一种油水分离回收装置、浮油分离方法及应用与流程

1.本发明属于能源环保领域，特别涉及一种油水分离回收装置、浮油分离方 法及其应用。


背景技术：

2.随着世界各国对石油的依赖日益增强，海上石油泄漏事件屡有报道。2010 年5月墨西哥湾发生了严重的石油泄漏事件，导致至少490万桶原油流入大海， 直接经济损失近4亿美元；并且水面浮油极大威胁海洋生态环境，对石油泄漏期 间死亡海龟身体组织的解剖分析得出，61％的海龟消化道中存在石油芳香烃成分， 清理海面浮油的工人的血液和内分泌系统中出现了重金属等毒素，这将导致他们 患癌几率指数增长。
3.水面浮油处理是石油泄漏事件善后工作中非常重要的一环。如申请号： cn2020108642632，公开号：cn112062213 a，公开一种环保型污水浮油分离处理 设备，包括处理箱，处理箱的一侧固定连接进水泵，进水泵的输出端与处理箱之 间固定连接进水管，处理箱的顶端固定连接顶罩，顶罩内设有除浮油机构，处理 箱的外部固定连接驱动装置，处理箱内的底端固定连接隔板，除油区内设有挡板， 挡板上开设有多个浮油孔，隔板上设有排水孔，排水孔处设有电动阀门，电动阀 门与隔板固定连接，电动阀门连接中间管。申请号：cn2011102092061，公开号： cn102322048a，公开一种分离桶式海面浮油回收装置，其特征在于：包括浮体 吸盘(2)、海水浮油管(4)、吸泵(5)、海水浮油收集桶(7)、排海水阀(8)、 分级排浮油阀以及浮油收集桶(9)，所述的海水浮油管(4)一端连接浮油吸盘， 海水浮油管另一端为海水浮油出口(6)，海水浮油出口(6)下方设有海水浮油 收集桶(7)，海水浮油收集桶(7)上部侧壁设置分级排浮油阀，海水浮油收集 桶(7)底部设置排海水阀(8)，所述的吸泵(5)安装在海水浮油管(4)之间。 申请号：cn2018116103260，公开号：cn109467162 a，公开一种利用河道自然水 流对于水车叶片的冲击力，带动所述水车转动，并进而带动水平传送带以及倾斜 传送带的转动，从而完成立方体泡沫砖的循环传送；利用立方体泡沫砖分油材料， 与河道水面接触时将河道浮油截留于泡沫砖的泡沫孔道中，掉入水桶内的水中时 表面浮油会从泡沫砖表面脱离而浮在水面上，由导油口导出并由储油桶收集，除 去表面浮油的立方体泡沫砖又回到传送带，循环往复，实现对于河道浮油的持续 不间断的分离。然而，现有技术中海上浮油处理通常使用上述方法或采用围油栏 漂，阻止浮油扩散并加厚油膜厚度，再采用撇油器收集浮油、就地燃烧处理或者 用化学试剂促进石油的分解或者沉淀等方式清理浮油。但撇油器收集的浮油中水 占90％以上，收集浮油效率和质量不高；就地燃烧处理将产生诸多有毒气体，产 生二次污染，并且浮油层变薄之后，燃烧将终止，水面上依旧漂浮着高粘性的残 渣，采用化学试剂分解或沉淀石油的方式一方面会引入新的污染，另一方面这些 石油将不能回收造成能源浪费。因此水油分离并回收技术对环境和经济都尤为重 要。
4.此外，诸如现有技术，如中国专利cn201010554373，cn201310160287， cn201410023962，cn201520629674等公开了利用超疏水超亲油材料的油水分离 装置，但在
水中长时间工作后装置周围产生“水环”，水面浮油无法与超疏水超 亲油材料接触，影响油水分离装置的分离效率。同时，科研工作者利用特殊浸润 性表面油水分离大多仅限于实验阶段，并且只能在小规模静止水面进行，无法推 广到大面积水域浮油收集。


技术实现要素：

5.本发明基于天然水域波浪能优势，采用新型浮油分离回收装置与牵引船配合 可以扩大工作水域面积，保持高效率的油水分离，在有波浪的水面能平稳漂浮且 有更高的分离效率。
6.本发明的技术方案如下：
7.一种水面浮油分离回收装置，由分离收集容器、平衡浮体5及造波机8组成。
8.所述分离收集容器由上筒体1、下筒体3及连接上下筒体的金属丝网2组成
9.优选地，上筒体1、下筒体3由不锈钢制造，形状为倒置圆台形；油水分离 装置漂浮在水面上，装置的重力要与其所受到的浮力相平衡。随装置收集浮油增 多，装置会慢慢下沉，由于油水分离装置上大下小的特点，分离收集容器相应排 开更多水产生更大的浮力，始终让装置的重力等于其所受到的浮力；圆台状使得 装置受到水面流动摩擦阻力小，防止油水分离装置在水面旋转。
10.优选地，上筒体1、下筒3体及金属丝网2保持同心并相互焊接。
11.优选地，上筒体1、下筒体3之间通过支撑钢条7连接。
12.优选地，所述金属丝网2由不锈钢网丝表面改性制成，表面长有超疏水超亲 油的纳米微结构。
13.优选地，所述平衡浮体5由塑料制备；平衡浮体5的形状是圆柱体；平衡浮 体5与上筒体1通过连接杆6连接。
14.优选地，所述平衡浮体5的数量可以是多个。
15.优选地，所述造波机8能够在静止水面中产生波浪，由冲箱、步进电机、控 制器、连接钢丝绳、曲柄组成。造波机冲箱运动参数与水槽中荡起的波浪之间有 固定的对应关系。实验中冲箱式造波机产生不规则波，不规则波可以看做是许多 规则正弦波叠加的结果。根据斯托克斯波理论，波浪基本方程的解可以用一个小 参数ε的幂级数展开式表示。采用摄动法求解波浪基本方程可以得到波浪速度势 和波面方程的多阶展开式，斯托克斯二阶波的波面方程可以表示为：
[0016][0017]
其中a为波高，l为波长，t为波运动周期，k为波数，ω为波角频率，d为 静水面与水底间的高度。
[0018]
当分离收集容器漂浮在静止水面，装置上的超疏水超亲油金属丝网2与水 面上的浮油接触，油膜会在表面张力的作用下润湿整个疏水亲油金属丝网，油膜 在金属丝网表面形成弯液面。水面静止时，金属丝网2附近的前驱油膜在重力的 作用下铺展，铺展速度为其中h1为丝网表面油膜 厚度，g为重力加速度，λ需要依靠实验数据来确定。弯液面使得前驱油膜运动 铺展速度u
l
大于远处油膜的运动速度
扩大；(c)长时间后“无油区”发展至环绕油水分离装置；(d)静止水面 形成“水环”后，油膜与装置不再接触。
[0034]
图4为所述金属丝网的制作方法及可供选择的替代方法示例图；其中(a)表面纳 米改性金属丝网100μm尺度示意图；(b)表面纳米改性金属丝网20μm尺 度示意图；(c)表面纳米改性金属丝网400nm尺度示意图；(d)、(e)微米涂 层改性示意图；(f)泡沫金属示意图。
[0035]
图5为静止水面情况下，水面浮油分离回收装置与造波机配合使用示意图。
[0036]
图6为实际波浪水面情况下，水面浮油分离回收装置与牵引船配合使用示意图。
具体实施方式
[0037]
以下结合附图对本发明进一步详细说明，但不以任何方式限制本发明的权利 要求。
[0038]
实施例一：
[0039]
如图1所示，一种油水分离回收装置，该水面浮油分离回收装置主要包括分 离收集容器、平衡浮体5及造波机8。分离收集容器包括上筒体1、下筒体3及 连接上下筒体的金属丝网2组成；上筒体1、下筒体3由不锈钢制成，形状为倒 置圆台形；上筒体1、下筒体3及金属丝网2连接方式保持同心并相互焊接；上 筒体1、下筒体3之间通过支撑钢条7连接。油水分离装置漂浮在水面上，装置 的重力要与其所受到的浮力相平衡。随装置收集浮油增多，装置会慢慢下沉，由 于油水分离装置上大下小的特点，分离收集容器相应排开更多水产生更大的浮力， 始终让装置的重力等于其所受到的浮力；圆台状使得装置受到水面流动摩擦阻力 小，防止油水分离装置在水面旋转。
[0040]
金属丝网2由不锈钢丝网表面改性制成，表面长有超疏水超亲油的纳米微结 构。
[0041]
平衡浮体5为塑料制备的圆柱体；平衡浮体5与上筒体1通过连接杆连接6 连接；采用4个平衡浮体5围绕分离收集容器，使分离收集容器在波动水面保持 平衡。
[0042]
造波机8由冲箱、步进电机、控制器、连接钢丝绳、曲柄组成，能够在静止 水面中产生波浪。造波机冲箱运动参数与水槽中荡起的波浪之间有固定的对应关 系。实验中冲箱式造波机产生不规则波，不规则波可以看做是许多规则正弦波叠 加的结果。根据斯托克斯波理论，波浪基本方程的解可以用一个小参数ε的幂级 数展开式表示。采用摄动法求解波浪基本方程可以得到波浪速度势和波面方程的 多阶展开式，斯托克斯二阶波的波面方程可以表示为：
[0043][0044]
其中a为波高，l为波长，t为波运动周期，k为波数，ω为波角频率，d为 静水面与水底间的高度。
[0045]
在静止水面工况下，通过造波机8产生波浪，驱动浮油不断向分离收集容器 汇聚，提高回收效率；在波动水面工况下，自然波浪能驱动浮油不断向分离收集 容器汇聚，提高回收效率。
[0046]
图3为静止水面产生水环示意图：其中，(a)装置周围出现“无油区”；(b）“无油区”扩大；(c)长时间后“无油区”发展至环绕油水分离装置；(d)静止水面形成“水环”后，油膜与装置不再接触；
图2为本发明利用波浪能驱替水环的原理：当分离收集容器漂浮在静止水面，装置上的超疏水超亲油金属丝网2与水面上的浮油接触，油膜会在表面张力的作用下润湿整个疏水亲油金属丝网，油膜在金属丝网表面形成弯液面，如(a)分图。水面静止时，金属丝网2附近的前驱油膜在重力的作用下铺展，铺展速度为，其中， h1为丝网表面油膜厚度，g为重力加速度，需要依靠实验数据来确定。弯液面使得前驱油膜运动铺展速度u
l
大于远处油膜的运动速度，其中为远处油膜厚度，如(b)分图。随着油水分离进行，远近油膜的速度差异使得金属丝网2附近的前驱油膜变薄，重力作用减小，表面张力及粘性力使油膜向两边收缩，使油膜补充速度不足形成“无油区”,如(c)分图。“无油区”的面积随着油水分离过程不断增大，最终油膜停止铺展运动，形成围绕分离装置的封闭水环，油水分离装置停止工作，如(d)分图。
[0047][0048]
本发明通过造波机8产生波浪或水面有自然波浪时，水面水流会在波浪运动 的基础上附加一个水平运动速度u＝u
波动
u
流动
，轨迹为一个近似的椭圆，如(e) 分图。以冲箱震荡频率为1.5hz，行程8cm产生的波浪为例，波浪的波面方程 为：η＝10cos(0.015x
‑
4.187t) 0.77cos(0.031x
‑
8.374t)，水面质点的位移距离为 其中a为波高，l为波长，t为波运动周期， k为波数，ω为波角频率，d为静水面与水底间的高度。水面质点位移距离大于 波浪的位移距离，而水面浮油伴随水面质点运动。所以波浪的质量输运作用使水 面浮油不断运动到分离收集容器的金属丝网2表面，使水环不能稳定存在，提升 油水分离的效率，如(f)分图。
[0049]
实施例二：
[0050]
优选地，如图4所示，纳米结构改性的金属丝网2还可以是微米涂层材料、 泡沫金属。
[0051]
本实施例其它部分与实施例一相同。
[0052]
实施例三：
[0053]
如图5所示，应用于平静水面时，开启造波机8，冲箱震荡产生波浪，水面 质点位移大于波浪位移，使得水环不能稳定形成，油水分离效率达94％以上。
[0054]
本实施例其它部分与实施例一二相同。
[0055]
实施例四：
[0056]
如图6所示，应用于波浪水面时，在分离收集容器中加装油泵，将下筒体3 中储存的油料输运到牵引船的储油箱中，使分离收集容器继续油水分离过程。牵 引船通过缆绳牵引油水分离装置，这样油水分离装置能够在各个海洋区域进行油 水分离作业。
[0057]
本实施例其它部分与实施例一二相同。
[0058]
实施例五：
[0059]
一种油水分离回收装置及浮油分离方法，包括如下步骤：
[0060]
步骤1：安装装置，将油水分离回收装置放在待回收浮油的水面处，并将油 泵与分
离收集容器连接，调整砝码重量使金属丝网(2)底部与水面接触；
[0061]
步骤2：浮油回收，油水分离回收装置将自动分离水面浮油，待下筒体(3) 装满后，开启油泵，将分离收集容器中分离的浮油抽出，使油水分离回收装置持 续工作；
[0062]
步骤3：利用波浪能，静止水面上，油水分离回收装置周围会产生无油水环， 阻碍油水分离，通过开启造波机(8)产生波浪，驱动浮油不断向分离收集容器汇 聚；自然波动水面上，自然波浪能驱动浮油不断向分离收集容器汇聚。
[0063]
步骤4：扩大工作面积，待浮油收集完毕后，开启牵引船，扩大油水分离回 收装置工作水域面积。
[0064]
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的 技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述 的只是本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下本发明还会有各种变 化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明的范围内。本发明要求的保 护范围由所附的权利要求书及其等同物界定。