趙 瑋 李劍平 李詩豪 遆王強(qiáng) 曾貴祿 楊雪晶 呂樹光

(1.華東理工大學(xué)機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院，上海 200237；2.華東理工大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院，高濃度難降解有機(jī)廢水處理技術(shù)國家工程實(shí)驗(yàn)室，上海 200237；3.華東理工大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院，國家環(huán)境保護(hù)化工過程環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估與控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200237)

近年來，隨著我國工業(yè)進(jìn)程的高速發(fā)展，礦產(chǎn)開采、金屬冶煉、石油化工等工業(yè)環(huán)節(jié)產(chǎn)生的煤焦油、重礦物油等，生物醫(yī)藥、基礎(chǔ)生產(chǎn)所廣泛應(yīng)用的鹵代溶劑/萃取劑的泄露和排放導(dǎo)致的重質(zhì)非水相液體(DNAPL)污染問題日益加劇，是土壤和地下水污染的主導(dǎo)因素[1-3]。這類污染物可溶解土壤中的有機(jī)物，形成DNAPL的溶解性有機(jī)污染帶，進(jìn)入地下水環(huán)境后會(huì)對(duì)人體健康產(chǎn)生嚴(yán)重危害，可致癌、致畸、致突變[4-5]。鑒于這些危害，我國相繼出臺(tái)一系列政策法規(guī)和標(biāo)準(zhǔn)[6-8]，對(duì)工業(yè)場(chǎng)地污染修復(fù)中DNAPL的各類有機(jī)物含量做出了明確規(guī)定。據(jù)統(tǒng)計(jì)，三氯乙烯(TCE)為許多國家的工業(yè)污染場(chǎng)地地下水中檢出率最高的有機(jī)污染物，高達(dá)36.00%[9-12]。因此，迫切需要開發(fā)污染場(chǎng)地地下水中TCE處理的新技術(shù)。

在污染場(chǎng)地修復(fù)技術(shù)應(yīng)用方面，我國以異位修復(fù)技術(shù)為主。聚結(jié)分離法在異位修復(fù)中應(yīng)用廣泛，它是根據(jù)兩相混合物中各相與聚結(jié)材料的親和程度不同而進(jìn)行分離的方法[13]2-6，具有分離效率高、能耗小、處理成本低、設(shè)備簡(jiǎn)單、占地面積較小、無二次污染等優(yōu)點(diǎn)[14]。關(guān)于影響聚結(jié)分離效率的因素，劉麗艷等[15]采用自行設(shè)計(jì)的微通道纖維聚結(jié)裝置驗(yàn)證了分離效率與油水乳狀液初始含水量、流動(dòng)速度有關(guān)；凌國華等[16]對(duì)纖維聚結(jié)分離流場(chǎng)數(shù)值模擬表明，纖維聚結(jié)模塊的性能與流速、模塊厚度、孔隙率等參數(shù)有關(guān)；LU等[17]利用潤濕性不同的纖維編織層組合聚結(jié)分離器處理乳化復(fù)合離子液體烷基化反應(yīng)產(chǎn)物，分離效率可達(dá)99.60%；DAI等[18]使用由不銹鋼纖維和聚四氟乙烯(PTFE)纖維編織的填料來分離酸烴乳液，驗(yàn)證了填料特性和操作條件對(duì)分離效率的影響。綜上，聚結(jié)分離效率與乳狀液性質(zhì)、聚結(jié)材料和操作工況等因素密切相關(guān)[19]。

本研究以TCE為模擬污染物，配置非均質(zhì)介質(zhì)TCE DNAPL，通過實(shí)驗(yàn)方法探究網(wǎng)狀/顆粒狀材料潤濕性、流量、編織孔徑、床層厚度和TCE濃度等主要參數(shù)對(duì)分離性能的影響規(guī)律。實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)工業(yè)場(chǎng)地DNAPL聚結(jié)分離器的設(shè)計(jì)、操作條件的選擇具有指導(dǎo)作用，為實(shí)際DNAPL污染場(chǎng)地的修復(fù)提供參考。

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)流程

設(shè)計(jì)搭建聚結(jié)床層Φ100 mm×600 mm的聚結(jié)分離器，實(shí)驗(yàn)流程見圖1。TCE和水的混合液由混合罐流出，經(jīng)增壓、計(jì)量后進(jìn)入聚結(jié)分離器，與填充材料碰撞、接觸后進(jìn)行聚結(jié)分離，分離后的水和TCE分別經(jīng)水相、TCE相視鏡返回混合罐，完成循環(huán)過程。

1—增壓泵；2—金屬管浮子流量計(jì)；3—進(jìn)口取樣閥；4—聚結(jié)分離器；5—水相視鏡；6—TCE相視鏡；7—TCE相取樣閥；8—水相取樣閥；9—混合罐；10—控制柜圖1 實(shí)驗(yàn)流程示意圖Fig.1 Experimental flow chart

1.2 主要實(shí)驗(yàn)材料

模擬溶液為不同配比的水和TCE(純度99%)的混合液。

聚結(jié)分離器內(nèi)填充材料見表1，其中網(wǎng)狀、顆粒狀材料分別按纏繞成卷、自然堆積填入；網(wǎng)狀材料均為“Ω”型編織方式。

表1 填充材料Table 1 The filling materrial

1.3 實(shí)驗(yàn)步驟

1.3.1 潤濕性實(shí)驗(yàn)

在床層厚度為600 mm、TCE為5.00%(體積分?jǐn)?shù))、20 ℃、流量為60～120 L/h的條件下，對(duì)比考察①、⑤、⑥、⑨號(hào)和④、⑦、⑧號(hào)潤濕性對(duì)聚結(jié)分離效率的影響。每次填充材料更換完畢后，待裝置運(yùn)行15 min對(duì)水相、TCE相出口采樣，測(cè)量樣品體積、質(zhì)量，記錄采樣時(shí)間，分析TCE濃度。以下實(shí)驗(yàn)采樣、記錄等步驟無特別說明，與本節(jié)相同。

1.3.2 編織孔徑影響實(shí)驗(yàn)

在床層厚度為400 mm、TCE為5.00%、20 ℃、流量為60～120 L/h的條件下，將①、②、③纖維填入聚結(jié)分離器，考察編織孔徑對(duì)聚結(jié)分離效率的影響。

1.3.3 床層厚度影響實(shí)驗(yàn)

在TCE為5.00%、20 ℃、流量為60～120 L/h的條件下，控制床層厚度分別為200、400、600 mm，采用①號(hào)考察床層厚度對(duì)聚結(jié)分離效率的影響。

1.3.4 TCE濃度影響實(shí)驗(yàn)

在床層厚度為600 mm、20 ℃、流量為60～120 L/h的條件下，采用①號(hào)考察不同TCE體積分?jǐn)?shù)(5.00%、10.00%、15.00%)對(duì)分離效率的影響。

1.4 TCE濃度分析方法

測(cè)量100 mL不同TCE體積分?jǐn)?shù)(x，%)的混合溶液的質(zhì)量(y，g)，擬合得到TCE體積分?jǐn)?shù)與混合溶液質(zhì)量的關(guān)系式(見式(1))，據(jù)此計(jì)算取樣混合溶液中TCE體積分?jǐn)?shù)。

y=0.463 3x+100.01，R2=1

(1)

1.5 接觸角測(cè)量方法

接觸角是表征液體對(duì)固體潤濕程度的重要參數(shù)。用SL200B接觸角測(cè)量儀(美國KINO公司)測(cè)量TCE和水分別對(duì)PTFE、PE、PP和不銹鋼材料的接觸角。

1.6 分離效率計(jì)算方法

分離效率(η，%)可由式(2)計(jì)算。

(2)

式中：Vw、Vi分別為水相出口、進(jìn)口TCE質(zhì)量濃度，kg/m3；Qw、Qi分別為水相出口、進(jìn)口流量，L/h。

2 結(jié)果與討論

2.1 潤濕性對(duì)分離效率的影響

潤濕性對(duì)分離效率的影響見圖2。在同一流量下，網(wǎng)狀材料填充的聚結(jié)分離器分離效率由高到低依次為①、⑤、⑨、⑥號(hào)。當(dāng)流量為80 L/h時(shí)，①號(hào)具有最高的分離效率(96.71%)，相應(yīng)水相出口TCE體積分?jǐn)?shù)(0.21%)最低。接觸角大小可表征材料的潤濕性，接觸角越大，表示材料潤濕性越差[20]。TCE對(duì)PTFE的接觸角最小(見表2)，可見PTFE潤濕性最強(qiáng)，網(wǎng)狀PTFE填充的聚結(jié)分離器分離效率也越高，相應(yīng)水相出口TCE濃度越少。顆粒狀材料填充的聚結(jié)分離器分離效率與網(wǎng)狀材料基本一致，當(dāng)流量為80 L/h時(shí)，④號(hào)具有最高的分離效率(94.47%)，對(duì)應(yīng)水相出口TCE體積分?jǐn)?shù)(0.19%)最低。對(duì)比①、④號(hào)可知，網(wǎng)狀材料填充的聚結(jié)分離器分離效率比顆粒狀材料高。因此，為提高分離效率，應(yīng)選擇親分散相纖維作為聚結(jié)介質(zhì)，在所選的材料中，網(wǎng)狀PTFE具有最高的分離效率，是填充聚結(jié)分離器的優(yōu)選材料。

表2 接觸角測(cè)量結(jié)果Table 2 The result of contact angle measurement

2.2 流量對(duì)分離效率的影響

由圖2(a)、圖2(c)可見，分離效率隨流量的變化曲線呈拋物線。當(dāng)流量為60～80 L/h時(shí)，分離效率隨流量的增加而升高，80 L/h時(shí)達(dá)到最高；當(dāng)流量為80～120 L/h時(shí)，分離效率隨流量增加而下降。分離效率主要與液滴和材料的碰撞概率、接觸時(shí)間有關(guān)[13]22-34。當(dāng)流量為60～80 L/h時(shí)，流量越低，混合液進(jìn)入聚結(jié)分離器后與介質(zhì)的接觸時(shí)間相對(duì)延長，但低流量不足以提供液滴與聚結(jié)分離器后端材料接觸的動(dòng)力，不能充分利用聚結(jié)介質(zhì)，使液滴與材料的碰撞概率降低，因此在該范圍內(nèi)碰撞概率是影響分離效率的主導(dǎo)因素；當(dāng)流量為80～120 L/h時(shí)，隨著流量的增大，單位時(shí)間內(nèi)流過單位面積的混合液增多，碰撞液滴與材料表面間的液膜排液時(shí)間變短，液滴還未發(fā)生聚結(jié)黏附，就被周圍流體帶走流向下一單元，導(dǎo)致材料無法捕獲液滴，從而出現(xiàn)分離效率先升后降的現(xiàn)象。

圖2 潤濕性對(duì)分離效率的影響Fig.2 The influence of wettability on separation efficiency

2.3 編織孔徑對(duì)分離效率的影響

由圖3可見，同一流量下，分離效率隨編織孔徑的減小而升高，編織孔徑為0.3 mm、流量為80 L/h時(shí)分離效率最高為95.81%，其水相出口TCE體積分?jǐn)?shù)(0.18%)最低。從液滴與網(wǎng)狀材料碰撞的接觸面積來分析，編織孔徑越小，單位體積內(nèi)網(wǎng)狀材料與混合液的接觸面積越大，液滴與床層碰撞黏附在網(wǎng)狀材料上的概率增多，因此編織孔徑越小，單位體積內(nèi)網(wǎng)狀材料的表面積越大，分離效率越高。

圖3 編織孔徑對(duì)分離效率的影響Fig.3 The influence of braided pore size on separation efficiency

2.4 床層厚度對(duì)分離效率的影響

由圖4可見，同一流量下，隨著床層厚度的增大，分離效率升高，水相出口TCE體積分?jǐn)?shù)降低。流量超過80 L/h后，分離效率下降，床層厚度為200 mm時(shí)下降速率明顯增大，分析這一現(xiàn)象的原因是：流量增加，流速升高，液滴停留時(shí)間變短，快速穿透床層，導(dǎo)致液滴不能與網(wǎng)狀材料黏附；從液滴與網(wǎng)狀材料碰撞面積來分析，單位體積內(nèi)網(wǎng)狀材料與混合液的接觸面積一定，液滴與床層碰撞黏附在網(wǎng)狀材料上的能力也相對(duì)限制，達(dá)到最佳分離效率后，即使更多的液滴流過，也不能黏附分離，所以呈現(xiàn)出較大的下降趨勢(shì)。

圖4 床層厚度對(duì)分離效率的影響Fig.4 The influence of bed thickness on separation efficiency

2.5 TCE濃度對(duì)分離效率的影響

由圖5可見，分離效率隨TCE濃度的減小而升高，TCE體積分?jǐn)?shù)為5.00%時(shí)分離效率最高為96.71%；當(dāng)流量為80～120 L/h時(shí)，TCE體積分?jǐn)?shù)為15.00%時(shí)水相出口TCE體積分?jǐn)?shù)增幅比5.00%時(shí)擴(kuò)大；當(dāng)流量為60～80 L/h時(shí)，分離效率都在90%以上。

圖5 TCE體積分?jǐn)?shù)對(duì)分離效率的影響Fig.5 The effect of TCE volume fraction on separation efficiency

3 結(jié) 論

(1)網(wǎng)狀材料潤濕性越強(qiáng)，聚結(jié)分離器的分離效率越高，相應(yīng)水相出口TCE濃度越少。應(yīng)選擇親分散相纖維作為聚結(jié)介質(zhì)，網(wǎng)狀PTFE具有最高的分離效率(96.71%)，是填充聚結(jié)分離器的優(yōu)選材料。

(2)填充材料的分離效率隨流量的變化曲線呈拋物線，流量為80 L/h時(shí)聚結(jié)分離器具有最高的分離效率。

(3)分離效率隨編織孔徑的減小、床層厚度的增大、TCE濃度的減小而升高。