謝水祥 任 雯 喬 川 仝 坤 孫靜文 張明棟 劉曉輝 張哲娜

1.“石油石化污染物控制與處理”國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室·中國(guó)石油安全環(huán)保技術(shù)研究院有限公司2.中國(guó)石油西南油氣田公司蜀南氣礦

0 引言

水基廢鉆井液和鉆屑主要采用在井場(chǎng)就地固化填埋和自然蒸發(fā)的方式處置，少量重復(fù)利用，資源化率低，環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)高，現(xiàn)有的處置方式簡(jiǎn)單，若處置不當(dāng)，易造成土壤和地下水的污染隱患，存在被政府環(huán)保部門認(rèn)定為采用“滲坑和灌注”方式處置污染物的法律風(fēng)險(xiǎn)。隨著新環(huán)保法的實(shí)施，傳統(tǒng)的固化填埋處理方式將逐步被嚴(yán)格禁止?？碧介_發(fā)中產(chǎn)生的水基鉆井廢棄物若不能及時(shí)有效處理，將面臨法律制裁和罰款。近年來，針對(duì)不同鉆井液體系的鉆井廢棄物，國(guó)內(nèi)先后開發(fā)了化學(xué)脫穩(wěn)固液分離、隨鉆處理等系列新技術(shù)[1-4]，取得了顯著效果，鉆井廢棄物不落地處理技術(shù)得到快速發(fā)展和現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用。但大部分現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用對(duì)廢棄鉆井液中的有價(jià)值成分未加以回收利用，現(xiàn)有振動(dòng)篩、離心機(jī)等固液分離技術(shù)及設(shè)備均很難實(shí)現(xiàn)粒徑小于等于10 μm的有害固相及超細(xì)微顆粒的去除。

另一方面，國(guó)外學(xué)者對(duì)電吸附技術(shù)的研究較早，應(yīng)用方面也較為成熟，在水處理中的應(yīng)用較為廣泛[5-8]。早在20世紀(jì)60年代，Ayronaci等就采用了多孔活性炭作為電極去除水中的鹽分[9-12]。隨著電力和電極材料的不斷發(fā)展，電吸附技術(shù)的應(yīng)用也更加廣泛，不僅用于廢水中無(wú)機(jī)鹽、重金屬、酸根等離子的去除[13-14]，也應(yīng)用于有機(jī)污染物及某些膠體顆粒的去除[13-17]。但還尚未見到報(bào)道將電吸附技術(shù)用于廢棄鉆井液的處理。

筆者將電吸附技術(shù)應(yīng)用于廢棄鉆井液的再生處理（吸附處理廢棄鉆井液中的有害固相）技術(shù)研究，在不添加化學(xué)處理劑的情況下實(shí)現(xiàn)廢棄鉆井液劣質(zhì)固相的去除，提高再生鉆井液的性能，為廢棄鉆井液的循環(huán)利用提供了一條新的途徑。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)原料及儀器

實(shí)驗(yàn)藥劑：氯化鈉（分析純）、氯化鉀（分析純）、碳酸鈉（分析純）、氯化鈣（分析純）、氫氧化鈉（分析純）、優(yōu)質(zhì)膨潤(rùn)土（工業(yè)級(jí)）。

實(shí)驗(yàn)儀器：101型電熱鼓風(fēng)干燥箱（北京市永光明醫(yī)療儀器廠）、AL104型電子天平（瑞士Mettler Toledo公司）、GJS-B12K型高頻高速攪拌機(jī)（青島海通達(dá)專用儀器廠）、Sension5型便攜式電導(dǎo)率儀（美國(guó)哈希公司）、PHS-3C微機(jī)型pH計(jì)（上?？祪x儀器有限公司）、Mastersizer 2000型激光粒度分析儀（英國(guó)馬爾文儀器公司）、室內(nèi)小型電吸附裝置（自制）。

1.2 電吸附靜態(tài)實(shí)驗(yàn)裝置

鉆井液的電吸附實(shí)驗(yàn)是在如圖1所示的電吸附裝置中進(jìn)行的，由電源控制器、絕緣電解槽和插入式電吸附極板3個(gè)部分構(gòu)成。

圖1 電吸附實(shí)驗(yàn)裝置示意圖

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

1）將配制好的鉆井液（5%膨潤(rùn)土鉆井液）裝入電解槽中，電吸附極板插入到對(duì)應(yīng)的卡槽里，調(diào)至實(shí)驗(yàn)電壓，待達(dá)到實(shí)驗(yàn)電壓時(shí)開始計(jì)時(shí)，實(shí)驗(yàn)時(shí)間結(jié)束后將極板上吸附的固相顆粒物用刮片刮下盛入已知質(zhì)量的燒杯中，送入烘箱中烘干、稱量，通過差減法計(jì)算得到對(duì)應(yīng)條件下的固相顆粒物吸附量。

2）記錄實(shí)驗(yàn)過程中鉆井液吸附前后的電導(dǎo)率及電流變化。每次實(shí)驗(yàn)鉆井液量為2 L，極板沒入鉆井液中的面積為92.4 cm2（長(zhǎng)12 cm×寬7.7 cm）。

2 結(jié)果與討論

研究過程中，采用單因素實(shí)驗(yàn)法，分別考察了電壓、吸附時(shí)間、膨潤(rùn)土濃度、極板間距及無(wú)機(jī)鹽的影響，在確定較佳電吸附條件的基礎(chǔ)上，以國(guó)內(nèi)某油田聚磺廢鉆井液為電吸附處理對(duì)象，驗(yàn)證處理效果。

2.1 電壓與電吸附時(shí)間對(duì)電吸附效果的影響

電化學(xué)具有電分解、電吸附等多種作用，水的分解電壓通常介于1.3～1.6 V，國(guó)內(nèi)外學(xué)者研究表明，電吸附技術(shù)時(shí)通常將電壓控制在1.6 V以下，避免發(fā)生分解反應(yīng)影響去除效果。因此，實(shí)驗(yàn)電壓須高于水的分解電壓，電吸附占主導(dǎo)作用。

實(shí)驗(yàn)條件：吸附時(shí)間為5 min，正負(fù)極板間距為一格（5 cm），膨潤(rùn)土質(zhì)量濃度為5%。考察了電吸附電壓與鉆井液中被吸附的固相顆粒量之間的關(guān)系，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖2所示。

圖2 電吸附電壓與電吸附時(shí)間對(duì)吸附固相顆粒質(zhì)量的影響圖

由圖2-a可知，隨著吸附電壓的升高，被吸附的固相顆粒量也隨之增加，同時(shí)吸附的初始電流也隨著提高，由于人體能夠承受的安全電壓為36 V，將電吸附電壓控制為36 V。

實(shí)驗(yàn)條件：電吸附電壓為36 V，極板間距為1 格，膨潤(rùn)土質(zhì)量濃度為5%?？疾炝瞬煌娢綍r(shí)間下極板對(duì)模擬鉆井液中固相顆粒的吸附能力。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖2-b所示，隨著吸附時(shí)間的延長(zhǎng)，固相顆粒的吸附量也在逐漸增加，0 min到5 min的增幅最大。根據(jù)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象及結(jié)果分析，將吸附時(shí)間選為5 min。

2.2 膨潤(rùn)土質(zhì)量濃度的影響

在電吸附電壓為36 V，極板間距為1 格，電吸附時(shí)間為5 min的條件下研究不同膨潤(rùn)土質(zhì)量濃度下極板對(duì)模擬鉆井液中固相顆粒的吸附能力。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖3所示。隨著膨潤(rùn)土質(zhì)量濃度的增加，固相顆粒的吸附量也隨之提高。考慮到實(shí)際鉆井液中膨潤(rùn)土的質(zhì)量濃度一般為5%，將膨潤(rùn)土的質(zhì)量濃度確定為5%。

圖3 膨潤(rùn)土質(zhì)量濃度對(duì)吸附固相顆粒質(zhì)量及電導(dǎo)率的影響圖

2.3 極板間距的影響

實(shí)驗(yàn)條件：電吸附電壓為36 V、電吸附時(shí)間為5 min，膨潤(rùn)土質(zhì)量濃度為5%?？疾炝瞬煌瑯O板間距下電吸附極板對(duì)模擬鉆井液中固相顆粒的吸附能力。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖4所示。

圖4 極板間距對(duì)吸附固相顆粒質(zhì)量及電流的影響圖

隨著極板間距的靠近，固相顆粒的吸附量也隨之增加，初始電流也隨之提高。在本實(shí)驗(yàn)中，由于設(shè)備尺寸的限制，將極板間距定為5 cm一格。

2.4 鹽濃度的影響

鉆井液使用時(shí)，通常會(huì)加入各種無(wú)機(jī)鹽類物質(zhì)用以改善和提高鉆井液性能。在電吸附電壓為36 V、電吸附時(shí)間為5 min、膨潤(rùn)土質(zhì)量濃度為5%、極板間距為5 cm的條件下，對(duì)NaCl、KCl、CaCl2、Na2CO3等4種常用的無(wú)機(jī)鹽進(jìn)行單因素考察，并分別考察了不同濃度下電吸附極板對(duì)模擬鉆井液中固相顆粒的吸附能力，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖5所示。

隨著鹽濃度的提高，鉆井液的電導(dǎo)率、初始電流及固相顆粒的吸附量也隨著增加。當(dāng)NaCl、KCl、CaCl2濃度為2 g/L時(shí)，固相顆粒的吸附量達(dá)到最大，之后隨著其濃度的增加，固相顆粒吸附量迅速減??；同時(shí)在實(shí)驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)，電極板上的氣泡量也迅速提高，表明此時(shí)以電解反應(yīng)為主導(dǎo)進(jìn)行。當(dāng)Na2CO3濃度為1 g/L時(shí)，固相顆粒的吸附量達(dá)到最大，之后隨著其濃度的增加，固相顆粒的吸附量也隨之減少；同時(shí)在實(shí)驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)Na2CO3濃度超過1 g/L時(shí)分解反應(yīng)并不十分明顯，但吸附在極板上的固相顆粒松散易脫落，導(dǎo)致最終吸附量較小。

圖5 4種無(wú)機(jī)鹽濃度對(duì)吸附固相顆粒質(zhì)量及電導(dǎo)率的影響圖

2.5 聚磺廢鉆井液電吸附處理效果

通常在鉆井液中，膨潤(rùn)土的粒度范圍大致介于0.03～5 μm，而鉆屑的粒度處于0.05～10 000 μm這樣一個(gè)極寬的范圍。在1 μm以下的膠體顆粒和亞微米顆粒中，膨潤(rùn)土的體積分?jǐn)?shù)明顯高過鉆屑，而在5 μm以上的較大顆粒中，則幾乎全部是鉆屑顆粒。通常經(jīng)過離心機(jī)的處理，廢棄鉆井液中10 μm以上的 固相顆粒基本能得到清除，而電吸附處理廢棄鉆井液的目的就是為了吸附去除10 μm及以下的固相顆粒。

室內(nèi)以國(guó)內(nèi)某油田現(xiàn)場(chǎng)采集的聚磺廢鉆井液（取樣井深4 580 m）為電吸附處理對(duì)象，電吸附條件為：電吸附電壓為36 V、電吸附時(shí)間為5 min、極板間距為5 cm。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖6所示，聚磺廢鉆井液經(jīng)電化學(xué)處理后，粒徑在1～10 μm的劣質(zhì)固相90%以上被去除，吸附在了電極板上，驗(yàn)證了電吸附法對(duì)聚磺廢鉆井液的有效性。

圖6 電吸附處理聚磺廢鉆井液前后的固相顆粒粒徑分布圖

3 結(jié)論

1）電化學(xué)吸附法在不加藥的情況下，通過吸附去除水基鉆井液中的劣質(zhì)固相，實(shí)現(xiàn)了水基廢棄鉆井液再生，提高了鉆井廢棄物資源化利用率，也降低了后期鉆井廢棄物處理量及成本。

2）采用單因素實(shí)驗(yàn)法，考察了電壓、吸附時(shí)間、膨潤(rùn)土濃度、極板間距及無(wú)機(jī)鹽的影響，確定了較佳電吸附條件：吸附電壓為36 V，吸附時(shí)間為5 min，極板間距為5 cm，膨潤(rùn)土濃度為5%，NaCl濃度為2 g/L。同時(shí)，現(xiàn)場(chǎng)聚磺廢棄鉆井液處理效果也表明，除去粒徑介于1～10 μm的劣質(zhì)固相超過90%。

3）電化學(xué)吸附法進(jìn)一步拓展了水基廢棄鉆井液資源化途徑，消除了傳統(tǒng)固化處理填埋的潛在環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)，實(shí)現(xiàn)了廢棄鉆井液減量和循環(huán)利用。

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