纳米二氧化钛光催化剂在紫外光照射下对油田采出水进行化学氧化分离

摘要

本研究描述了用于采出水中除油的光催化设计。它涉及批量和连续过程。在玻璃反应器中进行了石油的光催化降解。纳米tio2的作用₂在间歇处理系统中，研究了处理过程的浓度、照明灯数和照射时间;在连续处理系统中，研究了处理过程的照明灯数、照射方向和照射时间。结果表明，间歇式系统除油效率最高，连续式系统除油率最高可达71%。

1.介绍

油气生产的常规流程包括大量注入水，以缓解石油采收率。这些水随有机化合物、盐和其他溶质纵向输送到地面，通常被识别为“采出水”[1，2]．采出水(PW)的构象是多方面的，可以包括许多浓度不同的化合物。溶解油、芳香烃和烷基酚(AP)具有特定的环境焦虑[3.]．由于油田废弃物对环境造成污染，在清除前必须进行处理。这些废物的处理可能会提高油水分离、石油回收、水循环、下游设施的保护和环保许可证的遵守[4]．由于立法和环境方面的考虑，PW的处理无疑是重要的。所有符合严格环境法规的纵向管道，在释放和注入储层之前，都需要油气生产商进行不同的废水处理，以减少造成的损害。5]．采出水处理正在工业化，以将采出水的数量减少到令人满意的水平[6]．在清除采出水中的某些污染物方面，采取的保守处理措施不那么积极[7，8]．有许多技术可以从产出水中分离有机成分，计算混凝的可变性[9- - - - - -11),吸附(12，生物分离[13]，以及膜分离[14] ．然而，这些处理方法都不能有效地处理产出水。额外的处理阶段是可选的，它被称为高级氧化过程(AOPs) [15，16]．AOPs可以完全破坏二氧化碳和水的有机污染物。在众多的AOPs中，多相光催化肮脏已经成为一种非常活跃的处理技术。TiO₂在高级氧化过程中，CdS或ZnO可能是催化剂。Nanodimensional TiO₂具有非常精确的表面积，这有利于离子在TiO₂表面。纳米尺度的TiO的₂结果表明，与体积大小的TiO相结合的水相不透明度增强了氧化能力₂［17- - - - - -20.]．一些研究人员考虑使用AOPs(光-fenton氧化)来消除有机污染物[21和太阳能光催化剂₂和氧化锌22]，其他研究人员将AOPs用于其他目的，如去除酚[9),矿化(23]、处理受汽油污染的水[24]，以及清除橄榄厂废水[25，26]．本研究的主要目的是利用光催化氧化法去除伊拉克阿赫代布油田采出水中的石油:首先，确定TiO的最佳值₂批次技术辐照时间;其次，研究紫外线强度、光方向、流速和照射时间对光催化过程的影响。值得指出的是，石油的去除意味着所有的有机污染物都将被降解。

2.材料和方法

2．1．材料

使用粒径小于30 nm的二氧化钛粉末。氢氧化钠₂所以₄(98%纯度)用于调节ph值。四氯化碳用于从采出水中提取油。所有的材料都没有经过额外的净化。

2.2。生产水

采出水样取自伊拉克Al-Ahdab油田。在这些实验中使用的采出水是从油田带出来的，暴露在大气中，然后保持在与原生环境相似的含氧环境中，直到处理过程变得有益。产出水的特征见表1。

2．3.紫外线/ TiO₂批处理反应堆

将光催化剂充入250ml产出水溶液中。溶液在装有8支紫外管(每支18 W，波长365 nm)的紫外空心管下照射。用磁力搅拌器混合容器中的溶液。在辐照前，用WTW pH-720数字pH计测量溶液的pH值。不同浓度的二氧化钛(25、35、50、150 ppm)，室温，pH = 6.5，照射时间1.5 h。

２.４.连续流反应器的设置

实验装置的总体布置如图所示1。空心(6)完全由黑色木材制成，有效体积为75 × 75 × 85厘米^3.，内含光催化玻璃反应器，尺寸为50 × 50 × 20 cm，如图所示2。使用容积为25 l的进料槽(1)来制备溶液。使用水泵(2)提供溶液。为了测量流量，使用了校准的流量计(5)。

2．5．连续光催化过程

通过将所需数量的光催化剂粉悬浮到25升的PW中，实现了油的光催化氧化。使用含油量为59.55 ppm的溶液。通过加入稀释的H₂所以₄溶液进入进料槽(1)。所需的TiO₂(25 mg/l)加入进料槽(1)，锁住阀门(4)循环10分钟，得到均匀溶液。泵(2)开启,饲料的解决方案是允许流槽通过泵(1)光催化反应器(6)。紫外线光源开启了光催化反应器(6)。通过阀(7)采集标本。所有实验在室温下进行,和流速(20岁,35岁,和50 ml/min)用流量计控制。用紫外光谱仪对样品进行分析，得出采出水中的除油率，公式如下: 在哪里η为除油率，一个_o为PW中油的初始浓度(mg·oil/l)，一个_t为PW中任意时刻的油浓度(mg·oil/l)。油的浓度是通过以下步骤确定的:在分离漏斗中向50 ml PW中加入0.25 g氯化钠。加入5毫升四氯化碳，摇匀3分钟。25分钟后，溶液一旦分成两层，就占用下层(有机)层进行吸光度测量，从校准曲线得到油的浓度。采出水中油的波长为312微米。值得指出的是，在处理前后测定了化学氧化有机物(COD)的耗氧量，分别为2000 ppm和63 ppm。由于紫外光谱仪可在实验室中使用，所以用它来测量油的浓度。

3.结果与讨论

3．1.批光催化过程

3.1.1。Photo-Oxidation性能

这项工作的目的之一是评估光催化方面的知识。数字3.说明了不同二氧化钛浓度下的除油率。从图中可以看出，除油率随着TiO浓度的增加而增加₂从91%增加到25ppm₂当二氧化钛浓度为35ppm时，最高去除率为100%。必须确定二氧化钛的最大数量，以避免过量使用不必要的催化剂，并确认辐射光子的全部吸收，以便实现有效的光补救。TiO的增加₂浓度的增加导致催化剂的比表面积增加，因此对有机污染物的去除也会增加[27，28]．

3.1.2。辐照时间的影响

采用间歇实验研究了辐照时间对光催化反应器的影响。数字4显示了结果。除油率随辐照时间的延长而增加。最佳照射时间为1.5 h;这与Horng等人的结果一致[29]．光催化处理所需的时间要短到可以减少电力消耗，这相当于使用电光源的整个操作成本的60%左右。然而，如果固定预处理时间也很短，残留在溶液中的中间体可能是静止的，在结构上与早期生物难降解复合材料相似，因此，不可生物降解[21]．

3.2。连续光催化过程

采用连续法研究了光催化方案。研究了紫外辐射、光辐射方向、流速和照射时间。对于系统的每一个评估，离散的因素是广泛的，而其他的保持不变。在一套单独的条件下测试了该组织的光催化降解能力。反应器体积的选择是为了得到一个合适的过程时间。

3.2.1之上。紫外线的影响

为了研究光反应器上的紫外线辐射，在三种不同的平均紫外线强度下进行了三次实验。通过改变紫外灯数(2、3、4)，研究了紫外强度对光催化过程的影响，其他条件不变(pH = 6.5，初始油浓度为59.55 mg/l, TiO₂= 25 mg/l, 60 min，流速= 20 ml/min，通过实验保持温度)。数字5说明了灯数对PW除油效率的影响。可见，补充紫外灯的数量增加了自由基的去除效率。实验结果表明，使用4盏紫外灯可以100%消除产出水的油。很明显，在目前的研究中测试的紫外线功率是有效的。这与Muruganandham和Swaminathan的结果一致[30.]．

3.2.2。光辐射效应

在不同的光方向和不同的流速(20-50 ml/min)下进行了一系列实验。结果表明，在低流速条件下，光顶方向的油分降解率明显低于光侧方向。在35和50 ml/min的流速下，特别是在如图所示的高流速下，光方向的影响是明显的6和7。这一行为表明侧灯的接触表面积低于顶灯的接触面积。因此，光的方向对降解速率有很大的影响。顶光方向比侧光方向更能提高自由基的生成速率。这些解释与Haji等人得到的一致[31]．

3.2.3。流量影响

流速是考察PW溶液通过光催化反应器的除油率的重要因素之一。通过改变采出水溶液流速20 ~ 50ml /min，考察采出水的除油效果。数据8和9结果表明，20 ml/min的采出水流速可以获得最大的除油效果。由于流速增大，采出水中有机物含量与催化剂表面之间的辐照时间缩短。如图所示8时，油的去除率逐渐降低，达到顶部84%左右，侧光方向79%左右。随着采出水流量的增加，tio2的降解率较低，说明时间对TiO的影响₂来降解污染物。这一发现与Monteiro等人的结果一致[32]．这可以解释为停留时间减少了;由于停留时间的缩短，污染物不能被氧化，这对TiO来说是不够的₂降解污染物。数据8和9表明延长停留时间有效地提高了降解率。这是由于油分子在催化剂上的吸附速率提高了活性表面积，从而提高了反应速率。实验表明，流速与浓度成反比。在20 ml/min的条件下，采用4盏紫外灯在顶部和侧光方向照射，采出水的最大除油效率为100%。

3.2.4。辐照时间对连续过程的影响

PW在连续型光反应器中的辐照时间主要取决于反应器的流量和容积。在采出水中含油量初始浓度为59.55 ppm、pH = 6.5、室温、TiO等条件下，研究了辐照时间的影响₂= 25 mg / L。数字10显示结果;初始降解速率较高，这可能与光催化剂表面与采出水之间的相互作用增多有关。当保留时间增加到1.5 h时，光反应器的累积体积，1 h内的除油效率达到62.5%。去除效果提高到66%。当处理时间增加到150 min时，油的降解水平显著稳定在71%的除油效率。上述结果与已发表的研究结果一致[32，33]．

4.结论

本文研究了纳米tio光催化多相氧化降解采出水中含油量的方法₂分批连续处理。在玻璃反应器中进行了含油量的光催化降解。TiO的作用₂在间歇系统中研究了浓度、灯数和辐射时间，并将所有油都去除。在连续处理中，研究了灯数、光照和时间，最大除油率为71%。

数据可用性

用于支持这项研究结果的数据包括在文章中。

的利益冲突

作者声明他们没有利益冲突。

致谢

这项研究是在伊拉克Al-Nahrian大学进行的。作者对工程学院车间技术人员的杰出支持表示感谢。

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