用于页岩气返排水的积木式导电分离膜系统装置及方法

技术领域

本发明属于页岩气返排水膜分离处理领域，具体涉及一种用于页岩气返排水的积木式导电分离膜系统装置及方法。

背景技术

页岩气返排水是水力压裂完成后从井中返排回地表的混合液，其水质特点体现为组分复杂、高COD且难生化降解、高TSS和高TDS。与其他处理技术相比，膜分离技术具有高效低能、出水水质优良、占地面积小且模块化结构便于现场处理等优点，成为返排水处理的主要技术之一。针对不同的处理目的，页岩气返排水的膜处理技术主要可以分为，预处理技术微滤和超滤去除悬浮物和微生物及深度处理技术纳滤、反渗透、膜蒸馏、正渗透等用以脱盐。然而，在膜处理过程中，返排水中的有机物和悬浮物等在膜表面或膜孔内吸附沉积造成的膜污染极大制约了膜分离技术的大规模应用。因此，寻求有效的处理手段以缓解甚至消除返排水处理中的膜污染尤为重要。

导电分离膜作为一种新型功能膜材料，在发挥分离特性的同时利用静电排斥、电致气泡、电润湿、电化学氧化还原、电增强吸附等原理来缓解膜污染和降解污染物，成为国际膜科学领域研究的新热点。结合导电分离膜缓解膜污染的同时还能实现水质的提高，将其应用于返排水处理中并开发适用膜组件反应器，对于推动导电分离膜的实际应用和页岩气行业膜技术发展具有重要意义。

发明内容

本发明针对现有技术中页岩气返排水膜污染问题，提供一种用于页岩气返排水的积木式导电分离膜系统装置及方法。

本发明所采用的具体技术方案如下：

第一方面，本发明提供了一种用于页岩气返排水的积木式导电分离膜系统装置，包括膜分离装置，膜分离装置包括相互连通的上部分离区和下部滤液区；

所述分离区是由顶盖模块、普通模块、对电极模块和膜电极模块组成的积木拼接式腔体结构；所述顶盖模块位于最上端，其上开设有均能与储水槽连通的进水口和回流口；顶盖模块下方可拆卸式连接有若干普通模块，以实现分离区高度和体积的变化；所述对电极模块与下方相邻模块之间夹持有对电极，对电极能将所在处分离区的横截面完全覆盖；所述膜电极模块位于对电极模块下方，底部通过法兰盘与滤液区连通；所述法兰盘的空心处填充有多孔垫板，法兰盘与膜电极模块之间夹持有导电分离膜，导电分离膜能将所在处分离区的横截面完全覆盖；所述对电极和导电分离膜能分别与直流电源的正负极相连，使对电极和导电分离膜之间的分离区能构成电化学处理区域；对电极和导电分离膜之间能通过调整放置普通模块的数量，以改变两电极的间距；所述滤液区为设置于法兰盘下方的一体化中空结构，顶部设有排水漏斗，下部作为滤液收集区，底部开设能与产水槽连通的出水口。

作为优选，所述顶盖模块、普通模块、对电极模块和膜电极模块之间通过螺栓可拆卸式同轴固定，相邻模块之间通过O型圈密封；

作为优选，所述对电极和导电分离膜之间的各相邻模块，通过导电O型圈实现密封；所述多孔垫板外沿通过导电O型圈与法兰盘密封连接。

作为优选，所述进水口通过设有进水泵的管路与储水槽连通，回流口通过设有进水流量计的管路与储水槽连通；所述储水槽中带有恒温功能的磁力搅拌器。

作为优选，所述膜电极模块上开设有取样口，取样口用于取样或插入用于进行电化学现象分析的参比电极。

作为优选，所述膜分离装置外底部套设有用于支撑的三脚梯形支架；普通模块、对电极模块和膜电极模块均为内部中空的壳体结构

作为优选，所述对电极材料为不锈钢网或钛网，导电分离膜材料为负载碳纳米管材料的聚偏二氟乙烯超滤膜。

作为优选，所述出水口通过设有流量计、出水泵和真空表的管道与产水槽及数据收集系统相连；所述滤液区上端1/4处设有备用真空泵接口，以备出水泵供压不足之需。

作为优选，所述直流电源和警报器串联，并与大小为500～1000Ω的电阻并联，以实时监测膜分离装置的电压状态。

第二方面，本发明提供了一种利用第一方面任一所述积木式导电分离膜系统装置的页岩气返排水处理方法，具体如下：

通过进水口向分离区中通入待处理的页岩气返排水，通过开启或关闭回流口以切换膜分离装置错流式或死端的过滤运行方式，利用设置于出水口通路上的出水泵使页岩气返排水通过导电分离膜；将对电极和导电分离膜分别与直流电源的正负极相连，使页岩气返排水在经过对电极和导电分离膜之间的分离区时，在实现废水过滤的同时进行电化学降解处理；在该过程中，利用静电排斥及电化学氧化还原能减缓导电分离膜的膜污染；通过分离区处理后的废水，经多孔垫板进入滤液区，随后从出水口流出实现收集。

本发明相对于现有技术而言，具有以下有益效果：

1)本发明中所采用的导电分离膜，制备工艺简单，不仅具有传统膜分离的截留作用，还具有优异的电化学性能和机械稳定性，可在页岩气返排水处理过程中加快电子传递促进有机污染物的降解，并通过电化学作用缓解膜污染延长分离膜的使用周期，同时，以对电极(钛网)作为阳极，降低投资成本。

2)本发明的反应装置中，通过膜分离系统与电化学系统的耦合，一方面在膜表面施加电压通过静电排斥等作用缓解膜污染现象的发生，另一方面电场的引入促使了氧化还原反应的发生，降解有机污染物提高出水水质。

3)本发明中的反应装置中，顶盖模块同时设有进水口和回流口，可通过开启或关闭回流口实现错流式或死端的过滤方式的切换运行。此外采用导电分离膜直接与电源导线相连的方式，避免了接触不良的问题。

4)本发明中的装置作为积木式拼接的膜分离反应器，通过在相关模块之间增加或减少普通模块个数来调整两电极的板间距和分离区容积，具有易于拆卸、便于安装、占地面积小和节约成本的优点。

附图说明

图1为本发明装置的一种结构示意图；

图中：储水槽1，进水流量计2，进水泵3，进水口4，顶盖模块5，普通模块6，螺栓孔7，凹槽8，分离区9，对电极模块10，膜电极模块11，取样口12，法兰盘13，多孔垫板14，排水漏斗15，滤液区16，三脚梯形支架17，滤液收集区18，出水口19，回流口20，对电极21，电阻22，直流电源23，警报器24，导电分离膜25，真空泵接口26，出水流量计27，出水泵28，真空表29，产水槽30，数据收集系统31。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步阐述和说明。本发明中各个实施方式的技术特征在没有相互冲突的前提下，均可进行相应组合。

如图1所示，为本发明提供的一种用于页岩气返排水的积木式导电分离膜系统装置，该装置主要包括膜分离装置，膜分离装置包括位于上部的分离区9和位于下部的滤液区16，分离区9和滤液区16相互连通。分离区9由一系列模块通过螺栓串联而成，滤液区16是一体化构型，分离区9和滤液区16则是通过螺栓连接构成的一体化导电分离膜系统装置。本发明通过膜分离系统与电化学系统的耦合，缓解膜污染的同时又实现了污染物的去除，下面详细描述各结构的具体实现方式。

分离区9是由一个顶盖模块5、多个普通模块6、一个对电极模块10和一个膜电极模块11组成的积木拼接式腔体结构。在实际应用时，顶盖模块5、普通模块6、对电极模块10和膜电极模块10之间通过螺栓可拆卸式同轴固定，相邻模块之间通过O型圈密封。具体的，普通模块6上下两端都凿有一圈圆形凹槽8以放置O型圈，防止液体溢出起到密封的作用；另外组成分离区的所有模块以及法兰盘13边缘一圈均匀凿有螺栓孔7以放置螺栓，用以上下模块间的连接。

顶盖模块5位于最上端，为盖体结构，其上开设有均能与储水槽1连通的进水口4和回流口20。在实际应用时，进水口4通过设有进水泵3的管路与储水槽1连通，回流口20通过设有进水流量计2的管路与储水槽1连通。顶盖模块5下方可拆卸式连接有多个普通模块6，通过调整普通模块6的数量，能够实现分离区9高度和体积的变化，应对不同的场景需要。

对电极模块10与下方相邻模块之间夹持有对电极21，对电极21能将所在处分离区9的横截面完全覆盖。膜电极模块11位于对电极模块10下方，底部通过法兰盘13与滤液区16连通。法兰盘13的空心处填充有多孔垫板14，法兰盘13与膜电极模块11之间夹持有导电分离膜25，导电分离膜25能将所在处分离区9的横截面完全覆盖。对电极21和导电分离膜25能分别与直流电源23的正负极相连，使对电极21和导电分离膜25之间的分离区9能构成电化学处理区域。对电极21和导电分离膜25之间能通过调整放置普通模块6的数量，以改变两电极的间距。也就是说，对电极模块10下方相邻的模块可以为普通模块6，也可以为膜电极模块11，通过调整对电极模块10下方放置的普通模块6数量，可以改变对电极21和导电分离膜25之间的距离，进而能够调整电化学处理区域大小和效果。

在实际应用时，膜电极模块11上开设有取样口12，便于导电分离膜25微界面处溶液取样分析，此外，该取样口12旋钮盖设有T型塞可插入参比电极，连接电化学工作站对反应过程发生的电化学现象进行分析。膜电极模块11与法兰盘13通过螺栓进行连接，导电分离膜25则放置在两者中间。膜分离装置外底部套设有用于支撑的三脚梯形支架17。多孔垫板填充在法兰盘13处，孔径设为1mm，用以支撑导电分离膜11。直流电源23和警报器24串联，并与大小为500～1000Ω的电阻22并联，以实时监测膜分离装置的电压状态。储水槽1中带有恒温功能的磁力搅拌器，以维持料液温度恒定和避免浓差极化。对电极21材料为导电性良好的不锈钢网或钛网，与直流电源23正极相连。导电分离膜25全部由导电材料组成，由导电O型圈进行密封接触，与直流电源23负极相连；分离膜材料为负载碳纳米管材料的聚偏二氟乙烯超滤膜，且导电层具备良好的稳定性。

滤液区16为设置于法兰盘13下方的一体化中空结构，顶部设有排水漏斗15，下部作为滤液收集区18，底部开设能与产水槽30连通的出水口19。

在实际应用时，出水口19通过设有流量计27、出水泵28和真空表29的管道与产水槽30及数据收集系统31相连。滤液区16上端1/4处设有备用真空泵接口26，以备出水泵28供压不足之需。进水泵3和出水泵28均采用蠕动泵，输送液体的同时并能通过调节转速来控制进水流速和为反应体系提供负压。回流口20和出水泵28前都接有流量计227以测试进出水流量，出水泵后接有真空表29，实时监测反应体系压差。产水槽30放置在电子精密天平上，电子精密天平连接数据收集系统31，实时监测膜通量变化情况。

在本实施例中，上述装置结构具体如下：

分离区9按照顶盖模块5、普通模块6、对电极模块10和膜电极模块11从上至下的顺序通过螺栓串联而成。除了顶盖模块5，其余模块都是内外径之比为0.8的空心圆柱体。空心圆柱体空心圆边缘上下两端都凿有尺寸一致的凹槽8以固定密封圈，且靠近圆柱体圆环边缘区域处均匀凿有六个螺栓孔7。顶盖模块5顾名思义是整个反应装置的顶盖，它是与空心圆柱体外圆半径一致的圆柱体，在与空心圆柱内圆对应位置处均匀设外接进水口4和回流口20，同时在圆柱平面剩余区域凿有与其他模块相同位置处尺寸一致的六个螺栓孔7，起到与其他模块连接紧固的作用。普通模块6是本发明的亮点之一，每个普通模块的尺寸必须一致。根据反应条件所需，可通过增加或减少普通模块6个数来调整分离区容积，也可在对电极模块10和膜电极模11块间添加普通模块6来改变电极间距。对电极模块10和膜电极模块11是容纳电极的部分，是整个反应装置的关键要素。对电极模块10可与普通模块6或膜电极模块11进行拼接组合，不锈钢网或钛网等作为对电极则平行放置在两组合模块中间，通过模块间的螺栓连接以固定电极；导电分离膜25则由膜电极模块11与法兰盘13两部分进行固定，膜电极模块11左侧边还设有取样口12，便于导电分离膜25微界面处溶液取样分析，此外该取样口12旋钮盖带有T型塞设计可插入参比电极，连接电化学工作站对反应过程发生的电化学现象进行分析。另外，导电分离膜25尺寸须大于模块空心圆尺寸以便膜过滤过程的正常进行。

滤液区16是膜过滤过程驱动力供给和收集滤液的区域。基本构造如图1所示，由一个法兰盘连接滤液收集柱体，在柱体底端1/3处嵌套三脚梯形支架17的一体化装置。滤液区16上端带有的法兰盘13尺寸与膜电极模块11一致，使用时将法兰盘与分离区的一系列模块对齐，加上导电O型圈，用螺栓连接固定。孔径为1毫米的多孔垫板14填充在法兰空心圆处，用以支撑导电分离膜25并使得滤液透过。法兰盘13空心圆下端设有排水漏斗15，从多孔垫板14透过的滤液在此收集并引流至下方滤液收集区18。滤液区16底部设有出水口19经管路与出水泵28通入产水槽30，出水泵28选用蠕动泵，输送滤液的同时并为反应体系提供负压。管路上设有真空压力表29和流量计27用以监控压差和过水流量的测定。此外，滤液区16上端1/4处设有备用的真空泵接口26，出水蠕动泵供压不足时，可外接大功率真空泵进行供压，一般情况下，该接口用螺旋盖进行封闭，保证体系的气密性。

另外，为了避免浓差极化，储水槽1设有磁力搅拌和恒温装置，使得进水混合均匀，温度恒定。同时，直流电源23和警报器24串联，并与大小为500～1000Ω电阻22并联，以实时监测所述反应装置的电压状态。

利用上述导电分离膜系统装置缓解膜污染和处理岩气返排水的方法，具体如下：

按照顶盖模块5、普通模块6、对电极模块10、膜电极模块11从上至下的顺序组装成分离区9。遵循分离区9在上，滤液区16在下的原则将组成分离区9各模块与滤液区16法兰盘13的螺栓孔7对齐一致，上下通过螺丝杆串联连接。对电极钛网21则平行放入对电极模块10和膜电极模块11的中间，外接直流电源23正极，导电分离膜25则放置在多孔垫板14上，由膜电极模块11和法兰盘13进行紧固，外接直流电源23负极。

通过进水泵3向分离区9输送页岩气返排水，并利用回流口20使得返排水在分离区9中循环；打开出水泵28利用负压使得返排水通过导电分离膜25；使用过程中直流电源23的正负两极分别连接对电极21与导电分离膜25，控制电压为3V，对电极21和导电分离膜25分别发生阳极氧化和阴极还原反应并产生羟基自由基等活性氧物质以降解返排水中的有机物，减少导致膜污染的前体物；同时，外加电压能够明显增强导电分离膜25表面电势，进而增大带负电污染物与导电分离膜间的静电斥力，减少污染物在膜表面的沉积；另外，水在膜表面电解产生气泡，会对沉积在膜表面的污染物产生一定冲刷作用。在实际反应过程中，以上三种作用协同可以减缓导电分离膜25上的膜污染现象；返排水通过导电分离膜25最终进入滤液区16以达到实现水质过滤的目的。

本发明通过膜分离系统与电化学系统的耦合，一方面在导电分离膜表面施加电压通过静电排斥等作用缓解页岩气返排水膜污染现象的发生，另一方面电场的引入促使了电化学氧化还原反应的发生，降解其中的有机污染物提高出水水质。装置采用积木式模块组装方式，具有易于拆卸、便于安装、占地面积小和节约成本的优点。

以上所述的实施例只是本发明的一种较佳的方案，然其并非用以限制本发明。有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型。因此凡采取等同替换或等效变换的方式所获得的技术方案，均落在本发明的保护范围内。