膜濾試驗比傳統的懸浮固相清除設備(如離心機和水力旋流器)更先進，因為傳統的固相清除設備對可清除的固相顆粒大小有一定限制，這就為處理工藝造成很多障礙。而膜濾試驗的分離範圍廣，從細菌到原子均可分離。研究了膜濾試驗的分離範圍，使之能夠清除所有懸浮固相，從而有效改變廢棄物組分，實現重複利用或回收。膜濾試驗的主要難點在於積垢，此項研究正在進行中。
基本介紹
- 中文名：膜濾試驗
- 外文名：Membrane filtration test
- 原理：固液分離技術
- 優點：適用性廣，重複利用
- 難點：積垢
- 膜濾模組：四種
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膜濾試驗
膜濾試驗比傳統的懸浮固相清除設備(如離心機和水力旋流器)更先進，因為傳統的固相清除設備對可清除的固相顆粒大小有一定限制，這就為處理工藝造成很多障礙。而膜濾試驗的分離範圍廣，從細菌到原子均可分離。研究了膜濾試驗的分離範圍，使之能夠清除所有懸浮固相，從而有效改變廢棄物組分，實現重複利用或回收。膜濾試驗的主要難點在於積垢，此項研究正在進行中。
膜濾試驗流程與設備
目前常用的膜濾模組有四種:管狀、板塊框架、螺旋狀和中空纖維隔膜模組。根據該技術對廢棄鑽井液或鑽井作業的適用性，對管狀和中空纖維構造的模組進行了研究，未研究板塊框架結構和螺旋纏繞結構的模組。研究中使用了兩種水基鑽井液:一種是現場提供的木質素磺酸鹽水基鑽井液，取自井場鑽井液池;另一種是鹽水鑽井液，根據鑽井液軟體設計的配方室內配製，加有模擬鑽屑。每種類型的鑽井液都用兩種隔膜模組進行試驗。
在管狀模組的試驗中，使用一種簡單的內置式過濾裝置，配置二氧化鈦蜂巢狀陶瓷膜，膜的平均孔徑0. 005μm，厚度305 mm，表面積0. 13 m2。用調節閥控制可透性膜壓(TMP)，用流量計測流速，從膜內返出的濾液再返回進料罐進行循環試驗。
用ZW-10 Zenon®裝置進行中空纖維隔膜系統的試驗，膜的標稱表面積0. 93 m2，標稱孔徑0. 04μm。配有一個空氣鼓風機，可以連續沖洗膜表面並可混合進料;配有微量泵，可利用後面罐的滲透性按一定時間間隔自動回流，還可以自動控制吸入速率。試驗程式是吸入一段時間後以較大壓力進行短暫回流，這有助於膜的孔隙暢通。
兩種試驗裝置的過濾範圍均為超濾，陶瓷模組的孔隙較細。每次試驗前後都按規定清洗膜，所有試驗和清洗程式的開始和結束階段均記錄濾液流量。
取自現場的木質素磺酸鹽水基鑽井液密度1. 20 g/cm3，固相體積含量10. 20%，漏斗黏度37s，水的體積含量92%。室內配製鑽井液的配方見表1，鑽井液密度1. 13 g/cm3，模擬固相的粒徑範圍為762～ 3 810μm，加有5%(體積分數)的模擬固相，模擬固相的粒徑分布可表征大多數鑽井液中的粒徑分布。進行膜濾試驗時的流量為61 L/min，相當於橫向流速3. 6 m/s，可透性膜壓為52～ 72 kPa，溫度保持在25～ 30℃ ，中空纖維膜的壓力保持在55 kPa。樣品必須稀釋20%，因為每組試驗都需要至少340 L樣品。用校準量筒和秒表手動測量兩種模組的過濾流量，以三次讀數的平均值作為最終測量值。用Hach- 2100P型濁度計測量樣品的濁度，用Microtrac S3000®型粒度儀測量粒度分布。測得的主要參數包括單位時間內流量、壓力、固相含量及過濾期間的溫度。以不同變數對該系統進行研究，以最佳化過濾效果，如改變膜的孔徑、系統參數、樣品的流變性等。以上為正在研究中的部分內容，其中變數的研究結果未作更多介紹，僅介紹對廢棄鑽井液進行隔膜過濾的可行性。
用管狀陶瓷膜和中空纖維膜兩種膜濾系統測試了現場水基鑽井液膜濾後流量隨時間的變化。試驗目的在於研究兩種膜濾系統對廢棄物的處理能力，即控制固相廢棄物的能力，這是本項研究的基本目標。試驗結果顯示約90 min後管狀陶瓷膜過濾的鑽井液流量達到峰值，2 h後流量降低至22%以下。Zenon裝置主要設計用於過濾海水，但不會影響評價中空纖維膜控制固相廢棄物的能力，由於鑽井液中的水被過濾，廢棄物被濃縮，固相會沉降到裝置的底部，在達到穩態過濾之前發現流量降低37%，這一過程持續大約90～ 120 min，達到穩態後流量的降低小於5%。
用固相含量測定儀測量發現，過濾前現場鑽井液的固相含量為10. 20%(體積)，而通過兩種膜濾系統後的樣品中不含任何固相。用粒度儀測定了樣品過濾前後及滲余物的粒徑分布，兩種膜濾系統中鑽井液過濾後的粒徑分布相似。過濾前的粒徑範圍大多在1～ 10μm範圍內，約有30%顆粒粒徑在11～ 100μm範圍內。樣品通過膜濾系統後的粒徑分布結果顯示，樣品中的固相大多被超細過濾，不存在固相微粒游離在滲透物中的情況。
測定了樣品的濁度。現場鑽井液過濾前的濁度為55 200 NTU，膜濾後，從管狀陶瓷膜過濾的樣品濁度為6. 86 NTU，從中空纖維膜過濾的樣品濁度為7. 44 NTU。令人驚奇的是，儘管孔徑相差10倍，但兩種膜濾後樣品的濁度相近。
用管狀陶瓷膜和中空纖維膜對室內配製的鑽井液進行了過濾試驗。製備了可模擬較大粒徑的固相顆粒並加入鑽井液中，模擬固相的粒徑範圍為762～ 3 810μm，比兩種膜的孔徑大得多。與現場鑽井液的膜濾試驗相比，室內配製鑽井液的流量較大，達到初始峰值後，中空纖維膜中4 h後的流量降低小於4%，管狀陶瓷膜中流量約降低7. 5%，未記錄中空纖維膜中的壓力升高值，管狀陶瓷膜中的壓力升高很小。測量了樣品過濾前和濾出液的濁度，過濾前樣品的濁度為1 670 NTU，樣品濾出液的濁度為1. 67 NTU。樣品濾出液的粒徑分布與現場水基鑽井液過濾後濾出液的粒徑分布相似，過濾前樣品的粒徑分布較大。
利用過濾後滲余物的體積、濾出液的體積和鑽井液的體積，就可以計算體積減少百分數。用管狀陶瓷膜過濾現場鑽井液時體積可減少61%，濃縮後的滲余物體積為鑽井液初始體積的39%，其餘為分離水;而使用中空纖維膜時，現場鑽井液的體積減少52%。室內配製鑽井液過濾後的體積減少量多於現場鑽井液:使用管狀陶瓷膜濾時體積減少約78%，使用中空纖維膜濾時體積減少約63%。
減少裝置中的結垢有助於維持裝置的過濾能力，因此對裝置進行了改進。方法之一是觀察回流對膜濾流量的影響，回流通常會迫使流體在短時間內以高於常規過濾的壓力反向滲透或充氣，這有助於疏通堵塞的孔隙，減小流動阻力。對於自然生成的污垢，回流比較有效;對於膜與過濾樣品間發生化學反應而生成的垢，需要對膜進行化學清洗。
研究認為，流量降低主要是由自然生成的垢(固相堵塞孔隙)而不是鑽井液與膜之間發生化學反應而造成的，至少在過濾的初期是這樣的。研究了管狀陶瓷膜過濾現場鑽井液時回流對流量的影響，所有試驗條件都與以前一致，不同之處在於以90 kPa壓力反向流動15 s。選擇120～ 180min之間的時間段進行試驗，因為在以前的試驗中觀察發現，都是在大致這一時間段發生流量降低。試驗結果顯示，回流後流量降低減緩，且180 min後流量增高至接近以前流量。這表明，如果該系統設計合理，進行合理的改進可減緩流量降低。
國內膜濾試驗發展現狀
膜濾試驗由於其處理精度高已成為目前世界上研究的重點，但價格昂貴，因此主要用於稠油和低滲透油田的采出水處理。國內在污水膜濾處理方面已開始起步，但尚未套用於廢棄鑽井液的處理。
東北大學利用微機控制技術和膜分離技術結合工藝研製開發了一套污水處理實驗裝置，提高了企業生產效率和管理水平。這套超濾膜污水處理裝置由工藝設備部分和微機控制系統組成，污水首先進行旋流除砂、濁度限制等預處理後才能進入模組裝置，模組工作一段時間後必須定期反衝洗，如反衝洗達不到規定的透量則要進行化學清洗，以保證系統的正常運行。經實驗證明該裝置基本達到設計要求，經過進一步實驗將更加完善。
中石化華東石油工程局針對蘇北低滲油藏開發了一套適應性較強的油田污水處理工藝，可實現油田有效注水，保證油田穩產。對常規處理系統進行了技術改造，整個系統採用微生物+膜工藝，整套工藝主要由污水預處理系統、冷卻系統、生化系統、膜處理系統以及污泥排放系統組成，其中微生物處理部分和膜處理部分是工藝的核心。處理前的水質表象為微黑，有臭味;經過微生物+膜過濾系統的處理，水質表象為透明，無味，水質的絕大部分指標都發生了顯著變化。蘇北的的低滲油藏台興油田，地層滲透率在0. 003～ 0. 1 mD(1 mD=1. 02× 10- 2μm2)之間，地層主要流動空間的喉道直徑在4～ 10 mm之間，華東分公司採用微生物+膜污水處理(MMBR)新工藝，滿足了注水水質的要求，迅速改變了該油田注水壓力持續上升的被動局面。通過實踐也發現，微生物+膜污水處理工藝也存在一次性投資大、系統動力消耗大等不足，還需要不斷完善。
