页岩油泥是页岩气开发过程中形成的危险固体废弃物,其半固态形态影响页岩油泥处置及油的资源化回收再利用。本文针对半固态状页岩油泥的油泥粘附、油分回收等问题,结合絮凝沉淀与热化学清洗方法,提出热化学清洗分离技术清洁处理半固态页岩油泥,探究油水高效分离机制,为页岩油泥资源化处置与油分再利用提供技术支撑。 为获得油泥有效分离的热化学清洗剂,本文以油分洗出率为评价指标,优选十二烷基苯磺酸钠为表面活性剂、SP169为有机破乳剂、硅酸钠为无机破乳剂,采用均匀设计法优化获得清洗页岩油泥的最适热化学清洗剂组配LSSi(LAS-SP169-Na₂Si O₃),通过交互作用分析,获得各组分对页岩油泥清洗分离的贡献度。为进一步提升热化学清洗剂对页岩油泥各组分的分离能效,考察固液比、清洗温度、清洗时间和搅拌频率等4个因素对油水泥的分离作用,利用均匀设计法优化获得最适清洗工艺参数;结合各因素交互作用,建立动力学模型,揭示热化学作用下,页岩油泥油/水-泥分离、油-水分离机制。为实现页岩油泥中油分的回收及资源化利用,引入絮凝沉淀法,选取聚合氯化铝(PAC)为絮凝诱导剂,提出油分絮凝转化固体燃料SSO(Solid shale oil)策略,考察PAC投加量、反应温度、反应时间、p H值等因素在PAC作用下的油分絮凝转化为固相的作用;采用XRF、TGA、GCMS、SEM、FT-IR等现代分析技术,分析检测SSO理化指标,系统评估SSO作为固体燃料的再利用价值。研究结果表明: (1)均匀设计法优化热化学清洗剂LSSi最适组配为:十二烷基苯磺酸钠质量浓度为8.8%、SP169质量浓度为1.1%、硅酸钠质量浓度为8.5%时,且组分体积比为3:1:3时,5 g含油率为17.49%的页岩油泥可洗出分离油分0.74 g,油分洗出率为84.24±0.04%;交互作用分析发现,热化学清洗剂各组分对油泥水分离的贡献为:SP169>十二烷基苯磺酸>硅酸钠。 (2)均匀设计法优化获得页岩油泥最适热化学清洗分离技术为:固液比1:7.2、清洗时间45 min、清洗温度82℃、搅拌频率320 r/min时,5 g含油率为17.49%的页岩油泥可洗出分离油分0.76 g,油分洗出率为86.70%±0.04%;影响油泥水分离因素顺序依次为:固液比>清洗温度>清洗时间>搅拌频率。 热化学清洗分离技术处理页岩油泥符合准二级动力学方程,其吸附速率常数K_a为0.00106 min^-1,说明油分洗出过程为化学作用,而非单纯的物理作用。 (3)页岩油絮凝转化为固体燃料SSO策略表明:聚合氯化铝(PAC)投加体积百分比为10%、反应温度为70℃、反应时间为40 s、混合液p H值为8时,处理50 ml油分浓度为5000 mg/L的油水混合液可获得SSO5.00±0.56 g,其中油含量为4.82%,计算可得页岩油分离回收率为96.41%;经检测处置后水体中油分浓度为17.95 mg/L,满足国家《污水综合排放标准》(GB 8978-1996)的三级排放标准。 (4)页岩油分絮凝转化为固体燃料SSO组分分析显示:质量差值法检测得到SSO水分含量为4.63%,灰分含量为48.81%,挥发分含量为19.01%;GCMS图谱分析显示SSO碳含量在C₁₃-C₂₇;XRF测定数据显示SSO的主要成分为硅酸铝(Al₂Si O₅),占55.00%。 (5)固体燃料SSO的表征分析:SEM形貌表征显示,SSO燃烧后表面变光滑;FT-IR图谱显示,SSO含有Al-O键、Si-O键、C-H键、C=C双键;TGA表征显示,DTG在494℃附近出现最大值,SSO在该阶段的质量损失最多。 (6)固体燃料SSO的理化指标检测显示:氧弹量热仪测得SSO的高位热值为15952 J/g,优于常用固体燃料酒精块(11000 J/g);热板法测得SSO的燃点为229℃;在绝对湿度为50%的环境下,将SSO自然放置15天,测得SSO的潮解率为0.016%,防潮性能良好;表明SSO具有作为固体燃料资源化利用的潜在价值。