纳滤反渗透法处理油田采出水

孙国富 徐静莉 李大鹏 都昌盛 郝宏艳 许昌学院化学化工学院

传统的采出水处理方法包括重力分离法、气浮法、共聚法等。但这些技术都有着不利之处，例如重力分离法不能满足外排水要求、淤泥处理问题及操作费用较高等[1-2]。膜分离技术是近几年发展起来的能够用于油田污水处理的新技术，其中微滤、超滤、纳滤和反渗透等膜技术在采出水处理方面具有无可比拟的优越性：①应用范围广（适用于海上和陆地的原油开采）；②膜是截流各种物质的有效屏障，因此进水质量的变化对产水质量影响较小；③不需要使用化学药剂；④可以用于选择性废物料循环工艺；⑤膜设备占地面积小，能量消耗低，自动化程度高。

高分子膜和无机陶瓷膜常用于油田采出水处理，本研究主要采用高分子纳滤膜和低压反渗透复合膜进行采出水处理，主要原因是：①高分子膜具有价格优势，比陶瓷膜便宜，但是不能用于高于50℃的场合，尽管采出水的温度一般高于50℃，但是之前要经过其他工段进行处理，因此到膜入口时一般温度已经降到50℃以下；②许多研究人员认为微滤和超滤比较适合采出水的处理，但由于采出水主要是除盐，因此相比较而言，纳滤和反渗透膜更适合采出水处理回用。

本次研究采用两种陶氏公司生产的商业膜NF90、NF270和低压反渗透膜BW 30膜，考察不同商业膜的渗透通量。膜的性质见表1。

表1 膜的性质

1 实验

实验采用去离子水（DI水），以及三种自配的采出水PW1、PW2和PW3作为进料。水样在有氧条件下保存。采用滴定法对钙、镁、钠、钾进行分析，未分析阴离子的含量，采用HACHDR2800分析硅，同时测量了水样中TOC、TDS及电导率。水样指标见表2。

表2 水样指标

所使用的膜由聚酯支撑网、多孔的聚砜内层及最上面的超薄聚酰胺涂层构成。使用前用1∶10∶9的硫酸、乙醇、去离子水混合液清洗膜12 h[4]，这样处理过的膜称作预处理膜。实验采用Milipore公司生产的YT30 142HW机，整个过程采用死端过滤。膜的直径140mm，进料通过通入到进料槽的氮气加压。进料体积500mL，实验在室温下进行。

实验压力为0.1~0.7MPa，一旦系统压力达到需要值，开始计时，在该压力下运行60min，称重。之后在下一个压力下重复该步骤。为了确定DI水的清洁效果，在完成采出水的处理后，采用去离子水作为进料液进行实验。

为进料液的初始电导率；cf2

为渗透液的电导率。

2 结果与讨论

2.1 运行时间对水的渗透通量的影响

采用NF90膜，以DI水、PW1作为进料液，在室温、压力0.4MPa条件下，考察运行时间对水的渗透通量的影响。实验结果如图1所示。

图1 运行时间对水的渗透通量的影响

由图1可知，对于DI水，随着运行时间的增加，水的渗透通量几乎没有变化，保持平稳，说明膜表面没有被污染，总阻力保持一定。对于PW1，最初的几分钟内，水的渗透通量下降很快，之后缓慢下降趋于平稳。之后继续下降是因为滤饼形成和增长的结果，主要原因是实验过程中采用的是恒压死端过滤操作，开始时溶液中的某些粒子在膜孔内积累，导致膜孔堵塞，使总阻力增加，从而引起了通量的急剧下降；然后随着运行时间的增加，在膜表面形成了滤饼层，当滤饼层不再增厚，达到一个平衡厚度后，水的渗透通量开始保持稳定。

2.2 操作压力对水的渗透通量的影响

采用NF270、NF90和BW30三种膜，以PW1、PW2、PW3及DI水作为进料液，在室温、运行60min条件下，考察运行时间对水的渗透通量的影响。实验结果如图2、3、4所示。由图2、3、4可以看出，对于这三种膜而言，在一定压力范围内，去离子水和采出水的渗透通量与压力呈线性关系。在相同操作压力下，三种进料液的渗透通量大小依次为PW2>PW 1>PW 3；在相同的进料液，相同操作条件下，三种膜的渗透通量依次为NF270>NF90>BW30，这是因为不同的膜孔径，截留分子量不同，其原始通量不同，在相同操作压力下，孔径越大渗透通量也就越大[5]。无论使用哪一种膜，无论何种进料液，对于死端过滤操作，水的渗透通量的变化趋势是一样的。随着操作压力的增加，水的渗透通量在0.1~0.7 MPa压力范围内呈增加的趋势。因此在一定压力范围内，提高操作压力对增加水的渗透通量最有利。这是因为纳滤是以压差为驱动力的膜过滤过程，增加操作压力提高了传质推动力，使得水的渗透通量增加。但是增加压力，会使能耗增大，对系统的耐压能力要求提高，从而使装置的成本提高[6]，因此实际操作过程中，应该综合考虑以便选择合理的压力。

图2 操作压力对NF90膜的水渗透通量的影响

图3 操作压力对NF270膜的水渗透通量的影响

图4 操作压力对BW30膜的水渗透通量的影响

2.3 DI水对膜清洗的影响

试验采用不同的膜，第一轮采用DI水作为进料液，第二轮采用不同的采出水作为进料液，第三轮采用DI水作为进料液，在室温，每轮运行60 min的条件下，考察了不同压力下，用DI水对膜进行清洗后膜的通量变化。实验结果如图5、6所示。

图5 PW2作为进料液DI水对NF270膜的清洗

图6 PW3作为进料液DI水对BW30膜的清洗

从图5和图6可以看出，当采出水PW 2和PW 3运行结束，再用DI水对膜NF270和BW30进行清洗后，膜的渗透通量均有恢复，但是并未能恢复到初始通量。在较低压力下，NF270膜的通量恢复较好，接近于初始通量，可能的原因是在较低压力下，短时间运行后纳滤膜上形成的滤饼未被压实的结果。如果在高压下操作，长时间运行，只有使用清洗剂才能恢复膜的通量到较好的水平。

2.4 不同膜的表观截留率

以三种采出水作为进料液，在室温（25℃），0.55MPa压力条件下运行20min，考察三种膜的表观截留率。渗透水的质量列于表3中。由表3可以看出，对于同一种膜，采出水PW1的表观截留率最高；膜BW30对三种采出水的表观截留率最高，这是因为该膜的孔径最小，截留分子量最低。在实际操作过程中，应该根据对产水的水质要求来合理地选择分离膜。

表3 三种膜的产水水质

3 结论

本研究采用三种自制的采出水PW1、PW2和PW 3，考察了三种商业膜NF270、NF90和BW 30在不同压力、运行时间和DI水清洗后水的渗透通量变化及三种膜的表观截留率。在一定压力范围内随着操作压力的增加，三种膜的渗透通量都呈增加的趋势。NF270在室温、压力0.7 MPa下，PW1、PW 2和PW 3的渗透通量最高，分别为73.6、102.5和33.4 kg/(m2·h)；在室温、压力0.4MPa条件下，运行60min后，NF90膜的水的稳定渗透通量为8.84 kg/(m2·h)；膜经过DI水清洗后，通量能够恢复到一定的水平；BW30具有较高的表观截留率。

[1]姜桂芳．浅谈油田污水处理技术[J]．油气田地面工程，2006，25（11）：24-25.

[2]车鑫，张亚娟．油田污水处理技术浅谈[J]．科技创新导报，2009，（1）：119.

[3]Chuyang Y． Tang， Young Nam Kwon etc..FoulingofReverseOsmosisand Nanofiltration Membranesby Humic Acid Effectof Solution Composition and Hydrodynamic Conditions[J]． J． ofMembrane Science，2007， 290（1-2）：86-94.

[4]A．Kulkarni，D．Mukherjeeetc.Flux Enhancementby Hydrophilization of Thin Film Composite ReverseOsmosisMembranes[J]． J．ofMembrane Science，1996， 114（1）：39-50.

[5]张正林，张振家．纳滤膜在饮用水处理中操作压力的确定研究[J]．供水技术，2010，4（5）：27-29.

[6]王湛，张新妙．操作条件对死端微滤膜通量的影响[J]．膜科学与技术，2006，26（1）：26-30.