0 引　言

船舶在行驶过程中会产生很多含油污水，包括机舱的舱底水、液压设备泄露、生活污水、燃油系统排放等，这些含油污水会对环境造成很大影响，不仅通过食物链累计影响整个生态系统，同时也会恶化水质，对海洋生物的栖息造成严重影响。为此，国际海事组织（IMO）制定了一系列的船舶含油废水排放标准，这些标准包括《国际防止船舶造成污染公约》《国际船舶安全营运和防止污染管理规则》以及《国际海事组织船舶油污染应急计划》等，这些标准不仅要求制定含油污水的排放标准和程序，同时还要求制定油污染应急计划，以应对可能的油污染事故。

船舶对含油污水的处理主要通过船舶排油污水分离系统来实现，目前几乎所有船舶上都配备了油水分离器、撇油器等，但是这些处理方法无法对大量的含油废水进行处理，高质量的油水分离器成本较高，不利于推广应用。目前对船舶含油污水应用较广的是使用化学法和纤维素膜法对含油污水进行处理，化学法处理船舶含油污水通常涉及使用化学添加剂来改变油的物理或化学性质，从而促进油水分离。目前使用较多的是化学分散法、化学凝聚、絮凝以及化学氧化等。纤维素膜法实现油水分离的主要原理是基于纤维素膜的物理特性，尤其是其多孔结构、亲水性和疏水性。国内有众多学者对纤维素膜的制备、性能分析等进行研究，邢通^[1]开发可降解基材和无氟改性材料，以实现油水分离。以木材（木本植物）和丝瓜（草本植物）为原料，研制出了超疏水和超亲水性质的纤维素膜，这些膜可用于油水分离过程。孙卿^[2]采用了生物可降解且对环境友好的纤维素作为主要材料，成功开发出一系列超亲水和水下超疏油的复合纤维素膜，这些膜展现出卓越的抗油污染能力；并对这些膜的表面微观结构和化学组成进行深入分析，测试了它们对油和水的润湿特性。此研究还评估了纤维素膜在处理乳液时的性能和稳定性。本文在对国内外纤维素膜制备方法进行充分调研的基础上，提出一种应用于船舶排油污水分离系统的纤维素膜制备方法，并对纤维素膜的原理以及应用效果进行研究。

1 纤维素膜相关技术分析 1.1 纤维素膜油水分离原理

在船舶排油污水分离系统中，对油水进行高效分离是关键操作之一。纤维素膜油水分离技术因其高效性、环境友好性和可持续性而受到关注。然而，纤维素膜的性能可能会受到孔隙结构、表面化学和膜厚度等因素的影响。纤维素膜通过孔径筛选可以将油水进行有效分离，纤维素膜的孔径大小通常在微米或纳米级别，这使得它能够物理拦截油滴，只允许水通过。孔径足够小的膜可以有效地截留油滴，实现油水分离^[3]。同时纤维素是一种天然亲水性物质，能够吸引水分子并通过毛细作用促进水的渗透，同时排斥油分子。尽管纤维素本身亲水，但通过化学改性可以增加膜的疏水性，使其对油具有更好的排斥效果。纤维素膜的表面张力与油和水的表面张力不同，这有助于分离过程。水由于表面张力较低，更容易通过膜，而油则被留在膜的表面。

1.2 纤维素膜常见改性方法

虽然纤维素膜能够实现油水分离，但是其分离效率有时仍然不足以应用到船舶排油污水分离系统中，因而通过膜表面改性是一种非常有效的方法^[4]。纤维素膜的化学改性方法涉及改变纤维素分子的表面或化学结构，进而改善其性能，如亲水性、疏水性、机械强度、热稳定性等。不同的化学改性方法都有其特定的应用目的和条件，选择合适的改性方法可以显著提高纤维素膜的性能，满足特定的船舶排油污水分离的应用需求。

以下是一些常见的化学改性方法：

1）酯化、醚化、酰化

通过酯化反应将羧甲基（CMC）、羧乙基（CEC）等官能团引入纤维素分子，增加亲水性。醚化反应则可以引入其他官能团，如羟乙基、羟丙基等，以调节纤维素膜的亲水性和溶解性。酰化是使用酰化剂（如酸酐、酸氯化物等）对纤维素膜进行酰化，引入酰基，改变其亲水性和热稳定性。

2）接枝共聚

将功能性单体通过自由基引发剂在纤维素分子上接枝，形成共聚物，从而改变纤维素膜的表面特性和化学组成^[5]。

3）表面活性剂处理

使用阳离子、阴离子或非离子表面活性剂处理纤维素膜，改变其表面张力和亲水/疏水性质。

4）表面处理技术

利用紫外光、等离子体等对纤维素膜表面进行改性，紫外光可以通过光敏剂产生自由基，引发表面改性反应，而等离子体引入含氧官能团或含氟官能团，调节表面亲水性和疏水性^[6]。

5）酶处理

利用纤维素酶等生物催化剂对纤维素膜表面进行选择性水解，改变其表面粗糙度和亲水性。

2 纤维素膜的制备 2.1 实验材料

制备纤维素膜使用的化学试剂及生产厂家如下：

1）纤维素膜基材：微晶纤维素，生产厂家为斯里兰卡纤维素公司；

2）羧甲基纤维素钠盐（CMC），生产厂家为Dow Chemical；

3）氯化钠（NaCl），生产厂家为中盐集团；

4）氢氧化钠（NaOH），生产厂家为天津诚远化工有限公司；

5）无水乙醇（C₂H₅OH），生产厂家为天津诚远化工有限公司。

2.2 制备过程

步骤1　预处理。将纤维素膜基材在蒸馏水中浸泡3 h，以去除杂质，并提高其亲水性。

步骤2　配制溶液。准备4%浓度的氢氧化钠溶液作为催化剂。

步骤3　羧甲基化反应。将纤维素膜浸泡在含有CMC和NaOH的混合溶液中，使用搅拌设备充分搅拌，浸泡时间为1.5 h，控制pH值为8.0，温度为25℃，进行羧甲基化反应。

步骤4　中和与洗涤。反应完成后，使用适量的稀盐酸溶液中和，稀盐酸浓度为3%，然后使用蒸馏水多次洗涤，去除未反应的CMC和NaOH。

步骤5　干燥。洗涤后的纤维素膜在通风橱中晾干，设定干燥箱温度为50℃，干燥4 h，以获得羧甲基化纤维素膜。

步骤6　后处理。进行化学交联或物理处理，以改善膜的性能。将纤维素膜放置在紫外光源下，紫外光源型号为UV-B-300，对羧甲基化纤维素膜进行照射，照射时间为2 h，光源强度为30 mW/cm ² 。照射过程中，纤维素膜应均匀地暴露在紫外光下，以确保整个膜表面都能接收到紫外光。

2.3 性能分析

对制备的改性纤维素膜进行扫描电镜分析，得到SEM图，如图1所示。可以发现，备的改性纤维素膜具有明显的疏松多孔结构，且表面较为光滑。

为了研究制备的改性纤维素膜对不同油污进行分离的效果，使用机油、泵油、柴油、植物油4种油类来模拟船舶的含油污水，并配置含4种油的含油污水，含油量均为1500 mg/L。使用膜通量和油水分离效率作为改性纤维素膜对含油污水分离的性能指标，其中，

通量J的计算公式为：

$ J = \frac{V}{{T \times A}} \text{。} $

式中：V为含油污水的体积，T为取样时间，A为改性纤维素膜的有效面积。

油水分离效率指在油水分离过程中，从含油废水中去除油分的能力。它可以通过分离后水中油分的浓度与原始浓度的比值来衡量，分离效率越高，说明分离设备或方法在去除油分方面的效果越好。油水分离效率I的计算方法为：

$ I = \displaystyle\frac{{{m_1}/{V_1}}}{{{m_2}/{V_2}}} \times 100\text{%。} $

式中：V₂和V₁分别为分离前后的含油污水体积；m₂和m₁分别为分离前后的污水中的含油质量。

对同等体积的含油废水使用改性后的纤维素膜进行测试，得到结果如图2所示。从膜通量的测试结果看，针对不同的含油污水，本文制备的改性纤维素膜的膜通量均超过96%，最大可以达到99%，表明对含油污水具有较高的渗透率，且对含油污水的处理效率较高且不易堵塞，这为改性的纤维素膜应用于船舶含油污水分离系统提供了良好基础。从油水分离效率来看，不同类型的含油污水分离效率具有一定差异，这是由于本实验中采用不同油滴大小以及分散程度均有不同，同时不同油滴在水中的乳化状态对实验结果也有一定影响，对于不同类型的含油污水分离效率整体在80%左右，仍然能够满足船舶排油污水分离系统的使用需求。

2.4 纤维素膜在船舶排油污水分离系统中的应用

基于纤维素膜的船舶排油污水分离系统的设计需要考虑多种因素，包括处理能力、分离效率、系统的稳定性和可靠性、维护简便性以及对环境的影响。从船舶自身需求来看，设计的船舶排油污水分离系统需要能够快速且有效地从船舶排放的污水中分离出油分，且使用的分离材料必须环保，可生物降解。从成本上来看，使用的纤维素膜需要能够重复使用，且具有一定的耐久性，以承受船舶作业中的各种条件。因而，基于纤维素膜技术的船舶排油污水分离系统能够满足船舶排油污水分离系统的基本要求，设计系统结构如图3所示。

基于纤维素膜的船舶排油污水分离系统包括预处理单元、油水混合进料系统、纤维素膜油水分离、排水监控、循环泵、废油收集及处理单元、计算机控制及显示。各个单元的实现原理如下：

1）预处理单元

在油水分离过程之前，需要一个预处理单元来去除较大的固体颗粒和杂质，以保护纤维素膜并提高分离效率。

2）油水混合进料系统

该系统负责将含油污水均匀地分配到分离单元中，确保油水混合物能够充分接触纤维素膜。

3）纤维素膜油水分离

纤维素膜油水分离是整个系统的核心部分，纤维素膜具有特定的孔径和表面特性，能够实现油水的有效分离。纤维素膜可以根据其亲水性和疏水性进一步分类，超亲水纤维素膜可以促进水的渗透并排斥油，而超疏水纤维素膜则有助于油的分离。

4）排水监控

经过纤维素膜油水分离后可以完成对含油污水的基本处理，但是若系统中出现纤维素膜堵塞、损坏、管道泄漏等情况，则有可能出现污水分离不达标的情况，因而需要对排出的污水进行不断检测，这主要通过FP360 sc水中油分析仪来实现对含油量的在线监测，并将其结果反馈到计算机控制系统。

5）循环泵

循环泵用于维持含油污水在系统中的流动，控制系统则用于监控和调节流量、压力等参数，以优化分离过程。

6）废油收集及处理单元

废油的收集及处理是一个重要的环境保护环节，需要综合考虑收集、储存、运输和处理等多个方面。在船舶上需要建立一个专门的装置用于储存这些废油。

7）计算机控制及显示

实现船舶排油污水分离功能的关键有两点，一点是制备高效的改性纤维素膜，另外一点是建立智能的排油污水分离计算机控制系统，使系统中各单元能够协调工作，并设计友好的用户使用界面。

3 结　语

对船舶含油污水进行处理具有非常重要的经济意义和环保意义。纤维素膜是目前使用较为广泛的一种油水分离方法，本文分析了纤维素膜油水分离的原理和常见的改性方法，在此基础上研究一种改性羧甲基化纤维素膜的制备方法，并对制备的改性纤维素膜性能进行分析。最后设计了基于纤维素膜技术的船舶排油污水分离系统的结构，阐述了系统的实现原理。本文提出的船舶排油污水分离系统具有较高的经济性和环保性。