三氯乙烯重质非水相液体聚结分离的实验研究*

赵 玮 李剑平 李诗豪 遆王强 曾贵禄 杨雪晶 吕树光

(1.华东理工大学机械与动力工程学院，上海 200237；2.华东理工大学资源与环境工程学院，高浓度难降解有机废水处理技术国家工程实验室，上海 200237；3.华东理工大学资源与环境工程学院，国家环境保护化工过程环境风险评估与控制重点实验室，上海 200237)

近年来，随着我国工业进程的高速发展，矿产开采、金属冶炼、石油化工等工业环节产生的煤焦油、重矿物油等，生物医药、基础生产所广泛应用的卤代溶剂/萃取剂的泄露和排放导致的重质非水相液体(DNAPL)污染问题日益加剧，是土壤和地下水污染的主导因素[1-3]。这类污染物可溶解土壤中的有机物，形成DNAPL的溶解性有机污染带，进入地下水环境后会对人体健康产生严重危害，可致癌、致畸、致突变[4-5]。鉴于这些危害，我国相继出台一系列政策法规和标准[6-8]，对工业场地污染修复中DNAPL的各类有机物含量做出了明确规定。据统计，三氯乙烯(TCE)为许多国家的工业污染场地地下水中检出率最高的有机污染物，高达36.00%[9-12]。因此，迫切需要开发污染场地地下水中TCE处理的新技术。

在污染场地修复技术应用方面，我国以异位修复技术为主。聚结分离法在异位修复中应用广泛，它是根据两相混合物中各相与聚结材料的亲和程度不同而进行分离的方法[13]2-6，具有分离效率高、能耗小、处理成本低、设备简单、占地面积较小、无二次污染等优点[14]。关于影响聚结分离效率的因素，刘丽艳等[15]采用自行设计的微通道纤维聚结装置验证了分离效率与油水乳状液初始含水量、流动速度有关；凌国华等[16]对纤维聚结分离流场数值模拟表明，纤维聚结模块的性能与流速、模块厚度、孔隙率等参数有关；LU等[17]利用润湿性不同的纤维编织层组合聚结分离器处理乳化复合离子液体烷基化反应产物，分离效率可达99.60%；DAI等[18]使用由不锈钢纤维和聚四氟乙烯(PTFE)纤维编织的填料来分离酸烃乳液，验证了填料特性和操作条件对分离效率的影响。综上，聚结分离效率与乳状液性质、聚结材料和操作工况等因素密切相关[19]。

本研究以TCE为模拟污染物，配置非均质介质TCE DNAPL，通过实验方法探究网状/颗粒状材料润湿性、流量、编织孔径、床层厚度和TCE浓度等主要参数对分离性能的影响规律。实验结果对工业场地DNAPL聚结分离器的设计、操作条件的选择具有指导作用，为实际DNAPL污染场地的修复提供参考。

1 材料与方法

1.1 实验流程

设计搭建聚结床层Φ100 mm×600 mm的聚结分离器，实验流程见图1。TCE和水的混合液由混合罐流出，经增压、计量后进入聚结分离器，与填充材料碰撞、接触后进行聚结分离，分离后的水和TCE分别经水相、TCE相视镜返回混合罐，完成循环过程。

1—增压泵；2—金属管浮子流量计；3—进口取样阀；4—聚结分离器；5—水相视镜；6—TCE相视镜；7—TCE相取样阀；8—水相取样阀；9—混合罐；10—控制柜图1 实验流程示意图Fig.1 Experimental flow chart

1.2 主要实验材料

模拟溶液为不同配比的水和TCE(纯度99%)的混合液。

聚结分离器内填充材料见表1，其中网状、颗粒状材料分别按缠绕成卷、自然堆积填入；网状材料均为“Ω”型编织方式。

表1 填充材料Table 1 The filling materrial

1.3 实验步骤

1.3.1 润湿性实验

在床层厚度为600 mm、TCE为5.00%(体积分数)、20 ℃、流量为60～120 L/h的条件下，对比考察①、⑤、⑥、⑨号和④、⑦、⑧号润湿性对聚结分离效率的影响。每次填充材料更换完毕后，待装置运行15 min对水相、TCE相出口采样，测量样品体积、质量，记录采样时间，分析TCE浓度。以下实验采样、记录等步骤无特别说明，与本节相同。

1.3.2 编织孔径影响实验

在床层厚度为400 mm、TCE为5.00%、20 ℃、流量为60～120 L/h的条件下，将①、②、③纤维填入聚结分离器，考察编织孔径对聚结分离效率的影响。

1.3.3 床层厚度影响实验

在TCE为5.00%、20 ℃、流量为60～120 L/h的条件下，控制床层厚度分别为200、400、600 mm，采用①号考察床层厚度对聚结分离效率的影响。

1.3.4 TCE浓度影响实验

在床层厚度为600 mm、20 ℃、流量为60～120 L/h的条件下，采用①号考察不同TCE体积分数(5.00%、10.00%、15.00%)对分离效率的影响。

1.4 TCE浓度分析方法

测量100 mL不同TCE体积分数(x，%)的混合溶液的质量(y，g)，拟合得到TCE体积分数与混合溶液质量的关系式(见式(1))，据此计算取样混合溶液中TCE体积分数。

y=0.463 3x+100.01，R2=1

(1)

1.5 接触角测量方法

接触角是表征液体对固体润湿程度的重要参数。用SL200B接触角测量仪(美国KINO公司)测量TCE和水分别对PTFE、PE、PP和不锈钢材料的接触角。

1.6 分离效率计算方法

分离效率(η，%)可由式(2)计算。

(2)

式中：Vw、Vi分别为水相出口、进口TCE质量浓度，kg/m3；Qw、Qi分别为水相出口、进口流量，L/h。

2 结果与讨论

2.1 润湿性对分离效率的影响

润湿性对分离效率的影响见图2。在同一流量下，网状材料填充的聚结分离器分离效率由高到低依次为①、⑤、⑨、⑥号。当流量为80 L/h时，①号具有最高的分离效率(96.71%)，相应水相出口TCE体积分数(0.21%)最低。接触角大小可表征材料的润湿性，接触角越大，表示材料润湿性越差[20]。TCE对PTFE的接触角最小(见表2)，可见PTFE润湿性最强，网状PTFE填充的聚结分离器分离效率也越高，相应水相出口TCE浓度越少。颗粒状材料填充的聚结分离器分离效率与网状材料基本一致，当流量为80 L/h时，④号具有最高的分离效率(94.47%)，对应水相出口TCE体积分数(0.19%)最低。对比①、④号可知，网状材料填充的聚结分离器分离效率比颗粒状材料高。因此，为提高分离效率，应选择亲分散相纤维作为聚结介质，在所选的材料中，网状PTFE具有最高的分离效率，是填充聚结分离器的优选材料。

表2 接触角测量结果Table 2 The result of contact angle measurement

2.2 流量对分离效率的影响

由图2(a)、图2(c)可见，分离效率随流量的变化曲线呈抛物线。当流量为60～80 L/h时，分离效率随流量的增加而升高，80 L/h时达到最高；当流量为80～120 L/h时，分离效率随流量增加而下降。分离效率主要与液滴和材料的碰撞概率、接触时间有关[13]22-34。当流量为60～80 L/h时，流量越低，混合液进入聚结分离器后与介质的接触时间相对延长，但低流量不足以提供液滴与聚结分离器后端材料接触的动力，不能充分利用聚结介质，使液滴与材料的碰撞概率降低，因此在该范围内碰撞概率是影响分离效率的主导因素；当流量为80～120 L/h时，随着流量的增大，单位时间内流过单位面积的混合液增多，碰撞液滴与材料表面间的液膜排液时间变短，液滴还未发生聚结黏附，就被周围流体带走流向下一单元，导致材料无法捕获液滴，从而出现分离效率先升后降的现象。

图2 润湿性对分离效率的影响Fig.2 The influence of wettability on separation efficiency

2.3 编织孔径对分离效率的影响

由图3可见，同一流量下，分离效率随编织孔径的减小而升高，编织孔径为0.3 mm、流量为80 L/h时分离效率最高为95.81%，其水相出口TCE体积分数(0.18%)最低。从液滴与网状材料碰撞的接触面积来分析，编织孔径越小，单位体积内网状材料与混合液的接触面积越大，液滴与床层碰撞黏附在网状材料上的概率增多，因此编织孔径越小，单位体积内网状材料的表面积越大，分离效率越高。

图3 编织孔径对分离效率的影响Fig.3 The influence of braided pore size on separation efficiency

2.4 床层厚度对分离效率的影响

由图4可见，同一流量下，随着床层厚度的增大，分离效率升高，水相出口TCE体积分数降低。流量超过80 L/h后，分离效率下降，床层厚度为200 mm时下降速率明显增大，分析这一现象的原因是：流量增加，流速升高，液滴停留时间变短，快速穿透床层，导致液滴不能与网状材料黏附；从液滴与网状材料碰撞面积来分析，单位体积内网状材料与混合液的接触面积一定，液滴与床层碰撞黏附在网状材料上的能力也相对限制，达到最佳分离效率后，即使更多的液滴流过，也不能黏附分离，所以呈现出较大的下降趋势。

图4 床层厚度对分离效率的影响Fig.4 The influence of bed thickness on separation efficiency

2.5 TCE浓度对分离效率的影响

由图5可见，分离效率随TCE浓度的减小而升高，TCE体积分数为5.00%时分离效率最高为96.71%；当流量为80～120 L/h时，TCE体积分数为15.00%时水相出口TCE体积分数增幅比5.00%时扩大；当流量为60～80 L/h时，分离效率都在90%以上。

图5 TCE体积分数对分离效率的影响Fig.5 The effect of TCE volume fraction on separation efficiency

3 结 论

(1)网状材料润湿性越强，聚结分离器的分离效率越高，相应水相出口TCE浓度越少。应选择亲分散相纤维作为聚结介质，网状PTFE具有最高的分离效率(96.71%)，是填充聚结分离器的优选材料。

(2)填充材料的分离效率随流量的变化曲线呈抛物线，流量为80 L/h时聚结分离器具有最高的分离效率。

(3)分离效率随编织孔径的减小、床层厚度的增大、TCE浓度的减小而升高。