一种用于水域轻质微量油污回收的膜组件的制作方法
【专利摘要】本发明涉及一种用于水域轻质微量油污回收的膜组件，其特征在于：膜组件（1)是由油水分离膜（2)、间隔膜（3)、进水管道（4)、出油管道（5)、储油槽（6)、出水管道（7)构成。主要功能部件为可通过温度变化改变亲疏水结构的油水分离膜(2)实现油水的分离，并可通过温度调节改善膜堵塞状况，膜清洗过程简单易行，膜使用寿命长。本发明将膜的布设设计为倾斜式，利用油份浮于水面的特性以及溢流的原理，实现油水分离。本装置适用于在水面大规模船舶溢油事故中，经过物理处理法等常规机械回收装置进行溢油回收后残余轻质微量油污的处理，还可处理长期受轻微石油污染的重点监测水域，达到无二次污染地深度处理水体石油污染的效果。
【专利说明】一种用于水域轻质微量油污回收的膜组件
【技术领域】
[0001]本发明属于水域油污回收与石油污染治理的膜组件应用【技术领域】，具体涉及一种可回收水域微量轻质油污的膜组件。
【背景技术】
[0002]随着国际贸易和海上运输的发展，航行于海洋、江河、湖泊的船舶数量不断增多。船舶在正常营运或发生事故时，逸出或排放的油类货物、燃油以及其他油类物质造成的溢油污染日渐成为全球范围内的环境问题。一些大规模的船舶漏油事件会对水域成严重污染，带来巨大损失，而一些长期受到轻度船舶漏油污染水域的旅游业、渔业等的发展也被制约，其慢性危害日益凸显。中国是个海运大国，沿海岸线有众多的港口，因此，海洋及河口的船舶石油污染呈逐年上升趋势。
[0003]水面石油污染的治理方法大致有三种:物理法、化学法和生物法。物理法借助于物理性质和机械装置消除水面和海岸的油污染，这是目前国内外处理油污的主要方法，适用于较厚油层的回收处理，但是其缺点是受风浪粘度等因素的影响较大；化学法主要有燃烧法和化学试剂法，化学试剂有消油剂、凝油剂和集油剂，不同化学方法的总体优点是见效快、使用方便，缺点包括会产生二次污染、对生态系统造成不良影响、浪费能源等；生物法是通过微生物用油类作为其新陈代谢的营养物质而达到去除溢油污染的目的，其优点是经济、安全，缺点是经常存在营养和氧气供应不足的情况，需额外添加P、N等营养物质。
[0004]就水面油污清除方法而言，应以物理法中的机械回收方法最为有益，不但保护了环境，还回收了资源，是应该大力提倡的一种处理方法。目前对大规模船舶漏油事故的处理普遍采取的方法是首先用围油栏将溢油拦截控制在一定范围内，再使用各种机械装置回收，对于较薄的无法回收的油层使用消油剂使其分散进入水体，靠水体中的生物进行最终消纳。这种方法对水面的石油进行了部分回收，但最终还是将残余的油污投入到了水体环境中，对水域的生态系统构成了威胁。因此，将膜组件应用到水域油污事故的后期处置中，取代消油剂的使用，深度地处理水中残余的油污，回收石油资源，是值得提倡的。然而由于分离膜在截留油类的过程中，随着油类在膜表面的堆积，膜很快会被堵塞，膜通量随即显著下降。为此只得对膜进行清洗，在线清洗方式一般为反向注入清洗水或清洗剂，耗费了资源并且存在化学试剂泄漏的风险。在清洗效果不理想或清洗多次后，需从装置中取出分离膜进行更换，这对于使用在远海的船载装置来说，也是一个问题。本发明即提出了一种利用新型的具有温度响应的智能油水分离膜，通过温度的改变转换亲油、亲水特性，设计一种可用于水域轻质微量油污回收的膜组件。该膜组件具有可快捷、有效处理膜堵塞的优点，既简化了膜清洗过程，又增加了膜处理效率，延长了膜使用寿命。将膜的布设设计为倾斜式，利用油份浮于水面上以及溢流的原理，通过隔膜泵对进水流量的控制使含油污水中的油份在膜上逐渐累积，最终高于油水分离膜的最高端处并流进出油管道导出储存，而经膜过滤的出水则顺势由与间隔膜次低端相通的出水管道排出。这种设计达到了回收石油资源的目的，并使整个膜组件体积利用率增大。将该膜组件应用于水域油污事故的后期处理中，取代了目前常采用的消油剂处理水域油污事故中微量残余石油的方法，能够对微量的水面轻质油污进行深度回收处理。同时此膜组件也适用于处理船舶正常营运时排放于水体中的微量油污，达到回收资源、降低危害的目的。
【发明内容】
[0005]本发明提出了一种能回收水面微量轻质油污的膜组件，其中微量界定为石油类含量在10?20mg/L之间，轻质界定为油份是溶剂油、汽油、航空煤油、煤油、柴油等轻质石油。上述油污回收膜组件具有以下优点:采用的油水分离膜可通过温度变化改变膜的亲水或亲油特性，实现了快速、容易的膜清洗过程，有效减少了目前应用的膜组件普遍需要的膜更换频率；将膜的布设设计为倾斜式，利用油份浮于水面上以及溢流的原理，实现了油水分离，并可将油份回收；倾斜的间隔膜结合次低端的出水管道使出水更流畅；膜组件单位体积利用率大，处理效率高；使用该膜组件实现了对石油污染水体的深度处理，可使水体恢复优良的水质；免去了大规模船舶油污事故发生后采用消油剂处理的方法，减少了事故处理过程中带来的二次污染。
[0006]所述的膜组件设计为直径10cm、高20cm的ABS圆柱体膜组件外壳，体积为
3.14X5cm X5cm X20cm = 1.57dm3,方便携带运输及小型船只的运载,在需要时可增加膜组件数量以增加处理效率。该膜组件包含48个膜处理单元，即一个所述的油水分离膜和一个所述的间隔膜组成一个膜单元，均匀分布于ABS筒体中，每个处理单元与ABS外壳用粘结剂灌封。各个油水分离膜与间隔膜上下间隔为0.2cm，并向左倾斜约5°。该膜组件的设计有两种工作状态，一是含油污水的处理，此时污水不断进入，油份被倾斜的、亲水疏油的油水分离膜截留在膜的表面，进水水位控制在低于油水分离膜的最高端，因此水分不断透过油水分离膜，而截留的油份则浮于进水的表面并不断堆积，在高过油水分离膜的最高端溢流而进入出油管道，透过膜的水分在间隔膜上部沿着间隔膜倾斜角度流向次低端的出水口由所述的出水管道外排；二是膜的清洗过程，通过改变膜组件周围的环境温度，使油水分离膜由亲水疏油变为亲油疏水状态，堵塞在油水分离膜上的油份透过膜汇集到间隔膜上部，待恢复环境温度后，进行正常的油水分离工作，此时油水分离膜透过的水分与堵塞膜孔的油份在间隔膜上部混合，一起进入到出水管道中，这时的出水需要与含油污水混合再次进入膜组件进行处理。
[0007]所述的油水分离膜制作原料为PMMA-PNIPAAm复合材料，基于高低温氢键转换的原理制作成可通过温度变化改变亲水或亲油特性的膜材料，将这种膜材料附着在孔径为300目的不锈钢铁丝网上，即制成300目的温度响应型嵌段共聚物智能油水分离膜，可按照水体环境温度变化范围在O?28°C之间呈现亲水疏油性，使含油污水透过，含油污水透过率110L/m2.h，截留水中的油类物质。当出现膜堵塞情况后，通过改变温度，高于28°C或低于0°C，使膜具有亲油疏水性，从而使堵塞的油类物质透过，待温度恢复到O?28°C时重新使用。该膜产品对润滑油、石蜡、浙青等重质石油虽有截留效果，但处理过程中易于堵塞膜孔，对溶剂油、汽油、航空煤油、煤油、柴油等轻质石油处理效果较理想。本发明中该膜产品发挥主要作用，其使用条件为处理的水体温度在O?28°C之间，水体中的油含量在20mg/L以下，且为溶剂油、汽油、航空煤油、煤油、柴油等轻质油份。将该膜产品制作为与所述的膜组件筒体相应的直径为1cm的圆形板式膜，即每个成品膜有效面积为3.14X5cm X5cm =78.5cm2，含油污水透过率为110L/m2 *h X78.5cm2 = 0.86L/h，将其固定于筒体中，除第一层单元上部空间较大外，其它单元上部留有0.2cm高的空间供水体流通。
[0008]所述的间隔膜固定于所述的油水分离膜下方，距油水分离膜0.2cm，同样为直径10cm，采用无毒、质轻、耐压、耐腐蚀的无规共聚聚丙烯(PPR)材料制成，其作用为间隔各个膜单元以及承载经膜处理后的液体。
[0009]所述的进水管道与所述的油水分离膜次低端的上部空间相连通，设计为直径与油水分离膜上部空间相匹配的0.2cm的圆形接口管道，水平方向上距离油水分离膜最低端0.2cm。48个膜单元设相应的48个进水管道，在竖直方向上保持位置一致。为控制进水水位不高于油水分离膜的最高端，依据含油污水浓度范围为10?20mg/L，轻质油密度一般为
0.8g/cm3,贝丨』每升含油污水中包含油的体积为lOmg/0.8g/cm3 = 1.25X1 (T5L至20mg/0.8g/cm3 = 2.5X10—5 L。按照含油污水最高的油体积含量2.5X10_5L/L来预留空间，则需将油水分离膜满负荷工作状态下的含油污水总体积中油份的体积扣除。每个油水分离膜满负荷工作状态为0.86L/h的透过率，去除掉油份的体积，即为0.86L-2.5X10_5L/L X0.86L ^ 0.86L，故将进水量设定为0.85L/h便可完全满足进水水位低于油水分离膜的最高端。此时油水分离膜上部为油份预留的空间可储存的油体积含量为0.86L/h-0.85L/h = 0.01L/h,即当储存的油份含量与进水含量之和满足油水分离膜的满负荷状态时，浮于水面的油份即可溢流出来，进入所述的出油管道而进行统一收集。故将单个膜单元的进水量设定为0.85L/h，整个膜组件的进水量设定为0.85L/h X48 = 40.8L/h，通过安装的隔膜泵实现对水量的控制。与美国科氏滤膜系统公司TFC? -SS4”型卷式反渗透膜产品单位体积的进水量22.87L/dm3 -h相比，该膜组件单位体积进水量为40.8L/h/l.57dm3 = 25.99L/dm3.h，在体积的利用率上有一定优势。
[0010]所述的出油管道与所述的油水分离膜最高端上部空间相通，设计为直径与油水分离膜上部空间相匹配的0.2cm的圆形接口管道，48个膜单元设相应的48个出油管道，在竖直方向上保持位置一致，浮于水面的油份依靠溢流作用自行流入出油管道。
[0011]所述的储油罐与所述的出油管道连接，用于收集储存的油类，可实现资源的回收。视处理量规模可连接相应大小的储油罐。
[0012]所述的出水管道与所述的间隔膜上部空间相通，设计为直径与间隔膜上部空间相匹配的0.2cm的圆形接口管道，48个膜单元设相应的48个出水管道，在竖直方向上保持位置一致，水平方向上距离间隔膜最低端0.2cm，与所述的进水管道相对位于膜单元最低端的一侧。出水管道的作用主要是导出间隔膜上承载的处理后的水体，由于出水管道位于相对较低的位置，出水可沿着间隔膜倾斜角度流向次低端的出水口由所述的出水管道外排。当所述的油水分离膜发生堵塞现象时，通过改变膜组件周围的环境温度，使油水分离膜升温超过28°C或低于0°C，膜呈现亲油性，此时油份透过膜孔，流进间隔膜上部空间，待恢复环境温度后，膜组件进行正常工作，油水分离膜透过的水分与膜组件清洗过程中流进间隔膜上部的油份混合进入出水管道，此时的出水可重新进入膜组件进行处理。
【专利附图】
【附图说明】
[0013]图1是本发明装置的剖面图。
[0014]图中:1_膜组件；2_油水分离膜；3_间隔膜；4_进水管道；5_出油管道；6-储油槽；7-出水管道；8-膜组件的进水、出水管道位置示意图
【具体实施方式】
[0015]下面结合附图对本发明进行详细说明。
[0016]本发明提出一种能够回收水上微量轻质溢油的膜组件，该膜组件主要作用部件是具有温度响应的智能油水分离膜，基于该膜的特性，可实现对油水的深度分离处理，回收石油资源，同时解决了目前膜组件普遍存在的膜清洗和膜更换问题，节省了人力、物力。具体包括以下步骤:
[0017]步骤一、含油污水的进入:
[0018]所述的膜组件(I)进水量为40.8L/h，25个同样的膜组件(I)即可完全实现Ih内处理完It含油污水，占用的体积为3.14X5cm X5cm X20cmX25 = 39.25dm3，适合携带进行长期的溢油污染的深度处理。为处理漂浮于水域表面的浮油，截流水域0.1m深的水体引入到船体内，经过简单预处理后与所述的进水管道(4)连接，基于膜通量和膜面积的大小，以及对进水水位的考虑，设计进水速率为所述的单个油水分离膜(2)进水量0.85L/h，所述的一个膜组件(I)进水量40.8L/h，通过隔膜泵实现对进水量的控制。
[0019]步骤二、含油污水的处理及油类的回收:
[0020]所述的油水分离膜(2)通量为110L/m2.h，一般情况下，自然界水体温度在O?28°C之间，油水分离膜(2)为亲水疏油状态。含油污水进入后，由于进水量没有达到油水分离膜(2)通量的满负荷状态，水位保持在低于油水分离膜(2)最高端的位置，随着水分透过油水分离膜(2)进入间隔膜(3)上部，并顺势流进出水管道(7)不断排出，污水中的油份不断被截留、积累在膜表面，并随着进水的冲刷浮于进水的表层。当积累的油份高过油水分离膜(2)的最高端时，便溢流进入所述的出油管道(5)，随后进入出油管道(5)连接的储油罐
(6)，达到了回收石油资源的目的。
[0021]步骤三、膜堵塞的处理:
[0022]当油水分离膜(2)出现堵塞情况后，停止进水，改变膜组件⑴周围环境温度，使油水分离膜(2)升温超过28°C或低于(TC，此时油水分离膜(2)呈现亲油疏水性，堵塞在膜孔的油份透过油水分离膜(2)汇集到间隔膜(3)的上部。恢复环境温度后，进行正常的含油污水处理工作，此时最初的出水由于混有堵塞膜孔的油份可重新进入膜组件(I)中进行处理。
【权利要求】
1.一种用于回收油污的膜组件，包括膜组件，膜组件主体部件油水分离膜，用于间隔各个油水分离膜的间隔膜，与油水分离膜次低端上部空间相通的进水管道，与油水分离膜最高端上部空间相通的出油管道，用于储存油份的储油罐，与间隔膜次低端上部空间相通的出水管道。
2.根据权利要求1所述的一种油污回收的膜组件，其特征在于，所述油水分离膜为可通过温度变化改变亲水或亲油特性的智能油水分离膜，利用此特性使膜清洗过程简单易行，增加了膜组件的工作效率，延长了膜的使用寿命。
3.根据权利要求1所述的一种油污回收的膜组件，其特征在于，所述ABS圆柱体膜组件外壳，体积为3.14X5cm X5cm X20cm = 1.57dm3，该膜组件包含48个膜处理单元，均匀分布于ABS筒体中，每个处理单元与ABS外壳用粘结剂灌封。
4.根据权利要求1所述的一种油污回收的膜组件，其特征在于，所述油水分离膜设计为约5°角倾斜，可根据油份浮于水面上以及溢流的原理，通过隔膜泵对进水量的控制使含油污水中的油份堆积到油水分离膜的高端处并最终流进出油管道导出储存，回收了石油资源。
5.根据权利要求1所述的一种油污回收的膜组件，其特征在于，所述间隔膜采用无毒、质轻、耐压、耐腐蚀的无规共聚聚丙烯(PPR)材料制成。
6.根据权利要求1所述的一种油污回收的膜组件，其特征在于，所述进水管道、出油管道和出水管道设置在膜组件的三个不同的方向上，其中进水管道和出水管道相错位于膜单元最低端的左右两边，方便膜组件接口的制作，同时利用出水的自身重力达到快速出水的目的。
【文档编号】B01D63/00GK104209004SQ201310211558
【公开日】2014年12月17日 申请日期:2013年5月31日 优先权日:2013年5月31日
【发明者】杨玉楠, 宫慧婕, 高龙成 申请人:北京航空航天大学