颗粒碰撞协同超声氧化（PCUO）在油泥处理中的应用：边界膜破坏机理与工艺优化

《Journal of Hazardous Materials》：Particle collision synergistic ultrasonic oxidation （PCUO）for oil-sludge treatment: mechanisms of boundary film disruption and process optimization

　　

摘要

油污泥处理受到重油组分形成的稳定多层边界膜的阻碍。本研究调查了协同颗粒碰撞–超声氧化（PCUO）方法以破坏这些膜。单独超声处理可实现49.85%的总脱油量，但无法去除胶质和沥青质（去除率<20%），原因是1600?cm?1处的强芳环键和3400?cm?1处的羟基氢键。相比之下，PCUO将它们的去除率分别提升至88.24%和89.06%，总脱油量达到70.8%。将污泥粒径D??从216 μm减小到18.91 μm可使超声衰减降低94.5%，声强增加2%，这与脱油效率提升34.09%相关，最佳性能在D₅₀ = 15-50 μm时实现，平衡了超声穿透与再吸附风险。XDLVO证实PCUO降低了油-污泥相互作用能，增强了处理后污泥的稳定性。Box-Behnken设计优化得出参数：10.15?min，42.42 °C，pH 3.15，实现64.71%的总脱油量和82.0%的重油去除率，显著优于传统技术。总之，PCUO有效破坏复杂的边界膜，提高脱油效率，并为油性固体废物提供了一种新颖的净化方法。

章节摘要

引言

中国2024年油污泥年产量超过600万吨，但利用率仅为35%[25], [40], [47]。油污泥表面的石油烃形成由饱和烃、芳香烃、胶质和沥青质组成的复杂多层结构。由沥青质和胶质组成的边界膜抑制水滴聚并，阻碍油污泥的不稳定化，带来处理挑战。目前超声-芬顿氧化同步处理

材料与反应装置

图1展示了PCUO装置和原污泥特性。超声处理在25?kHz和0.33?W?cm?2下进行，以穿透粗污泥并促进空化诱导的碰撞[43]。其低频特性确保有效穿透大尺寸油污泥颗粒（D50 = 216 μm），同时通过空化效应增强颗粒碰撞[43], [51]。激光衍射法（NanoBrook Omni，美国布鲁克海文）测得D?? = 15.2 μm，D?? = 216 μm，D?? = 945.87 μm。

边界膜在污泥复杂结构上的吸附：脱油的关键制约因素

石油烃在污泥表面的强吸附形成多层边界膜，这对高效脱油构成了主要挑战[22]。如图3a所示，U^1st实现了49.85%的脱油量，对饱和烃（76.1%）和芳香烃（69.74%）高效，但对胶质（16.07%）和沥青质（19.63%）性能有限。这种差异源于超声空化主要剥离表面结合轻油，而重油

结论

油污泥处理面临稳定的沥青质-胶质边界膜难题，但颗粒碰撞-超声氧化（PCUO）工艺提供了一种突破。不同于U^1st仅实现49.85%的总脱油量且无法破坏重油键，PCUO产生羟基自由基以打破芳环和羟基氢键稳定作用。这将胶质和沥青质的去除率分别提升至88.24%和89.06%，总脱油量达到70.8%，而XDLVO分析证实

未引用参考文献

[4]

亮点

• •
  PCUO破坏重油膜，实现对胶质和沥青质的显著去除。
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  将污泥粒径D₅₀降至18.91 μm可降低衰减，提高声强和脱油量。
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  XDLVO分析验证PCUO降低了油-污泥相互作用能，增强污泥稳定性。
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  优化后的PCUO参数在42.42 °C、pH 3.15和10.15?min下实现显著的重油去除。

CRediT作者贡献声明

Zhang lin：写作——审阅与编辑。Liu shangyou：写作——审阅与编辑。Chang zhao：写作——审阅与编辑。Yan zhiyang：写作——原稿撰写。Qin jinyi：写作——审阅与编辑，项目管理，资金获取，概念构思。Yang min：写作——审阅与编辑。Chen dong：写作——审阅与编辑。

利益冲突声明

作者声明没有已知的相互竞争的财务利益或个人关系可能影响本文报告的工作。

致谢

本工作得到国家自然科学基金（批准号51808044，52272015）、陕西省重点研发计划（2024SF-YBXM-535）和陕西省秦创原"科学家+工程师"队伍建设专项（2022KXJ-119）的支持。

Yan Zhiyang|Chang Zhao|Liu Shangyou|Zhang Lin|Chen Dong|Yang Min|Qin Jinyi