どこで使用され、何を解決するか: 油水分離のためのセラミック膜の典型的な産業用途

1. この技術は特定の水条件に適用する必要がある

前の 2 つの記事では、「セラミック膜を選択する理由」と「その仕組み」について詳しく説明しましたが、最高の技術であっても、特定の水条件に適用されて初めて価値を発揮します。油水分離用セラミック膜万能の解決策ではありません。-最も適した用途は、「微細な油滴、重度に汚染された水、および過酷な運転条件」を特徴とする油性廃水流です。対照的に、油分が少なく、水の状態が穏やかで、変動が限られている用途では、低コストの有機膜または従来の物理的化学処理方法がより経済的である可能性があります。{3}この記事では、いくつかの典型的な産業シナリオを取り上げて、セラミック膜が実際にどのような問題を解決するのか、またその用途をいつ再検討する必要があるのか​​を検証します。

2. シナリオ 1: 油田生成水と再圧入

まずは始めましょう油田生成水。これは、セラミック膜の最も古典的な応用分野の 1 つです。地層水は石油生産中に地表に浮上し、原油、地層砂、スケールイオン、および大量の乳化した油を運びます。また、地層の温度も保たれることが多く、-生成された水の多くは地表に到達する時点では温かく、一部の流れは比較的高温になる場合もあります。状況をさらに困難にしているのは、その「二重の使命」です。水は次のいずれかの可能性があります。圧力を維持するために地層に再注入される、懸濁物質と油分に要件を課す、または再利用または準拠した排出のために処理される、水質の安定性に対してさらに高い要求が課せられます。従来の重力分離と溶存空気浮選は、乳化した油と高い砂の負荷が同時に発生すると、困難になることがよくあります。セラミック膜は、親水性および疎油性の特性に加え、温度や摩耗に対する耐性があるため、これらの条件によく適しています。 -クロスフローろ過は継続的に砂と油を除去し、一方、限外ろ過は乳化した油を保持し、安定したよりきれいな透過水を生成します。これは、再注入中の地層の詰まりを防ぎ、再利用中に下流プロセスを保護するのに役立ちます。エンジニアリングの経験の中で、Taihe の環境保護では、油性廃水用のセラミック膜システムを使用しており、油田関連の用途が大きな割合を占めています。{0}}それはまさに、「汚れているが安定した」動作の両方に対するニーズがセラミック膜の強度と密接に一致しているからです。

2.1 再圧入水の水質に関する定性的要件

再注入に関しては、定性的要件は油田用途における膜選択の重要な基礎となるため、それについての点を追加する価値があります。再注入水中の懸濁物質や油分が多すぎると、注入後に細孔が詰まり、リザーバが損傷する可能性があり、その結果、注入圧力が上昇し、油回収効率が低下します。したがって、水の再注入は通常、次の 3 つの側面に焦点を当てます。浮遊物質の濃度と粒度分布、油分、地層水との適合性、-スケールや粘土の膨潤が発生する可能性があるかどうかも含めて。セラミック膜の価値は、透過水の品質の変動を低く維持しながら、浮遊固体と乳化油を安定した比較的低いレベルに同時に低減できる能力にあります。長期間安定した圧入が必要な油田の場合、これは一時的にのみ低い値を達成するよりも意味があります。-具体的な制限に関しては、油田と貯留層の間で大きく異なるため、単一の普遍的な値を適用するのではなく、サイト固有の基準に従って決定する必要があります。{4}}

3. シナリオ 2: 製油所および石油化学の油性廃水

次は製油所や石油化学施設からの油分を含む廃水。このタイプの水は油田の水よりも複雑です。油に加えて、フェノール、硫化物、懸濁触媒微粒子、およびその他のさまざまな汚染物質が含まれる場合があります。プロセス装置の切り替え中に水質が大幅に変動する可能性があり、温度も比較的高くなる可能性があります。-ここで、セラミック膜の価値は、すべての汚染物質を単独で「引き受ける」ことにあるのではなく、安定した「油および懸濁物質の除去バリア」として機能することにあります。つまり、下流のプロセスに最も大きな影響を与える油と粒子を最初に除去し、その後の生物学的処理または高度な処理をより安定して実行できるようにします。製油所の廃水はひどく汚染されており、頻繁な洗浄が必要になる場合があるため、化学洗浄に対する耐性は特に役立ちます。有機膜は繰り返し洗浄すると損傷する可能性がありますが、セラミック膜は繰り返しの洗浄サイクルに耐えることができます。もちろん、製油所廃水は複雑な組成を持っているため、セラミック膜は通常、「唯一の」処理技術ではなく、複合処理プロセスの「中心的な構成要素」となります。この違いは現実的に認識されなければなりません。

（図: 4 つの典型的な油性廃水シナリオ: 油田生成水、製油所および石油化学廃水、金属加工切削-液体廃水、食品加工および食肉処理場の廃水。それぞれの油の形態と主要な課題を示しています。）

4. シナリオ 3: 金属加工および切断-液体廃水

3 番目のカテゴリは、機械加工および金属切削液からの廃水です。機械加工工場でエマルジョンと切削液を長期間使用すると、鉱物油と大量の界面活性剤と加工液添加剤の両方を含む「黒い液体」になり、乳化が非常に安定し、COD が高くなります。{0}この種の排水は、量は必ずしも多くありませんが、その処理難易度は決して低いものではありません。従来の凝固および溶解空気浮選では、完全な解乳化を達成できないことが多く、処理水中に残留油が残ります。ここでのセラミック限外濾過の利点は、「エマルションの処理」に特に効果的であることです。安定した油滴を保持しながら、透過液は蒸発、生物学的処理、または解乳化後の処理に進むことができます。-機械加工会社にとって、これは切削液の耐用年数を延ばし、有害な廃棄物の発生を減らし、再利用の可能性を高めることを意味します。{6}}ますます厳しくなる環境規制を背景に、その価値は処理性能だけでなく規制遵守にもあります。

5. シナリオ 4: 動植物油を含む食品加工および食肉処理場の廃水

4 番目のカテゴリーは、食品加工、屠殺場、および同様の産業からの動物油および植物油を含む廃水です。この種の排水に含まれる油分は主に動物性および植物性の油脂です。特に熱処理廃水では温度が比較的高いことが多く、水には懸濁物質、タンパク質、有機物も含まれています。-鉱物油とは異なり、動物油や植物油は低温で凝固して膜表面に付着する可能性が高いため、洗浄の必要性が高くなります。セラミック膜の高温耐性と強力な洗浄能力は、ここで特に役立ちます。温水またはアルカリ洗浄により、固化した油を溶かして付着した有機物を除去し、フラックスを良好に回収できます。セラミック膜は、油分離後の微細濾過バリアとしてよく使用されます。-溶存空気浮選、残留乳化油がさらに減少し、透過水が生物学的処理に入ることができるようになり、または排出要件をより一貫して満たせるようになります。

6. その他の注目すべきアプリケーション

上記の 4 つの主要なアプリケーション領域に加えて、他のいくつかのシナリオも注目に値します。冷間圧延や金属加工において、エマルジョン排水には油、鉄粉、界面活性剤が混合し​​て含まれているため、解乳化が困難で鉄濃度が高くなります。それでもコークス化廃水主にフェノールとアンモニアによって特徴付けられますが、タールのような油分も含まれる場合があり、膜の耐汚染性と耐薬品性に​​ついて厳しい要件が課されます。{0}船舶のビルジ水これは、典型的な「少量、-、-油分が多く、-}、変動が大きい」廃水の流れです。多くの場合、システムのコンパクトさと油圧および負荷衝撃に対する耐性が特に重視され、モバイル プラットフォームで処理されます。これらの用途に共通する特徴は、微細な油滴、複雑な水質、および不確実な動作条件であり、これらはたまたまセラミック膜の快適ゾーン内に収まります。ただし、セラミック膜を新しい用途に導入する前に、まず水質分析とパイロットテストを実施して、材料と化学の適合性を確認し、スケールアップする前に洗浄戦略の実現可能性を検証する必要があることも強調する必要があります。-セラミック膜は「プラグアンドプレイ」の汎用コンポーネントではありません。--

これらのアプリケーションを並べて並べると、見た目は異なっていても、根本的な課題は非常に一貫していることがわかります。-それらはすべて「上質な油 + 汚れた水 + 変動」を組み合わせています。次の表は、これらの一般的な課題とセラミック膜のアプリケーション ロジックの定性的な比較を示しています。

7. セラミック膜が単独で機能することはほとんどありません: 複合処理プロセス

もう 1 つ強調しておく必要があるのは、セラミック膜が単独で機能することはほとんどないということです。高-油分-の用途には、「油分離/DAF + セラミック膜」が一般的に使用されます。高度な水の再利用が必要な場合、「セラミック膜＋逆浸透膜」が適用されることが多いです。高レベルの溶解有機物を含む用途では、下流で生物学的処理または高度な酸化を追加することもできます。このタイプの組み合わせは、単に機器を積み重ねることではなく、各処理段階で最適な処理を実行できるようにすることです。-物理的-化学的処理は油の大部分を除去し、セラミック膜は乳化した油と懸濁物質を除去し、逆浸透は溶解塩を除去し、生物学的処理は溶解有機物を分解します。 1 つの治療段階ですべてを処理できると期待するのではなく、システムの選択時に重要な場所に予算を費やすには、この「分業」を理解することが不可欠です。

7.1 濃縮物はどこへ行くのですか?クローズドループの廃棄-

プロジェクトの実現可能性に直接影響を与える、見落とされがちなもう 1 つの問題は、濃縮物がどこに行くかということです。セラミック膜は、濃縮側で油と浮遊固体を濃縮します。濃縮物は油分が多く、体積は小さくなりますが、それでも最終的には廃棄する必要があります。-ここでまさに「体積削減」の価値が生まれます。通常、まず濃縮物をさらに濃縮または解乳化し、回収可能な油を回収して再利用するのが合理的な方法です。残りの重油スラッジと乳化残留物は、有害廃棄物として、または地域の要件に従って、規制に準拠した廃棄または焼却に送られます。システムが構築されるまで濃縮物を送る場所がないことが判明するのを待つのではなく、濃縮物の目的地、処分方法、およびコストを選択段階でプロジェクトに組み込む必要があります。油分を含む廃水処理プロジェクト全体の場合、プロジェクトが実行可能かどうかを最終的に決定するのは、多くの場合、膜の性能そのものではなく、「水が入り、油が出て、水が再利用され、油が廃棄される」という完全な連鎖が適切に閉じられているかどうかです。

8. アプリケーションの選択: 考慮すべきいくつかの定性的シグナル

さらに一歩深く考えてみると、実際に特定の用途に合わせて処理液を選択する必要がある場合、水に「油が含まれているか」だけを見るだけでは十分ではありません。いくつかの定性的側面を考慮する必要があります。水質の変動の程度、動作温度の高さ、油と浮遊物質の負荷の高さ、下流の水質要件の厳格さなどです。{0}}次の表は、主要な決定要素を整理し、間違った方向への投資を避けるのに役立ちます。

9. 正直に言うと、セラミック膜の限界

セラミック膜には、これらの用途にも限界があることを正直に認識しなければなりません。セラミック膜は、より高い初期投資が必要であり、比較的脆く、設置と前処理の要件がより厳しいです。油含有量が非常に高く、油が主に遊離油として存在する場合、最初に油分離と溶存空気浮選によって「バルク」油を除去する方が、膜を直接適用するよりも経済的であることがよくあります。強力な有機溶媒や極端な pH 条件に遭遇する場合は、材料の適合性も事前に確認する必要があります。言い換えれば、セラミック膜は「処理が難しい油性廃水に対する最適なソリューション」であり、「すべての油性廃水に対する最適なソリューション」ではありません。--

10. 結論: まず水を評価し、次に膜を使用するかどうかを決定する

アプリケーションのシナリオと方法論を一緒に検討すると、結論は明らかになります。特定の用途にセラミック膜を使用する必要があるかどうかを判断するときは、急いで価格を比較しないでください。代わりに、重要であることが繰り返し証明されている 3 つのステップに戻ります。-まず、水のバランスを測定して、水の量、油がどこから来て、濃縮物がどこに行くかを理解します。次に、水質を分類して、油の主な形態と必要な下流の水質閾値を決定します。-最後に、投資回収期間と総所有コストを計算し、長期にわたる交換コスト、ダウンタイム、コンプライアンスコストの節約で初期投資をカバーできるかどうかを判断します。この 3 つのステップを適切に実行すると、セラミック膜をどこに使用するか、そしてセラミック膜で何が解決できるかが自ずと明らかになります。