社会经济的发展以能源为依托,石油作为最重要的化石燃料之一,其使用量日益增加。在石油工业开采、炼制、储存、运输过程都不可避免产生大量油水混合物,无论是从环境角度或是能源利用角度,都要求对油水混合物进行有效的分离。除此以外,在食品领域也会产生大量的油水混合物,迫切需要高效的油水分离技术。

    油水混合物可分为含油污水(水多油少,Oil in Water)以及含水污油(油多水少,Water in Oil)两大类,其中含油污水中油的存在形态可分为四种:

    (1)浮油,油滴粒径一般大于150μm,形成连续相油膜漂浮在水面,油水混合物中大部分油以该形态存在;

    (2)分散油,油滴粒径介于20μm至150μm,悬浮分散在水中;

    (3)乳化油,油滴粒径小于20μm,在水中呈乳化状态;

    (4)溶解油,油滴粒径仅几微米,溶解在水中稳定存在。同样,含水污油中水的存在形式与之类似,分为游离水、乳化水以及溶解水。

    膜法油水分离技术膜法油水分离技术是近二十年内发展起来的一种新型分离手段。其原理是利用特定表面性质以及特殊孔结构的多孔膜实现油或水的选择性渗透,与过滤操作类似,属于物理分离方式。油水混合物的状态决定了膜材料以及膜过程的选择,以含油废水的分离为例,混合体系中水占主体,膜表面大部分与水接触,因此亲水疏油的膜更适合用于分离该体系。若油水体系中油滴大部分为浮油和分散油,一般选择孔径介于10μm ~100μm的微孔膜;若需要分离体系中的乳化油,则需要选择膜孔更小的超滤膜,在加压的操作条件下有利于破乳和油滴的凝聚。对于油多水少的情况,亲油疏水的多孔膜变得更加合适。

膜法油水分离的特点在于:

    (1)可根据混合体系性质合理选择不同孔径、材料的多孔膜,分离过程无相变发生;

     (2)无需药剂的投加,避免二次污染的产生;

     (3)操作成本低,能耗少;

     (4)分离效率高。但膜分离法也存在一些缺点需要改进,例如膜材料的热稳定性、耐腐烛性的提高以及膜污染处理和规模化应用等。

    一般情况下,单独使用膜分离技术不能很好地满足实际情况中油水分离的要求,需要将膜分离技术与传统方法联用,例如重力分离与膜法联用、微滤膜与超滤膜联用等。

    膜法油水分离技术发展最初阶段,主要以高分子膜材料的研究为主,常用的亲水高分子聚合物包括乙酸纤维素、聚酰胺以及聚酸砜等,疏水高分子聚合物包括乙稀基聚合物和芳香族聚合物等。近年来,无机陶瓷膜制备及应用研究迅速发展,陶瓷材料能承受高温高压的操作条件,耐腐蚀性强,使用寿命长,在油水分离领域显示出良好的应用前景。

    多孔陶瓷分离膜由于其良好的稳定性和优异的分离效率,在科研领域以及工业生产领域受到了人们广泛的关注。为降低陶瓷膜成本、优化膜结构、扩展应用领域,开发新型高效的膜制备方法、准确全面的膜表征手段以及合适的膜表面修饰技术变得尤为重要。GTM硅碳膜作为目前使用最广的无机膜,具有机械强度高,硬度大,耐化学腐烛性好等技术优点,且成本低廉,本文选用大庆金浦瑞环保科技有限公司用作油水分离的GTM硅碳作为膜材料,根据科学研究以及分析，得出以下结论:

     (1)降低陶瓷膜制备成本。本论文采用传统流延成型/挤出成型技术结合相转化原理,一步制备了平板膜以及中空纤维状氧化招多孔陶瓷膜,制备的陶瓷膜具有典型的非对称结构(支撑体层+功能层)。与多步逐层制备法相比操作简单、易于规模化,且孔结构优异。论文具体研究了相转换工艺参数(裝料固含量、初始粉体粒径)对膜结构的影响。

     (2)多孔陶瓷膜结构全面表征。经图像处理技术,对非对称平板膜内部不同位置的孔结构进行了分析,得到了孔径大小,孔隙率等结构参数;并采用SR-CT成像技术在三维尺度对膜内部孔结构进行了重构,得到了孔径、孔密度沿膜厚度方向的分布,以及内部孔道的三维连通性和曲折因子,其他二维方法难以实现。

    (3)扩展多孔陶瓷膜的应用范围。陶瓷材料由于表面轻基多为亲水性,制约了陶瓷膜在水处理等领域的应用,本论文采用氟桂院修饰手段,将陶瓷膜表面进行了疏水改性,获得了疏水、超疏水氧化招多孔陶瓷膜。该部分研究按以下先后顺序展开:

    首先,使用不同的陶瓷材料和氟硅烧种类,通过TG、IR、XPS等表征手段研究了疏水材料与陶瓷基底的结合方式。

    其次,研究了疏水层的热稳定性、耐溶剂性,并采用微波辅助手段促进修饰反应的进行,优化了疏水层修饰工艺。

    **,研究了疏水氧化招多孔陶瓷膜在膜蒸馏海水淡化、油水分离方面的应用,并制备了抗污染超疏水表面。在膜蒸懷海水淡化应用方面,论文针对不同构造的膜采用不同的膜蒸饱方式(平板膜DCMD,中空纤维膜VMD),具体研究了料液温度、盐浓度对膜通量的影响,以及普通疏水膜与超疏水膜抗污染性能的比较;在油水分离应用方面,针对水多油少和油多水少两种混合体系,分别采用亲水膜和疏水膜研究了油水分离性能。