基本信息
- 项目名称：
- 新型油田污水净化处理剂——功能化纳米磁流体的开发与应用
- 来源：
- 第十二届“挑战杯”省赛作品
- 小类：
- 能源化工
- 大类：
- 科技发明制作A类
- 简介：
- 针对我国油田采出液含水量大、残余油及悬浮物含量高，而常规水处理剂净化效果不佳、絮体沉降速度慢的现状，探索开发了一种高效除油去浊的新型油田污水净化处理剂——功能化纳米磁流体。利用磁性粒子的纳米效应辅助破乳除油；进行表面功能化修饰，增强絮凝能力；利用其强磁性，借助磁分离器实现絮体快速分离。对磁流体进行中试生产，并应用于胜利油田污水净化过程中，相比常规水处理剂其加药量更少，处理速度更快，水质有大幅提升。
- 详细介绍：
- 该作品通过大量实验研究，研制开发了一种新型油田污水净化处理剂—功能化纳米磁流体，并进行中试生产试验，在胜利油田现河采油厂草西联合站实现油田污水净化处理工业应用，其净水效果和处理效率较传统水处理剂有很大提高。 我国各大油田的采油联合站内层层林立着大大小小的污水分离，油田采出液中的大量污水在这里经絮凝处理后分离沉降。然而由于三次采油聚合驱的广泛使用，使得采出液中残留有大量的高分子聚合物，而这减缓了污水在絮凝处理过程中絮体分离沉降的速度，并提高了残余油的乳化和细化程度，而更难被清除。污水只有经过多级沉降、长时间静置后才能达到回注水质标准。然而在每日污水处理量超过70万吨的胜利油田，这种传统的重力沉降方法已显得捉襟见肘。因此开发一种新型的净水处理剂，提高污水水质和处理效率成为当务之急。 针对这一问题，我们撇开传统的重力沉降方式，选取分离效率更高的磁分离技术。通过调研发现，有利用工业磁粉进行污水处理的报道，然而由于磁粉的颗粒度较大，重力作用较强，很难再污水中均匀分散，而且其絮体吸附能力较弱，水处理效果不佳。由此，我们设想开发一种新型油田污水净化处理剂—功能化纳米磁流体，即将磁性颗粒细化至纳米级别，并在颗粒表面进行功能化修饰，使其具有一定的除油去浊能力，同时将其稳定分散于水中，形成“溶液”，从而更易于在油田污水中有效分散，达到深度净化的目的。 在这一想法的指导下，相继完成了磁流体合成条件的优化和表面功能化的选择，探讨了制备功能化纳米磁流体的影响因素，提出了“反滴加-共沉淀法”的制备工艺，并对磁流体进行性能表征分析。最终将其应用于油田污水净化过程中，实现污水中残余油、悬浮物含量快速降低、絮体高效分离的目的。随后，我们对磁流体进行中试生产，将产品应用于胜利油田现河采油厂草西联合站，在三个月的运行期内，设备运转平稳，水处理效果良好，除油率一直保持在99%以上，悬浮物含量降至5mg/L以下，水质完全达到回注地层A级要求，且絮体沉降分离速度快，提高了处理效率，增大了净水容量。
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作品专业信息
设计、发明的目的和基本思路、创新点、技术关键和主要技术指标
- 1. 作品设计、发明的目的和基本思路 目前，各大油田的采出液含水量逐年攀升，以胜利油田为例，其含水量高达90%以上，油田污水日处理量达70余万吨。而三采驱油过程有大量聚合物残留增强了油水乳化程度，加大了污水处理的困难。常规水处理剂在此体系中絮体沉降缓慢，效果不佳。因此，开发一种能够高效除油去浊的净水处理剂成为亟待解决的问题。对此我们设想选取材料领域研究热点——功能化纳米磁流体，利用其磁性纳米粒子的高表面能进行辅助破乳除油；并对其表面进行功能化修饰，强化其絮凝能力；利用其强磁性，借助磁分离器，高效去除污水中的残余油和悬浮物，有效解决油田含聚污水絮凝沉降困难的问题，从而达到污水深度净化效果。 2. 创新点 优化功能化纳米磁流体的合成方法，提出“反滴加-共沉淀法”的工艺，所得产品粒度更小、磁性更强，性能更稳。 将磁流体应用于油田污水净化处理过程中，利用其纳米特性及表面功能较好地解决了目前油田污水处理中除油难、絮凝慢的问题。 3. 技术关键和主要技术指标 以共沉淀法制备磁性纳米粒子，控制其粒度在10-20nm，饱和磁化强度为50-67emu/g，且具备良好的超顺磁性。 利用磁流体进行油田污水净化，使悬浮物含量降至3mg/L，除油率在95%以上。利用磁分离装置将磁性絮体快速分离。 在胜利油田进行磁流体中试生产，并将产品应用于草西联合站，三个月内设备运转平稳，除油率保持在99%以上，悬浮物含量降至5mg/L以下，水质达到回注A级。
科学性、先进性
- 科学性、先进性： （1）在磁流体制备过程中，改进其合成路径，提出“反滴加-共沉淀法”的制备工艺，较常规方法磁流体性能有了显著提高：较“正滴”而言，“反滴”所得磁流体的粒度更小，仅为43nm；其磁性更强，可达51emu/g；且其性能更为稳定，放置一个月后仍然稳定悬浮，颜色乌黑发亮。 （2）针对现有絮凝剂对油田污水处理效果不佳的现状，添加功能化纳米磁流体强化其净水效果，利用磁性粒子的纳米效应辅助破乳除油；对其进行表面功能化修饰，增强絮凝能力；利用其强磁性，借助磁分离器实现絮体快速沉降分离，最终实现油田污水的深度净化目的。 （3）通过对处理后的污水进行水质分析，其油含量仅为1mg/L左右，除油率可达96%以上，悬浮物含量降至5mg/L以下，洁净程度已符合回注和排放标准要求。较常规水处理剂相比，除油率提高14个百分点，悬浮物由128mg/L降至3mg/L，净水过程所耗时间减少三分之二，大大提高了处理量和净化效率。较工业磁粉处理水质有明显改善，且相对磁粉添加量减少85%，大大节约了处理成本。
获奖情况及鉴定结果
- 该作品系国家大学生创新性实验计划项目研究成果，2010年结题答辩评定为优秀。 2010年9月在大连理工大学参加第三届全国大学生创新论坛，对项目进行展示交流。 2011年获本校第十二届“挑战杯”大学生课外学术科技作品竞赛特等奖。 发表论文： 包覆Fe3O4纳米粒子的制备及其在油田污水处理中的应用初探，《油田化学》，2010,27(3):328-332. 基于反滴加-共沉淀法的水基Fe3O4磁流体制备及性能表征，《中国石油大学学报（自然科学版）》，2010，34(6):136-140.
作品所处阶段
- 中试阶段
技术转让方式
- 无
作品可展示的形式
- 实物、产品； 图片；
使用说明,技术特点和优势,适应范围,推广前景的技术性说明,市场分析,经济效益预测
- 1.技术特点与优势： （1）制备方法简便，条件易于控制。 （2）磁流体性能优越且性质稳定，便于存放。 （3）大幅提升处理水质，减少净水药剂用量。 （4）絮凝沉降速度快，设备运转效率高。 （5）原料价格低廉，操作条件温和，易于规模化生产，具有巨大的经济效益。 2.适用范围： 可用于各油田经初步油水分离后的采出液污水净化处理，尤其是含聚合物较多、常规水处理剂处理效果不佳的油田污水。同时，也可用于其它类型污水的絮凝沉降过程，通过加速絮凝分离，达到增强净水效果、提高处理效率的目的。 3.市场分析和经济效益预测： （1）各油田采出液污水量日益增多，且水质越来越差，因此对新型净水剂需求量十分巨大。 （2）磁流体的制备工艺简单，规模化生产易行。净水过程可实现连续化操作，磁分离系统能够加快分离沉降，提高生产效率，增大油田污水处理量。 在保证处理水质达标的前提下，磁流体的加入使得传统水处理剂的加药量减少九成以上，相比工业磁粉，加入量也减少85%，其经济效益十分可观。
同类课题研究水平概述
- 1. 油田污水净化处理现状 目前各大油田均以注水为主要开发方式，其中大部分水随原油一起被抽回。这部分水经初步油水分离后仍含有近1000mg/L的乳化原油和大量的固体悬浮物，需要对其进行深度净化处理后才能够继续回注至油层或排放。 油田污水的处理依据油田生产、环境等因素可以有多种方式。国内主要通过物理法、化学法、生物法和综合法对其进行处理。物理法处理主要包括重力分离、离心分离、过滤、蒸发等，此方法对处理设备要求高，净化时间较长，且处理效果并不理想。化学法主要是通过絮凝法进行处理，即在污水中加入一定量的絮凝剂，对悬浮物进行有效的沉降分离。生物法是近些年来新兴的一种方法，这种方法利用微生物或细菌对污水中的某种杂质进行分解，从而达到净化的目的，但是其处理量较小，且针对性较强，难以对油田污水进行全面净化。 2 传统污水净化用絮凝剂 油田所常用的絮凝剂主要有无机高分子絮凝剂和有机高分子絮凝剂。其中无机聚合铝类絮凝剂的应用最为普遍，它通过铝离子水解形成正电离子络合物，与污水中带负电的泥土胶粒静电吸引而聚合成团形成絮体，在重力作用下絮凝沉降。这种方法对常规水质污水处理效果很好，但由于污水中聚合物含量的增多，其加药量不断提高，处理能力逐渐减弱。而有机高分絮凝剂加药量少，絮凝速度快而逐渐被广泛关注，但它易在污水中发生分解或残留，难以从水中除去而造成二次污染。 3 纳米磁流体制备方法 磁流体是指磁性超微粒子经表面活性剂包裹，高度分散在载液中形成的稳定胶体溶液。它将固体的强磁性和液体的流变性巧妙地结合起来，受到国内外的广泛关注。磁流体的合成与制备方法种类很多，其中对共沉淀法、水热合成法、微乳液法及溶胶-凝胶法等研究较为深入。共沉淀法是目前使用最普遍的方法之一，它的生产设备简单，反应条件温和，原料价格低廉，工艺流程短，易于工业化生产。水热合成法能够直接得到结晶良好的磁核且磁性较强，但其产量受条件限制，较难实现规模化。微乳液法是利用反相微乳作为反应器进行反应，反应得到的磁流体中磁性颗粒的尺寸要较常规方法小，且粒度分布均一，但这种方法的条件难于控制，成本也较高。溶胶-凝胶法是近些年来发展起来的用于制备纳米材料的一种新工艺。这种方法能够保证严格控制化学计量比，易实现高纯化，并且其产物粒径小，分布均匀，分散性好，但其工艺条件还不成熟，规模化生产有一定困难。
