摘要：為了克服電絮凝法處理乳化油廢水時存在的效率低下、耗時較長和能耗較高等問題，以納米Fe?O?為凝核、羧甲基纖維素鈉(CMC?Na)為黏合劑、聚硫酸鐵(PFS)為原料，開發(fā)了一種新型磁性破乳劑PCNF，形成電絮凝與磁性破乳劑的聯(lián)合作用體系。實驗結(jié)果表明，相較于傳統(tǒng)絮凝劑，電化學(xué)+PCNF的組合方式展現(xiàn)出更高的除污效率。PCNF的最佳投加量為2.0?g/L，此時乳化油廢水中剩余COD濃度為43?mg/L，含油量降至3.72?mg/L。進一步優(yōu)化PCNF的投加量，當(dāng)調(diào)整投加方案為1.5?g/L?PCNF?+?0.5?g/L氯化鈣時，剩余COD濃度為46?mg/L，含油量為5.08?mg/L，且電解時間縮短至90?min；與單獨使用PCNF相比，成本顯著降低，在實現(xiàn)高效破乳除油的同時，達(dá)到了節(jié)約成本的目的。利用COMSOL軟件模擬乳化油滴聚集過程，發(fā)現(xiàn)在電場作用下，油滴的破乳依賴于電場強度和油水界面張力；破乳劑的加入能夠減小油水界面張力，從而促進油滴聚集，加速破乳過程。

乳化油廢水作為一種難處理的含油廢水，其化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，常規(guī)的沉淀、氣浮等措施對其處理效果較差，且處理后的回收利用較困難，這制約了該類廢水的有效處理及資源化進程。目前可有效處理乳化油廢水的技術(shù)主要包括吸附法、絮凝法、膜分離法、電化學(xué)法、磁分離法等。其中，電化學(xué)法具有綠色且高效的優(yōu)點，受到廣泛關(guān)注。然而，單一的電化學(xué)法對乳化油廢水的處理效率不高，耗時長且能耗過高。為了提高破乳除油效率，本研究引入破乳劑來協(xié)助電絮凝。納米Fe?O?磁性粒子常用于制備磁性納米材料，具有磁響應(yīng)性好、比表面積大、磁性伸縮系數(shù)大、生物相容性良好等優(yōu)點。本研究以納米Fe?O?為凝核、羧甲基纖維素鈉(CMC?Na)為黏合劑、聚硫酸鐵(PFS)為原料，制備出一種新型磁性破乳劑PCNF，并將其與電絮凝工藝耦合，以期提高乳化油廢水的處理效率。同時，為深入探討乳化油的破乳原理，利用COMSOL模擬軟件建立了直流電場作用下的油滴聚集模型，并對油滴聚集過程和油水界面張力的動態(tài)變化進行了研究，建立微觀模擬結(jié)果與宏觀實驗的聯(lián)系，通過控制關(guān)鍵因素實現(xiàn)控制油水界面張力的目標(biāo)。

1 材料與方法

1.1 乳化油廢水的制備

量取200?mL純水，加入4?mL正十六烷、0.4?g十二烷基硫酸鈉(SDS，陰離子表面活性劑)和1?g?NaCl，以350?r/min轉(zhuǎn)速攪拌30?min，然后將其置于超聲細(xì)胞破碎器中進行15?min的超聲波處理，使其形成穩(wěn)定的乳化液，隨后定容到1000?mL燒杯中，調(diào)節(jié)pH至7.00，配成含油量為103?mg/L、COD為1200?mg/L的乳化油廢水。

1.2 磁性破乳劑PCNF的制備

在500?mL燒杯中將1?g羧甲基纖維素鈉增稠劑溶解于200?mL去離子水中，在35?℃水浴下加熱并以600?r/min快速攪拌，30?min后加入3?g的PFS，繼續(xù)攪拌30?min后備用；取1?g納米Fe?O?置于干凈的燒杯中，加入30?mL蒸餾水，在超聲分散儀中處理15?min制得納米Fe?O?懸濁液，然后將其倒入羧甲基纖維素鈉所在的燒杯，攪拌30?min后，再超聲分散10?min，將得到的凝膠狀物質(zhì)放入烘箱內(nèi)烘干，倒出后充分研磨即得到磁性破乳劑PCNF。

1.3 實驗裝置

實驗構(gòu)建的電絮凝裝置如圖1所示，反應(yīng)器為方形玻璃容器(體積為1?L)，將其置于磁力攪拌器上，采用直流電源，陰、陽極板均為鋁極板，極板尺寸為100?mm×100?mm。實驗裝置開啟后，投加一定量的PCNF破乳劑到反應(yīng)器中，同時開啟電源，即可形成電絮凝與磁性破乳劑的聯(lián)合作用體系。電絮凝系統(tǒng)在反應(yīng)過程中可發(fā)生氧化還原、混凝、沉降、氣浮等一系列協(xié)同作用。陽極產(chǎn)生的Al3?會與陰極產(chǎn)生的OH?生成絮體，有助于吸附和沉淀水中的污染物；同時，陰極產(chǎn)生的氫氣具有氣浮和傳質(zhì)功能，可提高絮體與污染物之間的碰撞幾率。

1.4 分析項目與方法

采用快速消解光度法測定COD濃度；采用紫外分光光度法測定含油量；采用芬蘭Kibron?dIFT雙通道動態(tài)界面張力儀測定破乳劑的動態(tài)界面張力（該儀器基于Wilhelmy板法原理，能夠?qū)崟r記錄界面張力隨時間的變化，從而捕捉破乳過程中的動態(tài)界面行為）；采用NanoS90馬爾文粒度電位分析儀測定Zeta電位和油滴粒徑；采用掃描電子顯微鏡(SEM)觀察破乳劑的表面形貌；采用傅里葉變換紅外光譜儀(FTIR)分析分子結(jié)構(gòu)和官能團；采用X射線衍射儀(XRD)評估材料的晶體相和結(jié)構(gòu)性能。

1.5 幾何模型與邊界條件

基于COMSOL仿真模擬軟件，O/W型乳化液中油滴在電場作用下的數(shù)值模擬仿真模型如圖2所示。左圖展示了水和油在模擬中的設(shè)定，油為分散相，水為連續(xù)相，水包裹在油滴外面，兩種介質(zhì)互不相溶。極板間距為10?mm，初始狀態(tài)下兩油滴的直徑為2.4?mm。由右圖可以看出，電場方向為由上向下，相當(dāng)于左圖中上邊界給予電勢，下邊界則為接地。在電場作用下，油滴相互靠近直至聚結(jié)。在該數(shù)值模擬仿真模型中，將水相的相對介電常數(shù)設(shè)為80，油相的設(shè)為2.2，其余參數(shù)則按系統(tǒng)默認(rèn)值設(shè)置。選擇網(wǎng)格尺寸為10578，在保證準(zhǔn)確性的同時實現(xiàn)計算經(jīng)濟性。