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国家自然科学基金重点项目成果速递| 同步去除硬度和有机物的核晶造粒技术
发布者: 金鹏康 | 2022-12-02 | 855

2022年度,污水处理与资源化创新团队获准国家自然科学基金重点项目 “黄河中上游油气钻井废水复合污染物的核晶造粒同步去除与随钻再生工艺原理”(基金号:52230001),该项目用于解决工业废水中悬浮物、高价离子(如Ca2+、Mg2+、Mn2+、Co2+、Ni2+等)与有机物共存体系处理过程复杂冗长、产生大量高含水率污泥等问题,其中硬度离子和有机物的同步去除是该研究的重点内容之一。围绕该项目,团队日前在工程技术领域著名期刊Separation and Purification Technology发表了题为 "A novel nucleation-induced crystallization process towards simultaneous removal of hardness and organics"的文章,并授权了1项国家发明专利《同步去除高价离子和有机物的核晶凝聚诱导造粒水处理装置》(授权公告号ZL 202010278446.6)。

同步去除硬度和有机物的核晶造粒技术

题目:A novel nucleation-induced crystallization process towards simultaneous removal of hardness and organics

期刊:Separation and Purification Technology

IF:9.136

发表时间:2022年11月

第一作者:李尧 博士研究生

通讯作者:金鹏康 教授

主要观点

构建了一种硬度离子和有机物同步去除的核晶造粒一体化处理技术;

探明了以硬度为核晶中心的有机物-硬度离子共聚造粒行为机制;

建立了以水力稳态调控为核心的强化结晶造粒调控策略;

揭示了共聚体在配位、重组过程中的结构转化特性。

图文摘要

文章简介

位于我国黄河中上游的油气藏以低渗透、低压和低丰度油气田为主,通常需要提供持续、稳定的水资源以保障钻井作业从而提升油气产能,但同时会产生大量的钻井废水。该区域脆弱的生态环境和极度缺水严重制约着油气开采效率,钻井废水资源化已成为黄河中上游油气开发未来10-20年生态环境保护的主要方向。然而,有别于城市污水再生处理,钻井废水资源化利用面临着巨大困难:其一在于钻井废水高有机助剂和高硬度严重影响循环配制钻井工作液性能;其二在于油气钻井作业井场空间狭小,冗长且占地面积大的工艺流程很难适应钻井作业现场;其三在于油气钻井作业迁移频繁,井场沟壑纵横且道路崎岖,新鲜水供给和钻井废水收集与转运困难。对此,亟需研发高效、低耗、短流程的复合污染物高效去除新工艺与新技术。

水与废水处理过程通常包括污染物转化及其在固相中富集,最终通过固液分离去除多个步骤,但作为关键环节的固液分离效率受制于絮凝体密度。通过普通化学混凝生成的絮凝体结构松散,含水率高,密度小,沉速低,难以高效分离且处理设施庞大。基于此,团队自上世纪90年代起先后完成了造粒混凝理论的原始创新,突破了致密型絮凝体形成的技术难题,提出了将水中微元颗粒的聚集成长从随机碰撞结合模式转变为规则型结合模式的理论模型,通过近30年两代人的努力建立了逐一附着型、收缩脱水型、核晶凝聚诱导型造粒混凝的技术体系。项目成果先后荣获国家科技进步二等奖、陕西省科学技术一等奖等多项科研奖励。

图1 造粒混凝示意图

在造粒混凝原理基础上,提出了核晶造粒凝聚模式,即在水中加入晶种通过沉淀诱导硬度离子附着于晶种表面形成结晶体,再以离子结晶体为核心吸附聚集、键联捕获有机物,高强度容积挤压力作用使高浓度微粒间液膜中的水分迅速排除,形成局部负压“收缩脱水”,从而将絮凝体分步成长过程中形成的高次空隙水挤压出去。依托于该模式,构建了核晶造粒一体化处理技术,该技术既能实现絮体致密化,使钻井废水中的水资源得到极大程度回收,又同步去除了水中的硬度离子及有机物。

图2 药剂投加量对NICP处理效果的影响

图3 NICP处理前后有机物的三维荧光图谱变化

图4 NICP处理前后有机物的XPS图谱变化

图5 NICP所形成的造粒体形貌表征

图6 NICP所形成的造粒体官能团表征

原文信息

图7 原文刊出截图

原文信息:https://doi.org/10.1016/j.seppur.2022.122785

同步去除高价离子和有机物的核晶造粒水处理装置

基于20余年造粒混凝理论研究与工作积累,结合2013年度所获专利《一种低浓度有机物的核晶凝聚方法》(ZL 201310690137.X),团队在高价离子和有机物同步去除方面又授权一项国家发明专利《同步去除高价离子和有机物的核晶凝聚诱导造粒水处理装置》(ZL 202010278446.6)。该专利所涉及方法能实现高价离子、有机物及高价离子-有机物共存体系的污染物高效去除和含水污泥致密化,为工业废水的处置提供了一种切实可行的技术及装置,欢迎有合作意向的研发团队与企业前来咨询!

图8 专利授权通知书

项目支撑简介

金鹏康教授主持的国家自然科学基金重点项目“黄河中上游油气钻井废水复合污染物的核晶造粒同步去除与随钻再生工艺原理”,针对黄河中上游能源开发水资源保障和污染控制的重大需求,瞄准我国能源化工行业高耗水与西北地区极度缺水的“卡脖子”问题,基于造粒混凝技术原理,以高污染物含量和复合污染物体系的能源化工废水为研究对象,创新性地提出核晶造粒凝聚模式,并分为四个专题完成。其一是揭示典型污染物的转化特征,其二是研发针对不同污染物的特征晶种,其三是探明结晶聚合体对有机物的捕获和配位作用,其四是技术集成以构建核晶造粒技术体系。该项目的实施旨在为工业废水中污染物的高效去除及快速分离提供理论基础和技术保障,助力国家“双碳”目标如期实现!

图9 项目技术路线