使用陶瓷超滤膜回收废润滑油的技术可行性研究 Madina Mohamed, Pieter Vandezande 和 Anita Buekenhoudt

《Membranes》：A Technical Feasibility Study of the Recovery of Used Lubricant Oil Using Ceramic Ultrafiltration Membranes Madina Mohamed, Pieter Vandezande and Anita Buekenhoudt

　　

三、论文摘要翻译 本研究是一项实验室规模的实验研究，旨在探究利用多种陶瓷超滤（Ultrafiltration, UF）膜过滤废润滑油（Used Lubricant Oil, ULO）的净化程度，该技术允许在聚合物膜无法达到的高温下进行处理。研究涵盖了不同的孔径（5 nm、10 nm、30 nm和100 nm）以及多种材料（Al2O3、TiO2和ZrO2）。此外，还采用了四种不同的接枝技术来改变原始膜的表面化学，使其从亲水性转变为更具疏水性或亲油性，旨在进一步提高UF通量和/或截留率。基准原生10 nm TiO2膜在110 °C下表现出7至9 kg/h·m2的稳定通量，具有强效的（金属）杂质去除能力和意外的高水截留率。所有其他被测膜的通量均未超过10 nm基准膜，这表明表面化学并不能帮助提高通量。总体而言，除通量和水的截留外，所有膜的性能都非常相似。系统观察发现，高通量膜表现出高水截留率，而极低通量膜则优先让水通过。通量和水的截留率随膜孔径（接枝前）的变化表明，只有当有效孔径变小时，表面化学才起作用。研究结果为初步ULO处理的最佳膜选择提供了依据。

四、论文解读

研究背景与意义

废润滑油（Used Lubricant Oil, ULO）由于其含有有毒且难降解的成分，不当处置会对土壤、水和空气造成严重危害。随着全球ULO产量的持续增长，欧盟地区已有约80%的ULO被回收利用。然而，目前的再精制技术主要依赖蒸馏、溶剂萃取及加氢处理等传统工艺，能耗较高。膜技术作为一种环境友好型分离技术，在石油和天然气行业的液体处理中具有重要潜力。先前的研究表明，聚合物UF膜在处理ULO时通量极低（通常低于1.2 L/h·m²），主要受限于油的粘度和聚合物的耐温性（通常低于50 °C）。为了突破这一限制，研究人员开始探索陶瓷UF膜在高温下的应用，但尚不清楚改变陶瓷膜的表面化学（如增加疏水性或亲油性）是否能进一步改善其性能。因此，本研究由Madina Mohamed、Pieter Vandezande和Anita Buekenhoudt合作开展，旨在通过系统评估不同孔径和表面改性陶瓷膜在高温下的表现，为ULO的高效回收提供技术依据，相关成果发表在《Membranes》期刊上。

关键技术方法

研究人员采用了多种商业化陶瓷UF膜，包括不同孔径（3-100 nm）和材料（TiO₂、ZrO₂、Al₂O₃）的原生膜及接枝改性膜。表面改性使用了四种接枝技术：硅烷化（Silanation, SI）、格氏试剂接枝（Grignard grafting, GR）、膦酸接枝（Phosphonic acid grafting, PA）和表面引发原子转移自由基聚合（Surface-initiated atom transfer radical polymerization, Si-ATRP），以调控膜的亲疏水性。实验油样来自欧洲ULO再精制厂商Osilub的不同预处理阶段产物，包括原液、一次蒸馏后（去水及石脑油）及二次蒸馏后（去柴油）。所有UF实验均在110 °C、10 bar和2 m/s的错流条件下进行，并使用外部专业机构依据ASTM标准对水含量、粘度、总酸值（Total Acid Number, TAN）及金属含量等指标进行分析。

研究结果

3.1. 基准10 nm原生膜的性能

研究人员首先确立了10 nm TiO₂原生膜作为基准膜。在110 °C下过滤未经中和的ULO时，该膜表现出7至9 kg/h·m²的稳定通量。研究发现通量受温度影响显著，且与跨膜压力（Transmembrane Pressure, TMP）和错流流速（Cross-Flow, CF）相关，符合粘性油流的层流规律。渗透液分析显示，尽管膜孔径较大，但对水的截留率意外地高达90%以上，这归因于添加剂对水的稳定作用。同时，粘度、TAN及氧化/硝化水平降低了50%-70%，大部分金属杂质也被有效截留。对于经过一次和二次蒸馏预处理的ULO，膜通量保持稳定，且金属截留率有所提升。

3.2. 净基础油中的通量性能

为了排除杂质干扰，研究人员使用Osilub的净化产品OSIL150（接近纯净的基础油）进行测试。结果显示，原生10 nm膜在OSIL150中的初始通量高达70 kg/h·m²，随后下降至12 kg/h·m²并稳定；而经HOC 2%改性的疏水性膜通量则稳定在16 kg/h·m²。数据表明，通量值与孔径的平方成正比，符合哈根-泊肃叶方程（Hagen–Poiseuille equation）。对于10 nm膜，基础油通量与ULO通量处于同一数量级，说明ULO中的浓差极化层影响有限。

3.3. 膜接枝对ULO性能的影响

研究人员测试了35种不同膜在ULO过滤中的表现。结果表明，除通量和水的截留外，所有膜对粘度、TAN及金属杂质的去除性能均非常相似。特别值得注意的是，通量与水的截留率之间存在强相关性：高通量膜对应高水截留率，而低通量（如某些致密接枝膜）则表现出负水截留率（即渗透液中水含量高于进料）。对于孔径大于10 nm的膜，其通量并未超过10 nm基准膜，这可能是由于较大孔径被截留杂质部分堵塞所致。通过分析孔径与化学性质的关联性，研究证实只有当接枝后的有效孔径较小时，表面化学性质才会显著影响膜的性能。

结论与讨论

本研究深入探讨了不同孔径和表面化学的陶瓷UF膜在高温下回收ULO的技术可行性。研究结论指出，原生10 nm TiO₂膜在110 °C下表现出稳定的高通量（7-9 kg/h·m²）和优异的杂质去除能力，尤其是对水的意外高截留率。尽管尝试了多种表面接枝改性技术以引入疏水性或亲油性，但这些化学改性并未能进一步提升膜的通量，且在较小孔径下才显现出对性能的调节作用。总体而言，膜的化学组成（如ZrO₂或TiO₂顶层）对性能影响不大。该研究为高温ULO处理提供了关键的膜筛选依据，证实了陶瓷UF膜作为ULO初步净化步骤的有效性，有助于推动废油回收行业的可持续发展及碳循环。