摘要：為了克服電絮凝法處理乳化油廢水時存在的效率低下、耗時較長和能耗較高等問題，以納米Fe₃O₄為凝核、羧甲基纖維素鈉(CMC‑Na)為黏合劑、聚硫酸鐵(PFS)為原料，開發了一種新型磁性破乳劑PCNF，形成電絮凝與磁性破乳劑的聯合作用體係。實驗結果表明，相較於傳統絮凝劑，電化學+PCNF的組合方式展現出更高的除汙效率。PCNF的最佳投加量為2.0 g/L，此時乳化油廢水中剩餘COD濃度為43 mg/L，含油量降至3.72 mg/L。進一步優化PCNF的投加量，當調整投加方案為1.5 g/L PCNF + 0.5 g/L氯化鈣時，剩餘COD濃度為46 mg/L，含油量為5.08 mg/L，且電解時間縮短至90 min；與單獨使用PCNF相比，成本顯著降低，在實現高效破乳除油的同時，達到了節約成本的目的。利用COMSOL軟件模擬乳化油滴聚集過程，發現在電場作用下，油滴的破乳依賴於電場強度和油水界麵張力；破乳劑的加入能夠減小油水界麵張力，從而促進油滴聚集，加速破乳過程。

乳化油廢水作為一種難處理的含油廢水，其化學性質穩定，常規的沉澱、氣浮等措施對其處理效果較差，且處理後的回收利用較困難，這製約了該類廢水的有效處理及資源化進程。目前可有效處理乳化油廢水的技術主要包括吸附法、絮凝法、膜分離法、電化學法、磁分離法等。其中，電化學法具有綠色且高效的優點，受到廣泛關注。然而，單一的電化學法對乳化油廢水的處理效率不高，耗時長且能耗過高。為了提高破乳除油效率，本研究引入破乳劑來協助電絮凝。納米Fe₃O₄磁性粒子常用於製備磁性納米材料，具有磁響應性好、比表麵積大、磁性伸縮係數大、生物相容性良好等優點。本研究以納米Fe₃O₄為凝核、羧甲基纖維素鈉(CMC‑Na)為黏合劑、聚硫酸鐵(PFS)為原料，製備出一種新型磁性破乳劑PCNF，並將其與電絮凝工藝耦合，以期提高乳化油廢水的處理效率。同時，為深入探討乳化油的破乳原理，利用COMSOL模擬軟件建立了直流電場作用下的油滴聚集模型，並對油滴聚集過程和油水界麵張力的動態變化進行了研究，建立微觀模擬結果與宏觀實驗的聯係，通過控製關鍵因素實現控製油水界麵張力的目標。

1 材料與方法

1.1 乳化油廢水的製備

量取200 mL純水，加入4 mL正十六烷、0.4 g十二烷基硫酸鈉(SDS，陰離子表麵活性劑)和1 g NaCl，以350 r/min轉速攪拌30 min，然後將其置於超聲細胞破碎器中進行15 min的超聲波處理，使其形成穩定的乳化液，隨後定容到1000 mL燒杯中，調節pH至7.00，配成含油量為103 mg/L、COD為1200 mg/L的乳化油廢水。

1.2 磁性破乳劑PCNF的製備

在500 mL燒杯中將1 g羧甲基纖維素鈉增稠劑溶解於200 mL去離子水中，在35 ℃水浴下加熱並以600 r/min快速攪拌，30 min後加入3 g的PFS，繼續攪拌30 min後備用；取1 g納米Fe₃O₄置於幹淨的燒杯中，加入30 mL蒸餾水，在超聲分散儀中處理15 min製得納米Fe₃O₄懸濁液，然後將其倒入羧甲基纖維素鈉所在的燒杯，攪拌30 min後，再超聲分散10 min，將得到的凝膠狀物質放入烘箱內烘幹，倒出後充分研磨即得到磁性破乳劑PCNF。

1.3 實驗裝置

實驗構建的電絮凝裝置如圖1所示，反應器為方形玻璃容器(體積為1 L)，將其置於磁力攪拌器上，采用直流電源，陰、陽極板均為鋁極板，極板尺寸為100 mm×100 mm。實驗裝置開啟後，投加一定量的PCNF破乳劑到反應器中，同時開啟電源，即可形成電絮凝與磁性破乳劑的聯合作用體係。電絮凝係統在反應過程中可發生氧化還原、混凝、沉降、氣浮等一係列協同作用。陽極產生的Al³⁺會與陰極產生的OH⁻生成絮體，有助於吸附和沉澱水中的汙染物；同時，陰極產生的氫氣具有氣浮和傳質功能，可提高絮體與汙染物之間的碰撞幾率。

1.4 分析項目與方法

采用快速消解光度法測定COD濃度；采用紫外分光光度法測定含油量；采用芬蘭Kibron dIFT雙通道動態界麵張力儀測定破乳劑的動態界麵張力（該儀器基於Wilhelmy板法原理，能夠實時記錄界麵張力隨時間的變化，從而捕捉破乳過程中的動態界麵行為）；采用NanoS90馬爾文粒度電位分析儀測定Zeta電位和油滴粒徑；采用掃描電子顯微鏡(SEM)觀察破乳劑的表麵形貌；采用傅裏葉變換紅外光譜儀(FTIR)分析分子結構和官能團；采用X射線衍射儀(XRD)評估材料的晶體相和結構性能。

1.5 幾何模型與邊界條件

基於COMSOL仿真模擬軟件，O/W型乳化液中油滴在電場作用下的數值模擬仿真模型如圖2所示。左圖展示了水和油在模擬中的設定，油為分散相，水為連續相，水包裹在油滴外麵，兩種介質互不相溶。極板間距為10 mm，初始狀態下兩油滴的直徑為2.4 mm。由右圖可以看出，電場方向為由上向下，相當於左圖中上邊界給予電勢，下邊界則為接地。在電場作用下，油滴相互靠近直至聚結。在該數值模擬仿真模型中，將水相的相對介電常數設為80，油相的設為2.2，其餘參數則按係統默認值設置。選擇網格尺寸為10578，在保證準確性的同時實現計算經濟性。