超声溶剂萃取法处理含油污泥的研究

孟玉花 ,赵朝成,刘其友,张秀霞

(中国石油大学(华东)化学工程学院,山东青岛266580)

超声溶剂萃取法处理含油污泥的研究

孟玉花 ,赵朝成,刘其友,张秀霞

(中国石油大学(华东)化学工程学院,山东青岛266580)

以新疆克拉玛依的含油污泥为研究对象,先后在超声条件下通过有机溶剂萃取和表面活性剂水洗的方法对其进行综合处理。结果表明:在处理温度为55℃、超声强度为320 W、处理时间为5 min、溶剂比为7.5 L·g-1的最佳条件下,有机溶剂石油醚萃取处理后含油污泥的剩余含油量降为6%;在处理温度为55℃、超声强度为320 W、处理时间为11 min、溶剂比为15.0 L·g-1、p H值为5的最佳条件下,十二烷基苯磺酸钠-OP-10(1∶1)处理后含油污泥的剩余含油量仅为0.6%。

含油污泥;超声;有机溶剂萃取;表面活性剂水洗

含油污泥颗粒普遍带有负电荷,多数颗粒之间相互吸引,使含油污泥形成一个相对稳定的悬浮液系统。含油污泥的成分复杂,通常由水包油、油包水以及悬浮固体组成,此外,由于粘度高,含油污泥难以脱水。目前,含油量高的污泥一般经溶剂萃取技术或其它物理、化学和生物方法进行处理,可使污泥的含油量降低,达到外排标准或实现农业回收利用[1]。超声处理含油污泥作为一种新兴技术,具有高效、快速的特点,受到了广泛关注[2]。

溶剂萃取法以“相似相容”原理选择合适的溶剂作为萃取剂,萃取技术的关键是找到一种性价比较高的萃取剂,将原油从含油污泥中回收。溶剂萃取法可以更彻底地处理含油污泥,回收大部分原油性物质,还可以从含油污泥中分离出宝贵的碳氢化合物,并且使固体和半固体的含油污泥量减少[3]。然而,溶剂萃取法仍处于实验室阶段,由于萃取剂价格昂贵,且在处理过程中存在一定的损失,所以萃取法处理成本高,不利于实际炼油厂含油污泥的处理。表面活性剂的分子结构具有两亲性:一端为亲水基团,另一端为憎水基团,在溶液的表面能定向排列,并使表面张力显著下降[4]。表面活性剂由于其特殊的结构和性质,可以很大程度地提高难溶有机物在水相中的溶解度,故可利用表面活性剂水洗含油污泥[5]。

作者以新疆克拉玛依的含油污泥为研究对象,先后在超声条件下通过有机溶剂萃取和表面活性剂水洗的方法对其进行处理,并优化了萃取条件和水洗条件。

1 实验

1.1 材料

含油污泥样品:粘度高,含油量高(30%),含水率低(4%),采集于新疆克拉玛依风城油田。

1.2 方法

首先选用石油醚(沸程60～90℃)在一定的条件下对含油污泥进行萃取,然后选用十二烷基苯磺酸钠-OP-10[6](1∶1)混合液在一定的条件下对含油污泥进行水洗,通过单因素实验考察处理温度、超声强度、处理时间、溶剂比等主要因素对萃取效果和水洗效果的影响,优化处理条件。

1.3 石油烃的测定方法

石油烃浓度的测定依据GB/T 16488-1996《水质石油类和动植物油类的测定 红外分光光度法》进行。

将含有菌液的原油无机盐培养基转移至250 m L分液漏斗中,用1 mol·L-1的盐酸使其酸化至p H≤2,用20 m L环保专用CCl4洗涤三角瓶,洗涤液也加到分液漏斗中,然后加入2 g氯化钠破乳,充分振荡3 min后,静置5 min待其分层,将萃取液转移至一新的三角瓶中,用CCl4萃取,重复操作2次,合并3次的萃取液。将15 mm厚的无水Na2SO4(300℃烘干2 h)平铺于玻璃砂芯漏斗内,萃取液缓慢通过砂芯漏斗除去其中的水分,随后用真空泵将滤液抽至抽滤瓶中,用适量CCl4洗涤砂芯漏斗,洗涤液也转移至抽滤瓶中。将抽滤瓶中的滤液移至100 m L容量瓶中,用CCl4定容至刻度、摇匀。用OIL510型全自动红外分光测油仪测定石油烃含量,并计算剩余含油量[7]。

2 结果与讨论

2.1 超声强度的影响(图1)

由图1可以看出,超声强度越大,石油醚萃取效果和表面活性剂水洗效果越好,但当超声强度达到320 W后石油醚萃取效果和表面活性剂水洗效果的增加趋势均明显减缓,尤其是石油醚萃取效果变化非常小。这是因为,随着超声强度的增大,萃取剂的分子动能增加,但是达到一定超声强度后,超声强度不再是主要的影响因素,故增加趋势减缓。因此,选择石油醚萃取和表面活性剂水洗的超声强度均为320 W。

2.2 处理时间的影响(图2)

图1 超声强度对溶剂萃取效果和表面活性剂水洗效果的影响Fig.1 The effects of ultrasonic intensity on solvent extraction efficiency and surfactant washing efficiency

图2 处理时间对溶剂萃取效果(a)和表面活性剂水洗(b)效果的影响Fig.2 The effects of treatment time on solvent extraction efficiency(a)and surfactant washing efficiency(b)

由图2可以看出,处理时间越长,石油醚萃取效果和表面活性剂水洗效果越好;当处理时间超过5 min后,石油醚萃取效果增加趋势明显减缓;当处理时间超过11 min后,表面活性剂水洗效果增加缓慢。这是因为,随着处理时间的延长,污泥中的含油量越来越低,此时仍含有一部分难以萃取的石油组分,但是含量很少,即使延长处理时间,也难以将其萃取出来。综合考虑,选择溶剂萃取、表面活性剂水洗的最佳处理时间分别为5 min、11 min。

2.3 处理温度的影响(图3)

由图3可以看出,处理温度越高,处理效果越好,当处理温度为55℃时表面活性剂水洗效果达到最优,且55℃以后再升高处理温度溶剂萃取效果增加不明显。这是因为,随着处理温度的升高,污泥中分子的动能增加,萃取效率高,但处理温度达到一定程度后就不再是主要的影响因素。综合考虑,为降低能耗、提高效率,选择溶剂萃取和表面活性剂水洗的最佳处理温度均为55℃。

图3 处理温度对溶剂萃取效果和表面活性剂水洗效果的影响Fig.3 The effects of treatment temperature on solvent extraction efficiency and surfactant washing efficiency

2.4 溶剂比的影响(图4)

由图4可以看出,随着溶剂比的增加,石油醚萃取和表面活性剂水洗的效果均逐渐增强;当溶剂比超过7.5 L·g-1后,石油醚萃取效果变化不大;当溶剂比为15.0 L·g-1时,表面活性剂水洗效果最佳。这是因为,反应起始阶段污泥中容易被萃取的石油组分含量较多,随着溶剂比的增加,污泥中易萃取组分含量降低,萃取难度增大。从经济和环保方面考虑,溶剂比不宜过大,选择溶剂萃取、表面活性剂水洗的最佳溶剂比分别为7.5 L·g-1、15.0 L·g-1,含油污泥最终剩余含油量降为0.6%。

图4 溶剂比对溶剂萃取效果(a)和表面活性剂水洗效果(b)的影响Fig.4 The effects of liquid-solid ratio on solvent extraction efficiency(a)and surfactant washing efficiency(b)

2.5 p H值对表面活性剂水洗效果的影响

p H值对表面活性剂在水中的存在状态有较大的影响,进而影响到水洗的效果。利用盐酸和氢氧化钠调节p H值分别为4、5、6、7、8、9,考察p H值对表面活性剂水洗效果的影响,结果见图5。

图5 p H值对表面活性剂水洗效果的影响Fig.5 The effect of p H value on surfactant washing efficiency

由图5可以看出,p H值大于或小于5对表面活性剂的水洗效果均不利,p H值为5时的水洗效果最好。这与文献报道的碱性条件有助于油泥清洗的结论相悖[8],原因可能是两者处理的污泥种类不同和选用的表面活性剂不同:文献处理的含油污泥含水率在60%以上,呈泥浆状,主要依靠的是表面活性剂溶液对含油污泥体系的破坏能力;本实验采用的污泥含水率小于4%,萃取后的含油污泥结构松散,主要依靠的是表面活性剂对原油的溶解能力。碱性条件下溶液对污泥体系的破坏能力较强,酸性条件下溶液则具有较强的溶解原油的能力。因此,选择表面活性剂水洗的最佳p H值为5。

3 结论

采用超声溶剂萃取法对含油量高(30%)、含水率低(4%)的含油污泥进行处理:首先选用石油醚作为萃取剂超声萃取回收污泥中的部分原油,在超声强度为320 W、处理温度为55℃、处理时间为5 min、溶剂比为7.5 L·g-1的最佳萃取条件下,石油醚萃取后的污泥含油量降为6%;然后选用十二烷基苯磺酸钠和OP-10的混合液作为表面活性剂水洗液,处理石油醚萃取后的含油污泥,在超声强度为320 W、处理温度为55℃、处理时间为11 min、溶剂比为15.0 L·g-1、p H值为5的最佳水洗条件下,表面活性剂水洗后的污泥含油量降为0.6%。

[1] de Franca F P,da Silva L J,de Oliveira F J S.Treatment of oily sludges in soil——A field study[J].New Biotechnology,2009,25S (6):374-375.

[2] Xu N,Wang W X,Han P F,et al.Effects of ultrasound on oily sludge deoiling[J].Journal of Hazardous Materials,2009,171(6): 914-917.

[3] Zubaidy E A H,Abouelnasr D M.Fuel recovery from waste oily sludge using solvent extraction[J].Process Safety and Environmental Protection,2010,88(4):318-326.

[4] 方云,夏咏梅.两性表面活性剂概述:(一)两性表面活性剂概述[J].日用化学工业,2000,30(3):53-55.

[5] 张力文,戴宁,杨潇瀛,等.表面活性剂洗脱含油污泥中的机油[J].化工环保,2011,31(4):289-292.

[6] 王文祥,韩萍芳,吕效平,等.油田含油污泥超声脱油的研究[J].环境工程学报,2007,12(1):134-136.

[7] GB/T 16488-1996,水质石油类和动植物油类的测定——红外分光光度法[S].

[8] 高志农,许华东.青海油砂的物理化学特性[J].分析测试学报, 2002,21(6):1-4.

Research on Oily Sludge Treatment by Ultrasonic Solvent Extraction

MENG Yu-hua,ZHAO Chao-cheng,LIU Qi-you,ZHANG Xiu-xia
(College of Chemical Engineering,China University of Petroleum(Huadong),Qingdao 266580,China)

Using oily sludge from Karamay Oilfield in Xinjiang as research object,the treatment conditions were optimized for oily sludge with organic solvent extraction and surfactant washing under ultrasonic condition through the single factor experiment.When the oily sludge was extracted by petroleum ether under the optimum conditions as follows:treatment temperature of 55℃,ultrasonic intensity of 320 W,treatment time of 5 min,liquid-solid ratio of 7.5 L·g-1,the residual oil content decreased to 6%.And when the oily sludge was furtherly washed by SDBS-OP-10(1∶1)under the optimum conditions as follows:treatment temperature of 55℃,ultrasonic intensity of 320 W,treament time of 11 min,liquid-solid ratio of 15.0 L·g-1,p H value of 5, the residual oil content was only about 0.6%.

oily sludge;ultrasonic;organic solvent extraction;surfactant washing

X 741

A

1672-5425(2013)01-0068-03

10.3969/j.issn.1672-5425.2013.01.18

中央高校基本科研业务费专项资金资助项目(11CX06044A)

2012-10-12

孟玉花(1987-),女,山东潍坊人,硕士研究生,研究方向:固废资源化处理,E-mail:mengsusu123@126.com;通讯作者:赵朝成,教授,E-mail:zhao8021@sina.com。