太阳能强化石墨烯海绵吸油特性研究

太阳能强化石墨烯海绵吸油特性研究

论文摘要

随着经济全球化的发展,石油海运成为各国之间经济往来的重要途径之一,伴随海上运油量的增长,海面漏油也频繁发生,如处理不当,会对生态环境造成巨大危害。目前,在油污处理的各种方法中,物理吸附法因其高效、可回收、不会造成二次污染等特点,被认为是最有潜力的油污处理方法,但现存的吸附剂存在循环效率低、吸附能力不高、对高粘原油失效等不足。因此,为了解决水面油污处理的问题,急需合成出具有高吸油率、可重复利用、环境友好、低成本的吸附剂材料,同时开发一种适用于吸附高粘度油污的方法。此外,鉴于吸附剂多为高孔隙率的多孔介质,开展多孔介质的内部流动特征的研究以及润湿性、驱替速度等对驱替流动的影响研究有利于揭示吸附剂吸附油污的机理,从而提高吸油速率和吸油能力。主要研究内容如下:对于多孔介质吸附剂的制备,首先采用改进的Hummers法制备氧化石墨烯(Graphene Oxide,GO)溶液,然后以三聚氰胺泡沫为基底(Melamine Sponge,MS),通过浸润及HI热还原的方法制备石墨烯包覆的三聚氰胺泡沫(rGOMS)吸附剂。利用扫描电镜、拉曼光谱等对其进行形貌、成分表征,并进行疏水性和光吸收性能测试,发现rGO-MS吸附剂为疏水亲油材料,且由于表面石墨烯的作用,使其具有良好的光热性能,太阳光吸收率可达到91%。在太阳能强化rGO-MS吸附剂吸油的实验研究中,首先进行多孔介质内液体渗透率的理论分析,结合硅油在不同温度下的热物性测试结果,分析温度对油污在多孔介质内扩散的影响机理,发现较高的温度可以降低油的粘度,进而提高吸附速率。随后,设计并搭建油质吸附实验台,通过引入太阳能强化吸附剂对高粘原油的吸收性能。进一步的实验结果表明,该吸附剂有较强的吸附能力和回收能力,可循环使用多次,太阳能对油的吸附有明显的促进作用。对于多孔介质内部的渗流模拟,首先采用随机四参数生长法(Quartet Structure Generation Set,QSGS)建立多孔介质物理模型,并对其进行优化。随后,采用格子玻尔兹曼(Lattice Boltzmann Method,LBM)Shan-Chen多相流模型进行驱替流动模拟,研究Re数、气液表面张力系数和润湿性对驱替效果的影响。发现选取合适的驱替速度和增加吸附剂对驱替相的润湿性可提高驱替效率,但气液表面张力系数对驱替效率影响较小。

论文目录

  • 摘要
  • Abstract
  • 物理量名称及符号表
  • 第1章 绪论
  •   1.1 课题研究背景和意义
  •   1.2 国内外研究现状
  •     1.2.1 吸附剂材料选择及回收方法
  •     1.2.2 强化油质吸附研究现状
  •     1.2.3 多孔介质内液体渗流研究进展
  •     1.2.4 国内外文献综述简析
  •   1.3 本课题研究内容
  • 第2章 rGO-MS吸附剂的制备与表征
  •   2.1 引言
  •   2.2 rGO-MS吸附剂的制备
  •     2.2.1 实验所用试剂和仪器
  •     2.2.2 多孔吸附剂的制备
  •   2.3 rGO-MS吸附剂的表征
  •     2.3.1 表征仪器
  •     2.3.2 GO溶液的表征
  •     2.3.3 rGO-MS吸附剂的结构及成分表征
  •     2.3.4 rGO-MS吸附剂疏水亲油性能测试
  •   2.4 本章小结
  • 第3章 rGO-MS吸附剂吸油特性实验研究
  •   3.1 引言
  •   3.2 温度影响吸油速率机理分析
  •     3.2.1 多孔介质内液体渗透率理论分析
  •     3.2.2 硅油的热物性测试及温度对吸附影响的机理分析
  •   3.3 rGO-MS强化吸附硅油实验研究
  •     3.3.1 实验装置及吸附能力计算方法
  •     3.3.2 rGO-MS吸附硅油实验结果
  •   3.4 rGO-MS强化吸附高粘原油实验研究
  •     3.4.1 高粘原油物性参数测量
  •     3.4.2 太阳能强化高粘原油的吸附
  •   3.5 本章小结
  • 第4章 LBM模拟方法及模型验证
  •   4.1 引言
  •   4.2 LBM原理及Shan-Chen多相流模型
  •     4.2.1 LBM模型原理
  •     4.2.2 Shan-Chen多相多组分模型
  •     4.2.3 LBM单位转换方法
  •   4.3 模型验证
  •     4.3.1 流动模拟验证
  •     4.3.2 无重力场两相分离模拟验证
  •     4.3.3 固相表面接触角模拟验证
  •   4.4 本章小结
  • 第5章 多孔介质内渗流模拟
  •   5.1 引言
  •   5.2 物理模型
  •     5.2.1 随机四参数法生成多孔介质
  •     5.2.2 物理模型的调控及优化
  •   5.3 数值模拟的条件设置
  •     5.3.1 作用力对多孔介质内驱替流动的影响与简化
  •     5.3.2 数值模拟初始条件及边界条件
  •   5.4 模拟结果与讨论
  •     5.4.1 Re数对流动的影响
  •     5.4.2 气液表面张力对流动的影响
  •     5.4.3 润湿性对流动的影响
  •   5.5 本章小结
  • 结论
  • 参考文献
  • 攻读学位期间发表的学术论文及其它成果
  • 致谢
  • 文章来源

    类型: 硕士论文

    作者: 刘丹

    导师: 何玉荣

    关键词: 多孔介质,吸油,太阳能,多相模型

    来源: 哈尔滨工业大学

    年度: 2019

    分类: 基础科学,工程科技Ⅰ辑,工程科技Ⅱ辑

    专业: 海洋学,化学,环境科学与资源利用,新能源

    单位: 哈尔滨工业大学

    分类号: X55;O647.33;TK519

    DOI: 10.27061/d.cnki.ghgdu.2019.002666

    总页数: 82

    文件大小: 4675K

    下载量: 123

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