CN212262924U - 一种油水分离装置 - Google Patents
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Abstract
本实用新型涉及一种油水分离装置，包括：切换式膜分离组件，内部安装有油水分离陶瓷膜；水包油储罐和油包水储罐，分别用于存储水包油原料液和油包水原料液；水包油储罐连接于切换式膜分离组件中的油水分离陶瓷膜具有亲水性的水滴接触角的一侧；油包水储罐连接于切换式膜分离组件中的油水分离陶瓷膜具有疏水性的水滴接触角的一侧；在油水分离陶瓷膜的一侧的表面具有亲水性的水滴接触角，在油水分离陶瓷膜的其余部位具有疏水性的水滴接触角。膜切换式分离装置实现对“水包油”和“油包水”型乳化液的切换式分离，得到纯净的水相或油相。
Description
技术领域
本实用新型属于油水分离领域，具体涉及一种油水分离装置。
背景技术
水是维持人类生存不可或缺的资源，水的安全与我们的生活息息相关。随着社会和工业的迅猛发展，石油开采、炼油、制药、食品、皮革纺织等工业生产和运输过程中往往会产生大量的含油废水，已经成为全球性的重要污染源之一，严重威胁到生态系统的稳定性。含油废水来源十分广泛，其成分也十分复杂，如汽油、柴油、煤油、动、植物油等不溶性油类化合物。含油废水对人类生活环境和生态平衡有很大的危害，如污染水资源，对生态环境造成严重污染和破坏、污染水质，危害人类的身体健康、聚结的油品燃烧产生安全隐患等。
含油废水包含四种形式，根据油滴粒径的不同一般可以分为浮油、分散油、乳化油和溶解油，一般对于粒径较大的浮油和分散油较易处理，而对于粒径较小的乳化油和溶解油较难处理。传统的分离油水的方法有重力法、浮选法、吸附法、生物氧化法等。重力法：利用油水密度不同通过强大的离心力进行油水分离。这个方法对设备需求高，能耗大，且功能单一，无法处理水中有机污染物。重力法是通过利用油和水的密度不同及不能相溶原理，在油水分离装置中或是流动态或是静止状态下实现小油滴，悬浮物等杂质与水分离的物理方法。如中国专利CN205258165U、CN209797646、CN110384954A公布了利用重力法进行油水分离的装置及工艺。但该方法依然存在不利因素限制其实际应用，如只能处理分散油和浮油这类粒径较大的含油废水，而对于乳化油，溶解油则很难去除。仅凭借两相的密度差在重力的条件下进行分离耗时长、分离效率低、设备占地面积大。气浮分离法是在水中通入空气产生微细气泡，这些气泡进入水中后，在界面张力、气泡上升浮力和净水压力差等多种力的共同作用下，促使微细气泡粘附在被去除的油污和固体颗粒上后，因粘合密度小于水面而上浮到水面，从而使水中油污和固定颗粒被刮油装置分离去除。如中国专利CN109574116A、CN210163271U、CN210121354U公开了一种气浮油水分离技术，分离效果好，操作简单，工艺成熟。但上述专利虽然可以将溶解油、乳化油去除，不过存在无法对含油浓度过高的废水进行及时的处理，也存在回收的废油杂质过多无法回收利用的情况。吸附法：吸附法通常利用多孔材料丰富的孔隙结构对油滴进行物理吸附，具有工艺简单，回收效率高，绿色高效等优点，但大多数吸附剂的吸附容量相对较小，且使用和回收成本较高，后续再处理也较为繁琐。生物氧化法：生物氧化法利用微生物的代谢将有机物分解形成无污染的小分子有机物，但是处理效率也比较低，耗时长，难以适用于大规模含油污水处理。这些传统的处理污水的方法存在效率低、可能造成二次污染、能耗高、存在残留和无法有效分离乳化后的油水混合物等种种问题。
膜分离技术具有分离装置简单、易于操作运行、效率高、节约能源、应用范围广等优点，因此在处理各种油水混合物中受到了广泛的应用。
中国专利公开号CN103521095A公开了一种用于油水分离的管式陶瓷膜的制备方法，以三氧化二铝陶瓷膜管为基体，在陶瓷膜上涂覆聚含四氟乙烯或聚偏二氟乙烯的制膜液；然后通过烧结烘干的方法制备出疏水亲油的管式陶瓷膜；中国专利公开号CN110354701A公开了一种高耐污染油水分离超滤膜的制备方法，采用全氟碳表面活性剂Zonyl FSO进行改性制成大分子引发剂，利用原子转移自由基聚合方法合成含全氟基团的化合物，待制膜液成熟后采用非溶剂致相转化法制备油水分离超滤膜，提高了膜的相对通量恢复率，有利于降低膜分离过程的运行成本。上述改性剂都是通过含氟类化合物降低材料的表面能，存在污染环境，价格高昂和来源有限等问题。
中国专利号CN109173346A公开了一种具有光滑表面的油水分离膜的制备及其方法，将纤维膜和多孔膜组成的聚合物膜通过粗糙化和氟化处理得到具有二氧化硅粗糙结构的聚合物膜基底，然后将过量的润滑油灌注于聚合物表面的粗糙结构中，再将多余润滑油去除即得光滑表面的油水分离膜。该分离膜具有较高的分离效率，分离率；中国专利号CN110526337A公开了一种油水分离膜的制备方法，在棉织物上通过溶胶-凝胶法构建SiO2球状结构，继而利用固相偶联法将聚噻吩涂覆于表面后经洗涤干燥即得油水分离膜。制备方法简单易于操作，使棉织物具有疏油性质，分离效果佳。以上制备的油水分离膜适用于处理油包水乳液，不适用于分离水包油乳液
中国专利公开号CN110585930A公开了一种用于油水分离陶瓷膜的制备方法，以氮化硅陶瓷膜为基体通过活化、烘干、煅烧后浸入由环氧丙烯酸脂、紫草素、3-烯丙氧基-1,2-丙二醇等加入乙酸乙酯溶剂中搅拌均匀的混合液中改性，取改性后的陶瓷膜于UV灯下固化交联，洗涤干燥即得；中国专利公开号CN106861435A公开了一种用于油水乳液分离的聚丙烯腈仿生薄膜的制备方法，该方法以1mm厚的氧化铝陶瓷膜片为支撑体，将由聚丙烯腈粉制得的聚合物溶液刮至支撑体上，然后一并放入非溶剂中进行凝固浴得到超亲水/水下超疏油的仿生聚丙烯腈薄膜。以上制备的油水分离膜改性过程繁琐，处理水包油体系时得到的是水相，效率较低污染严重。
中国专利CN209338347U公开了一种油水分离装置，包括进水区、混合区、生物膜过滤区、油水分离一区、油水分离二区、出水区。该装置可以很好的去除污水中的乳化油，分离液态及凝结的动物脂肪和油脂，无需投加絮凝剂。中国专利CN210151034U公开了一种基于石墨烯膜的油水分离装置，包括筒体、旋转托盘、旋转动力机构及预热装置，该装置加热均匀，充分利用余热，可以很好的将原油中的水分分离开来。上述专利虽可以很好的解决油水分离问题但却不能在一个装置中完成两个分离任务。
随着化工设备向节能高效和多功能一体化方向发展，开展一机多能，多级一体化新设备成为当今发展方向。
中国专利CN109652117A公开了一种油水分离系统及分离方法的工艺。该工艺包括膜过滤系统、预分离系统、轻相分离系统和重相分离系统。轻相分离区和重相分离区可以实现油包水或水包油型物料的分离，具有效率高，设备简单等优点。该方法虽然即可以处理水包油乳液也可以处理油包水乳液，但中空滤芯需要根据体系的变化更换为亲油疏水材料或亲水疏油材料，步骤繁琐，在长时间运行过程中，膜污染也是一个严重的问题。
基于上述问题，亟需开发一种新型的油水分离工艺及装置，利用膜分离法的优势，同时结合离心沉降操作、冲洗操作、加热操作以实现对不同浓度的油水乳化液进行分离。
实用新型内容
本实用新型所要解决的第一个实用新型点是：现有的利用膜技术进行油水分离操作，大部分操作周期长，易污染，改性工艺复杂。为了克服现有技术的缺陷，需要制备润湿性能非对称结构的新型陶瓷膜。因此提供了一种既可以分离水包油体系得到水相又可以分离油包水体系得到油相的新型油水分离陶瓷膜的制备方法，在确保分离精度的同时，提高分离效率，增强抗污染能力，大大简化改性步骤。
本实用新型所要解决的另一个实用新型点是：提供一种新型膜法油水分离工艺及装置，分别设置加热装置、膜切换式分离装置、缓冲装置、冲洗装置和离心沉降装置，加热装置实现对油包水乳液的降粘度处理；缓冲装置、离心沉降装置实现油水乳液剩余液的回收利用；冲洗装置实现对分离膜的清洗，大大降低膜污染程度；膜切换式分离装置实现对“水包油”和“油包水”型乳化液的切换式分离，得到纯净的水相或油相。上述装置可以高效率的实现油水乳液的分离，及杂质的去除，工艺流程合理可行，装置设备简单易操作，运行稳定，对于油水乳化液中的油或水的截留率达99%以上。
本实用新型的第一个方面，提供了：
一种油水分离陶瓷膜，陶瓷膜的主体具有疏水性的水滴接触角，且在陶瓷膜的一侧的表面具有亲水性的水滴接触角。
在一个实施方式中，所述的亲水性的水滴接触角是指0-90°，所述的疏水性的水滴接触角是指91-180°。
在一个实施方式中，所述的陶瓷膜为片状或管状结构，并且平均孔径为0.5-5μm。
本实用新型的第二个方面，提供了：
上述的油水分离陶瓷膜的制备方法，包括如下步骤：
第1步，将多孔陶瓷膜浸入疏水化改性剂，进行改性反应；
第2步，将第1步中得到的多孔陶瓷膜的一侧进行亲水性改性，得到油水分离陶瓷膜。
在一个实施方式中，所述的多孔陶瓷膜陶瓷材料为氧化锆、氧化铝、氧化铈、氧化硅、氧化钛、莫来石、高岭土中的一种或其中几种的混合物。
在一个实施方式中，所述的第1步中的疏水化改性剂是指含有硅烷偶联剂的有机溶剂。
在一个实施方式中，所述的硅烷偶联剂是指八烷基三甲氧基硅烷、十三烷基三甲氧基硅烷或者十六烷基三甲氧基硅烷溶剂中的一种。
在一个实施方式中，有机溶剂为丙酮、乙醇或者己烷中的一种。
在一个实施方式中，硅烷偶联剂浓度为0.01mmol/L-0.15mol/L。
在一个实施方式中，所述的疏水化改性剂的制备过程是：将硅烷偶联剂溶于有机溶剂中，水浴加热至30-60℃，搅拌10-15个小时。
在一个实施方式中，改性反应参数是：加热至50-60℃，静置12小时以上。
在一个实施方式中，第1步中在改性反应后对多孔陶瓷膜进行清洗和烘干，烘干过程处理温度为80-180℃，处理时间为16-30h。
在一个实施方式中，第1步前，需要对多孔陶瓷膜进行预处理，预处理是指将多孔陶瓷膜浸入无水乙醇中清洗除去其孔道内及表面杂质，烘干。
在一个实施方式中，第2步中的亲水性改性是采用离子体发生器处理。
在一个实施方式中，离子体发生器处理过程中所被电离的气体为空气、氩气、氧气或者氮气中的一种或几种混合气体，功率为30-150W，改性时间为20-300s。
本实用新型的第三个方面，提供了：
一种油水分离方法，包括如下步骤：
第1步，将水包油原料液送入上述的油水分离陶瓷膜中进行油水分离，并且水包油原料液是与具有亲水性的水滴接触角的一侧接触，分离后的水进入至渗透侧，分离后的截留液继续循环分离；
第2步，当截留液中油水比例增大至设定比例时，停止油水分离，得到第一截留液；
第3步，将油包水原料液提高温度后，送入上述的油水分离陶瓷膜中进行油水分离，并且油包水原料液是与具有疏水性的水滴接触角的一侧接触，分离后的油进入至渗透侧，分离后的截留液继续循环分离；
第4步，当截留液中水油比例增大至设定比例时，停止油水分离，得到第二截留液；
第5步，将第一截留液和/或第二截留液采用离心沉降处理，上层得到的油包水原料液送入第3步中继续处理，下层得到的水包油原料送入第1步中继续处理。
在一个实施方式中，所述的第2步和/或第4步中的设定比例是指30-70wt.%，或者40-60wt.%，或者45-55wt.%。
在一个实施方式中，在第2步和/或第4步中，停止油水分离后，还包括采用清洗液对油水分离陶瓷膜进行冲洗的步骤。
在一个实施方式中，冲洗工艺时间间隔为60min，冲洗时间为10min，冲洗液为纯水或浓度为1%-10%的次氯酸，冲洗压力为1-5Mpa。
在一个实施方式中，第3步中，提高温度是指升温至30-60℃，加热时间为30-60min。
在一个实施方式中，第1步和/或第3步中，油水分离过程分离过程中操作压力为0.1-3Mpa，过滤方式为错流过滤。
在一个实施方式中，第5步中，离心时间为10-50min。
本实用新型的第四个方面，提供了：
一种油水分离装置，包括：
切换式膜分离组件，内部安装有上述的油水分离陶瓷膜；
水包油储罐和油包水储罐，分别用于存储水包油原料液和油包水原料液；
水包油储罐连接于切换式膜分离组件中的油水分离陶瓷膜具有亲水性的水滴接触角的一侧；
油包水储罐连接于切换式膜分离组件中的油水分离陶瓷膜具有疏水性的水滴接触角的一侧。
在一个实施方式中，切换式膜分离组件中的油水分离陶瓷膜具有亲水性的水滴接触角的一侧还设有水包油循环液出口，水包油循环液出口与水包油储罐连接。
在一个实施方式中，切换式膜分离组件中的油水分离陶瓷膜具有疏水性的水滴接触角的一侧还设有水相出口。
在一个实施方式中，切换式膜分离组件中的油水分离陶瓷膜具有疏水性的水滴接触角的一侧还设有油包水循环液出口，油包水循环液出口与油包水储罐连接。
在一个实施方式中，切换式膜分离组件中的油水分离陶瓷膜具有亲水性的水滴接触角的一侧还设有油相出口。
在一个实施方式中，还包括：缓冲罐，分别与水包油储罐和油包水储罐连接；
离心沉降机，与缓冲罐，用于对缓冲罐中的料液进行离心分离处理；离心沉降机的上层液出口与油包水储罐连接，离心沉降机的下层液出口与水包油储罐连接。
在一个实施方式中，油包水储罐的外部设有加热夹套。
在一个实施方式中，切换式膜分离组件上还设有冲洗液入口和冲洗液出口，用于对油水分离陶瓷膜的两侧进行冲洗。
本实用新型的第五个方面，提供了：
上述的新型油水分离陶瓷膜在用于对水包油乳液和/或油包水乳液的油水分离中的应用。
本实用新型的第六个方面，提供了：
上述的油水分离装置在用于对水包油乳液和/或油包水乳液的油水分离中的应用。
有益效果
1.制备的新型油水分离陶瓷膜在保证分离精度的同时，更具有抗污染，易清洗的作用。
2.在分离水包油乳液时利用亲水侧对水的亲和作用实现破乳功能，提高了分离效率。
3.新型的油水分离陶瓷膜表面润湿性能不对称，一面为亲水性质，一面为疏水性质。可根据体系灵活转换膜面。
4.油水分离膜制备工艺简单方便，避免了复杂的改性过程，所制备的油水分离陶瓷膜化学稳定性好。
5.油水分离工艺无需添加絮凝剂等化学物质，无二次污染，环境友好，利用筛分机理实现油水乳液的分离，能耗较低。高压冲洗工艺可以有效减少陶瓷膜在运行过程中的污染，保证分离效率，延长陶瓷膜的使用寿命。加热工艺可有效降低油包水型乳化液的粘度，提升物料温度，增大通量。油水分离装置通量高、截留率大、工作压力低、占地面积小，可连续操作。切换式膜分离工艺可根据体系灵活切换，实现油水乳液的高效分离，实现了一机多能，多级一体化，符合当今发展方向，适用于大规模工业化应用。
附图说明
图1为新型油水分离陶瓷膜的制备过程示意图
图2为新型油水分离陶瓷膜对水包大豆油乳化液的原料侧显微镜和数码照片：（a）过滤后（b）200ppm过滤前和（c）5000ppm过滤前
图3为新型油水分离陶瓷膜对己烷包水乳化液的原料侧显微镜和数码照片：（d）过滤后（e）200ppm过滤前和（f）5000ppm过滤前
图4是本实用新型所述新型膜法油水分离装置结构示意图；
其中T-1为离心沉降机，T-2为水包油储罐，T-3为油包水储罐，T-4为冲洗液储罐，T-5为缓冲储罐，T-6为产品储罐，T-7为加热控制装置，T-8为夹套，T-9为保温层，T-10为切换式膜分离组件；P-1为油水乳化液输送泵，P-2为水包油循环泵，P-3为冲洗泵，P-4为油包水循环泵；V-1、V-2、V-3、V-4、V-5、V-6、V-7、V-8为阀门；Y-1、Y-2、Y-3、Y-4、Y-5、Y-6为压力表；T-11为温度感应器，J-1为高压冲洗阀，F-1、F-2为流量计，1、2、3分别为缓冲储罐上的油水乳化液出口、水包油剩余液进口、油包水剩余液进口；4、5、6分别为水包油储罐上的水包油剩余液出口、水包油原料液出口、水包油循环液入口；7、8、9、10、11、12、13、14分别为切换式膜分离组件上的水包油循环液出口、冲洗液入口、冲洗液出口、水包油原料液入口、水相出口、油相出口、油包水循环液出口、油包水原料液入口；17、19分别为夹套上的加热介质进口及加热介质出口；15、16、18分别为油包水储罐上的油包水剩余液出口、油包水原料液出口、油包水循环液入口；
图5是切换式膜分离组件的内部结构示意图；
图6是实施例7用氧化铝陶瓷膜亲水侧处理水包己烷乳化液膜通量随时间变化的曲线图；
图7是实施例9用氧化铝陶瓷膜疏水侧处理大豆油包水乳化液其粘度随时间的变化图；
图8是实施例9用氧化铝陶瓷膜疏水侧处理大豆油包水乳化液膜通量随时间变化的曲线图；
具体实施方式
本实用新型的一个方面，涉及一种用于分离水包油体系的新型陶瓷膜的制备方法，该方法将普通的亲水型多孔陶瓷膜用改性液进行疏水改性，使得到的陶瓷膜的整体呈现疏水性（包括膜的表面以及内部的孔道），将改性后的疏水陶瓷膜进行等离子刻蚀，得到了主体上具有疏水性并在单独的一侧的表面具有亲水性质的新型陶瓷膜；利用其特殊的结构实现破乳功能的同时，实现在分离水包油体系时渗透侧得到水相，油包水体系的分离中在渗透侧得到油相；无论是在高浓度还是低浓度的油水乳化液中，陶瓷膜均具有更好的抗污染性能。并且具提高分离速度、过滤通量以及更高的截留率。本实用新型制备工艺简单，原料易得对环境要求较低，可用于实际的油水分离体系中。
在一个典型的实施方式中，上述的步骤可以是：
1）将多孔陶瓷膜浸入无水乙醇中清洗除去其孔道内及表面杂质，烘干，备用；
2）配制改性剂：将硅烷溶剂溶于有机溶剂中，水浴加热至30-60℃，搅拌10-15个小时，静置，备用。
3）将步骤1）中烘干后所得陶瓷膜浸入改性剂中，水浴加热至50-60℃，静置12小时后用有机溶剂清洗数次，烘干，备用
4）将步骤3）中所得疏水型陶瓷膜置于等离子体发生器中进行单侧亲水改性，即得。
作为优选，所述步骤1）中的陶瓷材料为氧化锆，氧化铝、氧化铈、氧化硅、氧化钛、莫来石、高岭土中的一种或其中几种的混合物
作为优选，所述步骤1）中的多孔陶瓷膜为片状或管状结构，平均孔径为0.5-5μm。烘干处理的温度为60-150℃，处理时间为6-15h。
作为优选，所述步骤2）中硅烷溶剂为八烷基三甲氧基硅烷、十三烷基三甲氧基硅烷，十六烷基三甲氧基硅烷溶剂中的一种。
作为优选，所述步骤2）中有机溶剂为丙酮，乙醇，己烷中的一种。
作为优选，所述步骤2）中改性剂浓度为0.01mmol/L-0.15mol/L。
作为优选，所述步骤3）中有机溶剂为丙酮，乙醇，己烷中的一种。烘干处理的温度为80-180℃，处理时间为16-30h。
作为优选，所述步骤4)中等离子体发生器所被电离的气体为空气，氩气，氧气，氮气中的一种或几种混合气体。功率为30-150W，改性时间为20-300s。
本实用新型的另一个方面，提出了一种新型膜法油水分离工艺及装置，该工艺包括：加热工艺、切换式膜分离工艺、缓冲工艺、离心沉降工艺及高压冲洗工艺。加热工艺实现乳液降粘处理，离心沉降工艺实现油水乳液剩余液的充分利用。所述切换式膜分离工艺采用陶瓷多孔膜，其机械强度高、耐腐蚀、化学稳定性好；本实用新型所述的膜具有润湿性能非对称的特点，根据体系的不同选取不同的膜面完成分离操作。本实用新型工艺及装置操作简便、灵活度高、环境友好、能耗低，具有很好的应用前景和巨大的经济价值，为油水分离这类工艺及设备提供了新思路。
如图4所示的装置，其中采用了上述的同时含有亲水和疏水性的陶瓷膜，装置的结构包括：一种新型膜法油水分离的装置,新型膜法分离的装置如图4所示，由加热装置、膜切换式分离装置、缓冲装置、冲洗装置和离心沉降装置及产品储罐组成；所述加热装置由夹套T-8、保温层T-9、加热控制装置T-7、温度感应器T-11组成；所述膜切换式分离装置由水包油储罐T-2、油包水储罐T-3、水包油循环泵P-2、油包水循环泵P-4、流量计F-1、流量计F-2、压力表Y-2、压力表Y-3、压力表Y-5、压力表Y-6、切换式膜分离组件T-10组成；所述缓冲装置由油水乳化液输送泵P-1，压力表Y-1、缓冲储罐T-5组成；所述冲洗装置由冲洗液储罐T-4、管道、冲洗泵P-3、冲洗阀门J-1、压力表Y-4组成;所述离心沉降装置由离心沉降机T-1、阀门V-2、阀门V-5组成；其中离心沉降机 T-1左右侧壁开有原料液出口通过管道、阀门V-2、阀门V-5分别连至水包油储罐T-2和油包水储罐T-3上方；水包油储罐下端开有水包油剩余液出口4通过管道、阀门V-3、水包油剩余液进口2、缓冲储罐T-5、油水乳化液出口1、压力表Y-1、油水乳化液输送泵P-1连至离心沉降机T-1；切换式膜分离组件T-10开有冲洗液出口9、水包油原料液入口10、水包油循环液出口7、冲洗液入口8、油包水原料液入口14、水相出口11、油相出口12、油包水循环液出口13；切换式膜分离组件T-10，内部安装有油水分离陶瓷膜；水包油储罐T-2和油包水储罐T-3，分别用于存储水包油原料液和油包水原料液；水包油储罐T-2连接于切换式膜分离组件T-10中的油水分离陶瓷膜具有亲水性的水滴接触角的一侧；油包水储罐T-3连接于切换式膜分离组件T-10中的油水分离陶瓷膜具有疏水性的水滴接触角的一侧；切换式膜分离组件T-10中的油水分离陶瓷膜具有亲水性的水滴接触角的一侧还设有水包油循环液出口7，水包油循环液出口7与水包油储罐T-2连接；切换式膜分离组件T-10中的油水分离陶瓷膜具有疏水性的水滴接触角的一侧还设有水相出口11；切换式膜分离组件T-10中的油水分离陶瓷膜具有疏水性的水滴接触角的一侧还设有油包水循环液出口13，油包水循环液出口13与油包水储罐T-3连接；切换式膜分离组件T-10中的油水分离陶瓷膜具有亲水性的水滴接触角的一侧还设有油相出口12；水包油储罐T-2下部还开有水包油原料液出口5依次通过管道、阀门V-4、压力表Y-2，水包油循环泵P-2、水包油原料液入口10、切换式膜分离组件T-10、水包油循环液出口7、流量计F-1、压力表Y-3连至开在水包油储罐T-2右侧上的水包油循环液入口6；切换式膜分离组件T-10上部冲洗液入口8通过阀门V-8、冲洗阀J-1、管道、压力表Y-4、冲洗泵P-3、冲洗罐T-4连至切换式膜分离组件T-10上的冲洗液出口9；油包水储罐T-3右侧壁开有油包水循环液入口18、下部开有油包水剩余液出口15、油包水原料液出口16；油包水剩余液出口15通过阀门V-6、管道与缓冲罐T-5右侧壁下部的油包水剩余液进口3相连，油包水储罐T-3下部的油包水原料液出口16通过管道、压力表Y-5、阀门V-7、油包水循环泵P-4、油包水原料液入口14、切换式膜分离组件T-10、油包水循环液出口13、压力表Y-6、流量计F-2连至油包水循环液入口18；油包水储罐T-3外侧有加热夹套T-8，加热夹套T-8外部有保温层T-9；加热夹套T-8右侧壁开有加热介质进口17及加热介质出口19，加热介质依次经加热控制器T-7出口、管道、加热介质入口17、加热夹套T-8返回至加热控制器T-7的入口。更具体地，在膜切换式分离装置中的接口连接关系如图5所示。
利用上述装置的一种新型膜法油水分离工艺，油水乳液依次经过加热工艺、切换式膜分离工艺、缓冲工艺、离心沉降工艺即可得到纯净的水相或油相，分离的同时定期加以高压冲洗工艺；其具体步骤为：油水乳液根据其主相的成分被倒进水包油储罐或油包水储罐，当被处理液体为水包油乳液时：水包油乳液被倒入水包油储罐，然后输送至切换式膜分离组件对水包油乳液进行膜分离得到纯净的水相，收集至产品储罐，随着分离的进行，水包油乳液中水相逐渐减少，当水相和油相占比达到设定值时，水包油乳液剩余液被输送至缓冲罐;当被处理液体为油包水乳液时：油包水乳液被倒入油包水储罐，然后油包水乳液经过由夹套、保温层、加热控制装置、温度感应器组成的加热系统对油水乳液进行降粘度处理；然后进入切换式膜分离装置对油水乳液进行分离，得到纯净的油相，收集至产品储罐，随着分离的进行，油包水相中油相逐渐减少，当油相和水相占比达到设定值时，油包水乳液剩余液进入缓冲罐并同水包油乳液剩余液一同被输送至离心沉降机，经过离心后油水乳液分层，密度较轻的油包水型乳液在上层被输送至油包水储罐，水包油型乳液在下层被输送至水包油储罐。分离的同时对膜加以高压冲洗工艺。
优选上述的膜为陶瓷膜，材料为氧化锆，氧化钛、莫来石、高岭土中的一种或其中几种的混合物。
优选上述的膜为润湿性能非对称的膜，其中亲水侧用于处理水包油乳液，疏水侧用于处理油包水乳液；膜的孔径大小为2-10000nm；分离过程中操作压力为0.1-3Mpa，过滤方式为错流过滤。
优选上述的降粘度处理的加热温度为30-60℃，加热时间为30-60min。
优选上述的离心沉降操作，离心时间为10-50min。
优选上述的冲洗工艺时间间隔为60min，冲洗时间为10min，冲洗液为纯水或浓度为1%-10%的次氯酸，冲洗压力为1-5Mpa。
优选上述的离心沉降机高于水包油储罐、油包水储罐；产品储罐低于切换式膜分离装置，依靠重力完成油水乳液及水相，油相的输送。
所述的切换式膜分离工艺是本实用新型的创新设计工艺，切换式膜分离工艺是利用陶瓷膜两侧润湿性能的非对称性质来处理不同性质的油水乳液，不同的油水乳化液输送至切换式膜分离装置的不同入口，膜的亲水侧面对水包油型乳液的入口，疏水侧面对油包水型乳液的入口，完成了一个装置中两种体系的分离。膜材料分为有机膜材料和无机膜材料，有机膜对操作体系的要求较高且不耐腐蚀，不耐高温，容易发生溶胀现象而陶瓷膜具有耐高温，运行稳定，机械强度大等优点。本工艺可以很好的实现油水乳液的分离，操作简便，工艺合理。
实施例1
取平均孔径为0.5微米的三氧化二铝膜片为基体，膜片直径长30mm，厚度为2mm。在乙醇溶液中添加十六烷基三甲氧基硅烷，水浴加热至40℃，搅拌12小时配制成浓度为0.01mmol/L的改性液。将膜片浸入改性液中，水浴加热至55℃，反应12小时即得疏水陶瓷膜。将疏水陶瓷膜用乙醇反复清洗3次，放入烘箱中，于110℃条件下烘干16小时。改性后的陶瓷膜水接触角为128.6°。将所得疏水陶瓷膜置于等离子发生器腔体平台上，对膜的其中一侧进行等离子刻蚀，电离气体为氧气/氮气混合气，刻蚀功率50W，频率450kHz，刻蚀时间20s即得新型油水分离陶瓷膜，其亲水侧水接触角为0°，制备简图如图1所示；通过上述的步骤中，得到的片式陶瓷膜中，在一面以及膜的内部的孔道中修饰有疏水基团在另一面上被等离子刻蚀后呈现亲水性。将该油水分离陶瓷膜在200ppm和5000ppm水包大豆油乳液中进行过滤实验(原料液与亲水侧接触)，渗透侧可得到纯净的水相，体现出较高的分离效率。5000ppm水包大豆油油相截留率95%，在水相中几乎观测不到油滴的存在，显微镜和数码照片如图2所示。所制备新型油水分离陶瓷膜置于200℃高温下10个小时热处理后截留率不变，化学稳定性好。
实施例2
取平均孔径为0.5微米的氧化锆膜片为基体，膜片直径长30mm，厚度为2mm。在乙醇溶液中添加十六烷基三甲氧基硅烷，水浴加热至40℃，搅拌12小时配制成浓度为0.05mmol/L的改性液。将膜片浸入改性液中，水浴加热至55℃，反应12小时即得疏水陶瓷膜。将疏水陶瓷膜用乙醇反复清洗3次，放入烘箱中，于110℃条件下烘干12小时。改性后的陶瓷膜水接触角为128.5°。将所得疏水陶瓷膜置于等离子发生器腔体平台上，对膜的其中一侧进行等离子刻蚀，电离气体为氧气/氮气混合气，刻蚀功率60W，频率450kHz，刻蚀时间30s即得新型油水分离陶瓷膜，其亲水侧水接触角为0°；通过上述的步骤中，得到的片式陶瓷膜中，在一面以及膜的内部的孔道中修饰有疏水基团，而在另一面上被等离子刻蚀后呈现亲水性。将该油水分离陶瓷膜在200ppm和5000ppm水包大豆油乳液中进行过滤实验(原料液与亲水侧接触)，渗透侧可得到纯净的水相，体现出较高的分离效率。5000ppm水包大豆油油相截留率96%，在水相中几乎观测不到油滴的存在。所制备新型油水分离陶瓷膜置于200℃高温下10个小时热处理后截留率不变，化学稳定性好。
实施例3
取平均孔径为1微米的氧化锆膜片为基体，膜片直径长30mm，厚度为2mm。在乙醇溶液中添加十六烷基三甲氧基硅烷，水浴加热至40℃，搅拌12小时配制成浓度为0.02mmol/L的改性液。将膜片浸入改性液中，水浴加热至60℃，反应12小时即得疏水陶瓷膜。将疏水陶瓷膜用乙醇反复清洗3次，放入烘箱中，于110℃条件下烘干12小时。改性后的陶瓷膜水接触角为128°。将所得疏水陶瓷膜置于等离子发生器腔体平台上，对膜的其中一侧进行等离子刻蚀，电离气体为氧气/氮气混合气，刻蚀功率45W，频率450kHz，刻蚀时间30s即得新型油水分离陶瓷膜，其亲水侧水接触角为0°；通过上述的步骤中，得到的片式陶瓷膜中，在一面以及膜的内部的孔道中修饰有疏水基团，而在另一面上被等离子刻蚀后呈现亲水性。将该油水分离陶瓷膜在200ppm和5000ppm水包大豆油乳液中进行过滤实验(原料液与亲水侧接触)，渗透侧可得到纯净的水相，体现出较高的分离效率。5000ppm水包大豆油油相截留率99%，在水相中几乎观测不到油滴的存在；对200ppm水包大豆油乳液过滤30min后水通量趋于稳定为600 L/m2·h-1；对5000ppm水包大豆油乳液过滤30min后水通量趋于稳定为80 L/m2·h-1。所制备新型油水分离陶瓷膜置于200℃高温下10个小时热处理后截留率不变，化学稳定性好。
实施例4
取平均孔径为0.5微米的氧化锆膜片为基体，膜片直径长30mm，厚度为2mm。在乙醇溶液中添加八烷基三甲氧基硅烷，水浴加热至40℃，搅拌12小时配制成浓度为0.1mmol/L的改性液。将膜片浸入改性液中，水浴加热至55℃，反应12小时即得疏水陶瓷膜。将疏水陶瓷膜用乙醇反复清洗3次，放入烘箱中，于110℃条件下烘干12小时。改性后的陶瓷膜水接触角为133.4°。将所得疏水陶瓷膜置于等离子发生器腔体平台上，对膜的其中一侧进行等离子刻蚀，电离气体为氧气/氮气混合气，刻蚀功率150W，频率450kHz，刻蚀时间150s即得新型油水分离陶瓷膜，其亲水侧水接触角为0°；通过上述的步骤中，得到的片式陶瓷膜中，在一面以及膜的内部的孔道中修饰有疏水基团，而在另一面上被等离子刻蚀后呈现亲水性。将该油水分离陶瓷膜在1000ppm和5000ppm己烷包水乳液中进行过滤实验(原料液与疏水侧接触)，渗透侧可得到纯净的油相，体现出较高的分离效率。5000ppm己烷包水水相截留率96%，在油相中几乎观测不到水滴的存在，如图3所示。所制备新型油水分离陶瓷膜置于200℃高温下10个小时热处理后截留率不变，化学稳定性好。
实施例5
取平均孔径为1微米的氧化锆膜片为基体，膜片直径长30mm，厚度为2mm。在乙醇溶液中添加十三烷基三甲氧基硅烷，水浴加热至40℃，搅拌12小时配制成浓度为0.15mmol/L的改性液。将膜片浸入改性液中，水浴加热至55℃，反应12小时即得疏水陶瓷膜。将疏水陶瓷膜用乙醇反复清洗3次，放入烘箱中，于110℃条件下烘干12小时。改性后的陶瓷膜水接触角为137.2°。将所得疏水陶瓷膜置于等离子发生器腔体平台上，对膜的其中一侧进行等离子刻蚀，电离气体为氧气/氩气混合气，刻蚀功率150W，频率450kHz，刻蚀时间150s即得新型油水分离陶瓷膜，其亲水侧水接触角为0°；通过上述的步骤中，得到的片式陶瓷膜中，在一面以及膜的内部的孔道中修饰有疏水基团，而在另一面上被等离子刻蚀后呈现亲水性。将该油水分离陶瓷膜在1000ppm和5000ppm己烷包水乳液中进行过滤实验(原料液与疏水侧接触)，渗透侧可得到纯净的油相，体现出较高的分离效率。5000ppm己烷包水水相截留率99%，在油相中几乎观测不到水滴的存在，对于1000ppm己烷包水乳液中进行过滤，30min后油通量趋于稳定为450 L/m2·h-1；对于5000ppm己烷包水乳液中进行过滤，30min后油通量趋于稳定为100L/m2·h-1；所制备新型油水分离陶瓷膜置于200℃高温下10个小时热处理后截留率不变，化学稳定性好。
实施例6
取平均孔径为1微米的氧化锆膜片为基体，膜片直径长30mm，厚度为2mm。在乙醇溶液中添加十六烷基三甲氧基硅烷，水浴加热至40℃，搅拌12小时配制成浓度为0.15mmol/L的改性液。将膜片浸入改性液中，水浴加热至55℃，反应12小时即得疏水陶瓷膜。将疏水陶瓷膜用乙醇反复清洗3次，放入烘箱中，于110℃条件下烘干12小时。改性后的陶瓷膜水接触角为137.2°。将所得疏水陶瓷膜置于等离子发生器腔体平台上，对膜的其中一侧进行等离子刻蚀，电离气体为氧气/氩气混合气，刻蚀功率150W，频率450kHz，刻蚀时间150s即得新型油水分离陶瓷膜，其亲水侧水接触角为0°；通过上述的步骤中，得到的片式陶瓷膜中，在一面以及膜的内部的孔道中修饰有疏水基团，而在另一面上被等离子刻蚀后呈现亲水性。将该油水分离陶瓷膜在1000ppm和5000ppm己烷包水乳液中进行过滤实验(原料液与疏水侧接触)，渗透侧可得到纯净的油相，体现出较高的分离效率。5000ppm己烷包水水相截留率99%，在油相中几乎观测不到水滴的存在。所制备新型油水分离陶瓷膜置于200℃高温下10个小时热处理后截留率不变，化学稳定性好。
对照例1
与实施例3的区别在于：直接采用亲水性陶瓷膜进行水包油的过滤实验。
取平均孔径为1微米的三氧化二铝膜片，膜片直径长30mm，厚度为2mm。将该亲水性陶瓷膜应用于200ppm水包大豆油乳液过滤实验，30min后水通量趋于稳定为200 L/m2·h-1，低于新型油水分离陶瓷膜的600 L/m2·h-1；将该亲水性陶瓷膜应用于5000ppm水包大豆油乳液过滤实验，30min后水通量趋于稳定为40 L/m2·h-1，低于新型油水分离陶瓷膜的80 L/m2·h-1
；5000ppm水包大豆油油相截留率94%低于新型分离陶瓷膜的99%。
对照例2
与实施例5的区别在于：未对疏水陶瓷膜的另一侧进行等离子刻蚀处理。
取平均孔径为1微米的氧化锆膜片为基体，膜片直径长30mm，厚度为2mm。在乙醇溶液中添加十三烷基三甲氧基硅烷，水浴加热至40℃，搅拌12小时配制成浓度为0.15mmol/L的改性液。将膜片浸入改性液中，水浴加热至55℃，反应12小时即得疏水陶瓷膜。将疏水陶瓷膜用乙醇反复清洗3次，放入烘箱中，于110℃条件下烘干12小时。将该疏水性陶瓷膜应用于1000ppm己烷包水乳液过滤实验，30min后油通量趋于稳定为400 L/m2·h-1，低于新型油水分离膜的450 L/m2·h-1；将该疏水性陶瓷膜应用于5000ppm己烷包水乳液过滤实验，30min后油通量趋于稳定为80 L/m2·h-1，低于新型油水分离陶瓷膜的100 L/m2·h-1；5000ppm己烷包水水相截留率为95%低于新型分离陶瓷膜的99%。
实施例7
使用本实用新型所述的新型膜法油水分离工艺，对实验室自制的水包己烷乳化液进行分离，采用实施例3中制备得到的亲水-疏水陶瓷膜，乳化液浓度为200mg/L。先将乳化液倒入水包油储罐，然后将乳化液通过水包油循环泵输入切换式膜分离组件中进行分离，与亲水侧接触进行过滤，得到纯净的水相，己烷的截留率为99.1%；膜组件内部陶瓷膜的孔径为1μm，操作过程中的跨膜压差为0.2MPa。装置运行时间为3小时，0.5小时后水通量稳定维持在500L/m2·h-1如图6所示。每隔1小时对分离膜进行高压冲洗，冲洗液体为浓度为5%的次氯酸溶液，冲洗时间为10min，冲洗压力为4.5MPa。当水包油储罐中水相和油相占比达到设定值时，水包己烷乳液剩余液被输送至缓冲罐。缓冲罐中的剩余液随后被油水乳化液输送泵输送至离心沉降机，离心时间为15min。离心后上层油包水乳液输送至水包油储罐进行再次分离，水通量稳定维持在480L/m2·h-1附近，截留率为99.2%，下层水包油乳液输送至油包水储罐进行分离。
实施例8
使用本实用新型所述的新型膜法油水分离工艺，对实验室自制的水包大豆油乳化液进行分离，采用实施例3中制备得到的亲水-疏水陶瓷膜，乳化液浓度为5000mg/L。先将乳化液倒入水包油储罐，然后将乳化液通过水包油循环泵输入切换式膜分离组件中进行分离，得到纯净的水相，己烷的截留率为99.5%；膜组件内部陶瓷膜的孔径为1μm，操作过程中的跨膜压差为0.3MPa。装置运行时间为3小时，0.5小时后水通量稳定维持在120L/L/m2·h-1。每隔1小时对分离膜进行高压冲洗，冲洗液体为浓度为6%的次氯酸溶液，冲洗时间为10min，冲洗压力为5MPa。当水包油储罐中水相和油相占达到设定值时，水包大豆油乳液剩余液被输送至缓冲罐。缓冲罐中的剩余液随后被油水乳化液输送泵输送至离心沉降机，离心时间为15min。离心后上层油包水乳液输送至水包油储罐进行再次分离，水通量稳定维持在115L/m2·h-1附近，截留率为99.2%，下层水包油乳液输送至油包水储罐进行分离。
实施例9
使用本实用新型所述的新型膜法油水分离工艺，对实验室自制的大豆油包水乳化液进行分离，采用实施例3中制备得到的亲水-疏水陶瓷膜，乳化液浓度为1000mg/L。先将乳化液倒入油包水储罐进行60℃的加热处理，加热介质为硅油，加热50min后乳液的粘度从15mPa·s降至1.3mPa·s所图7所示。然后将乳液通过油包水循环泵输送至切换式膜分离组件中进行分离，得到纯净的油相，水的截留率为99.5%；膜组件内部陶瓷膜的孔径为1μm，操作过程中的跨膜压差为0.5MPa。装置运行时间为3小时，0.6小时后油通量稳定维持在1100/L/m2·h-1如图8所示。每隔1小时对分离膜进行高压冲洗，冲洗液体为浓度为10%的次氯酸溶液，冲洗时间为10min，冲洗压力为5MPa。当油包水储罐中油相和水相占比达到设定值时，异辛烷包水乳化液剩余液被输送至缓冲罐。缓冲罐中的剩余液随后被油水乳化液输送泵输送至离心沉降机，离心时间为15min。离心后上层油包水乳液输送至水包油储罐进行分离，下层水包油乳液输送至油包水储罐进行再次分离，油通量稳定维持在960L/m2·h-1附近，截留率为99.5%。
实施例10
使用本实用新型所述的新型膜法油水分离工艺，对实验室自制的己烷包水乳化液进行分离，采用实施例3中制备得到的亲水-疏水陶瓷膜，乳化液浓度为1000mg/L。先将乳化液倒入油包水储罐进行50℃的加热处理，加热介质为硅油，加热时间为20min。然后将乳液通过油包水循环泵输送至切换式膜分离组件中进行分离，得到纯净的油相，水的截留率为99.8%；膜组件内部陶瓷膜的孔径为1μm，操作过程中的跨膜压差为0.4MPa。装置运行时间为3小时，0.6小时后油通量稳定维持在1700L/L/m2·h-1。每隔1小时对分离膜进行高压冲洗，冲洗液体为浓度为10%的次氯酸溶液，冲洗时间为10min，冲洗压力为5MPa。当油包水储罐中油相和水相占比达到设定值时，己烷包水乳化液剩余液被输送至缓冲罐。缓冲罐中的剩余液随后被油水乳化液输送泵输送至离心沉降机，离心时间为15min。离心后上层油包水乳液输送至油包水储罐进行分离，下层水包油乳液输送至水包油储罐进行再次分离，油通量稳定维持在1650L/m2·h-1附近，截留率为99.5%。
Claims (9)
1.一种油水分离装置，其特征在于，包括：
切换式膜分离组件(T-10)，内部安装有油水分离陶瓷膜；
水包油储罐(T-2)和油包水储罐(T-3)，分别用于存储水包油原料液和油包水原料液；
水包油储罐(T-2)连接于切换式膜分离组件(T-10)中的油水分离陶瓷膜具有亲水性的水滴接触角的一侧；
油包水储罐(T-3)连接于切换式膜分离组件(T-10)中的油水分离陶瓷膜具有疏水性的水滴接触角的一侧；
在油水分离陶瓷膜的一侧的表面具有亲水性的水滴接触角，在油水分离陶瓷膜的其余部位具有疏水性的水滴接触角。
2.根据权利要求1所述的油水分离装置，其特征在于，所述的亲水性的水滴接触角是指0-90°，所述的疏水性的水滴接触角是指91-180°；所述的油水分离陶瓷膜为片状或管状结构，并且平均孔径为0.5-5μm。
3.根据权利要求1所述的油水分离装置，其特征在于，切换式膜分离组件(T-10)中的油水分离陶瓷膜具有亲水性的水滴接触角的一侧还设有水包油循环液出口（7），水包油循环液出口（7）与水包油储罐(T-2)连接。
4.根据权利要求1所述的油水分离装置，其特征在于，切换式膜分离组件(T-10)中的油水分离陶瓷膜具有疏水性的水滴接触角的一侧还设有水相出口（11）。
5.根据权利要求3所述的油水分离装置，其特征在于，切换式膜分离组件(T-10)中的油水分离陶瓷膜具有疏水性的水滴接触角的一侧还设有油包水循环液出口（13），油包水循环液出口（13）与油包水储罐(T-3)连接。
6.根据权利要求1所述的油水分离装置，其特征在于，切换式膜分离组件(T-10)中的油水分离陶瓷膜具有亲水性的水滴接触角的一侧还设有油相出口（12）。
7.根据权利要求5所述的油水分离装置，其特征在于，还包括：缓冲罐（T-5），分别与水包油储罐(T-2)和油包水储罐(T-3)连接；还包括：离心沉降机（T-1），与缓冲罐（T-5），用于对缓冲罐（T-5）中的料液进行离心分离处理；离心沉降机(T-1)的上层液出口与油包水储罐(T-3)连接，离心沉降机(T-1)的下层液出口与水包油储罐（T-2）连接。
8.根据权利要求5所述的油水分离装置，其特征在于，油包水储罐(T-3)的外部设有加热夹套（T-8）。
9.根据权利要求1所述的油水分离装置，其特征在于，切换式膜分离组件(T-10)上还设有冲洗液入口(8)和冲洗液出口(9)，用于对油水分离陶瓷膜的两侧进行冲洗。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202021485187.6U CN212262924U (zh) | 2020-07-24 | 2020-07-24 | 一种油水分离装置 |
Applications Claiming Priority (1)
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| CN202021485187.6U CN212262924U (zh) | 2020-07-24 | 2020-07-24 | 一种油水分离装置 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
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Family Applications (1)
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| CN202021485187.6U Active CN212262924U (zh) | 2020-07-24 | 2020-07-24 | 一种油水分离装置 |
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2020
- 2020-07-24 CN CN202021485187.6U patent/CN212262924U/zh active Active
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