）将含聚合物污水添加到电化学反应器中，按照反应器的容量大小，添加至规定容量。

2）准确设定污水在反应器中的时长，按照时间设置，可依从10、20、30 min 等执行动态处理。合理调节对应电流值在4～8 A 之间，应用分析软件，将录像截屏频率设定在1 次·s-1，在执行中将水温控制在60 ℃左右。

3）保持静态时间30 min 后开始执行动态处理过程。

4）获取经过不同时间动态处理的污水进行取样，按照规范化操作进行处理，利用分光光度法测定污水中的油含量。

5）使用石油醚对最初污水和处理后的污水进行萃取，并借助分光光度仪测出含油量，比较两者差值和原始含油量的比值。

2 结果与讨论

2.1 动态处理期间气泡和油珠的形态特点

使用形态学分析可观察气泡与油珠的变化，借助微观分析对其产生过程、变化情况进行研究，可以为油珠颗粒聚集以及优化电化学处理含聚合物污水工艺提供帮助。在观察气泡形态分时变化期间，发现通过电化学处理，生成氧气和氢气，气体在水中形成气泡，并且气泡的大小主要和上升浮动的速度有关[5]。动态处理期间气泡和油珠上浮示意如 图2所示。

图2 气泡和油珠上浮示意

一般来讲，对于直径低于100 μm 的气泡，主要呈现出球形状态，直径在1～10 mm 之间的气泡，其形状主要为椭圆形。观察发现，当输出电流控制在6 A、停留时间达到30 min 时，气泡粒径在60.7～68.1 μm 之间，处于微小气泡范围内。当气泡的分形维数控制在2.06 时，电化学处理过程中气泡的粒径不会发生显著变化。在属于微气泡状态下，能够使气泡黏附油珠周边，展现出气浮效果。

2.2 处理过程中气泡与油珠的相互作用

电化学处理含聚合物污水时，属于动态变化的过程，该阶段气泡和油珠间会形成碰撞、黏附，并且整个浮升体系是在气体、液体、固体共同作用下构建起来的，三者相互聚集的大小属于油水分离的关键过程[6]。气泡和油珠黏附进而浮升的条件：首先，两者要具有大致相同的运动轨迹，并且发生存在有效接触；其次，在气泡和油珠接触的同时，必须克服粒子间的相互作用，消除静电斥力、范德华力等影响，最终保证气泡和油珠能够实现有效碰撞，两者通过黏附聚集在一起；同时，在浮力的作用下气泡和油珠的共聚体会逐渐上升，最终实现油水分离的过程。

从微观层面出发，在电化学处理下，水力动力学斥力能够阻挡油珠和气泡间的彼此作用，多数油珠会散步在气泡周边区域，在此条件下气泡和油珠进行黏附[7]。随着电化学处理过程的推移，油珠也会在气泡的带动下进行积累，这能够为油珠的上浮分离创造条件。

2.3 气泡和油珠对除油效果的影响

在电化学反应条件下，电极部位会有微小气泡产生，出现的微小气泡粒径大小存在差异，并且在不同阶段气泡的上升速度并不相同。总体而言，粒径相对较小的微气泡上升速度更为缓慢，由于其表面积较大，通常更容易捕获到较小的油珠颗粒，而粒径较大的微气泡上浮速度更快一些，不太容易黏附在油珠周围，又比较容易破裂，对气浮作用产生影响，通常会干扰除油效果[8]。观察发现，如果将输出电流控制在4 A，在此条件下气泡的当量直径越小，其除油效果会更加明显。此外，在污水停留时间低于20 min 时，气泡当量直径会大于57.32 μm，如果将污水停留时间延长，获得的气泡平均当量直径会降低，并且除油率将呈现出上升趋势。因此，上述结果表明在输出电流较低的情况下，如果保持较长的停留时间就能够产生更多的气泡，在此条件下气泡和油珠碰撞的概率增加，借助气浮作用的影响，除油效果更佳显著。

在观察油珠变化对除污效果影响时，按照斯托克斯沉降定律，油珠在水中进行上浮的速度和油珠直径的平方成正比[9]。正常状态下，颗粒较大的油珠和气泡发生碰撞进而黏附的概率较大，更有利于形成共聚体微粒，这也能够提升油珠的上浮速度[10]。反之，若是油珠颗粒相对较小，其被气泡捕捉的概率会降低，整个过程浮升速度也会变慢，很容易影响到除污效果。研究发现，在将输出电流控制在4 A 时，动态停留时间会对油珠间的集聚产生影响。如果将动态处理时间进行延长，油珠粒径也会逐渐变大，同时，伴随着污水在电解槽中停留时间的延长，不同油珠间的碰撞概率会变大，促进了油珠的聚集现象。在将动态停留时间控制为10～20 min 时，整体上油珠形态变化较小，形成的聚集颗粒较小。如果将动态停留时间延长到25～30 min 时，最终形成的油珠形态差异较为明显，且小颗粒更容易聚集成大颗粒，除油率会得到提升。上述结果表明，在输出电流较低的情况下，保持较长动态停留时间时能够提升除污效果。

2.4 电流大小对电化学除油效果的影响

通过调整电流的大小以及污水动态的停留时间，能够获得较好的电化学条件。结合此次研究过程，发现输入电流大小能够对油滴、气泡形态产生影响，且在较高电流状态下，如果降低动态停留时间，可以实现提升除油效果。在保持较低的电流条件下，如果能够适当增加动态停留时间，也能发挥出提升除油率的效果。

3 结 论

在使用电化学处理时，观察含聚合物污水处理期间气泡与油珠的变化，能够选择出最佳的除污条件。伴随着处理时间的延长，油珠颗粒会逐渐聚集而变大，对应的分形维数也会发生一定的变化。总体上气泡的分形维数保持在2.06 左右，在特定的停留时间期间，气泡分时的形态会变小。此外，电流也属于影响油珠气泡分形变化的因素之一，在较高输出电流条件下保持较短的停留时间或在较低的输出电流条件下保持较长的停留时间，均可获得较好的除油效果。