劉麗艷，侯立飛，譚 蔚，朱國瑞，唐國武

(1. 天津大學化工學院，天津 300350；2. 山東師范大學化學化工與材料學院，濟南 250014)

油中含水會形成乳狀液，易導致相關設備和管道腐蝕，造成管路堵塞，在航空航天設備中還可能會造成嚴重安全事故[1]，如何降低油中水含量是油類加工過程中的一個關鍵環(huán)節(jié)．油水乳狀液破乳脫水的方法主要包括化學法、電場法、電化學法、物理法等．物理法中的纖維絲聚結法，由于生產成本較低、聚結分離效果較好，不會造成二次污染，并且能耗較低，近年來受到國內外學者的廣泛關注[2-4]．纖維絲聚結是利用纖維絲的黏附、攔截、碰撞、鋪展、聚并等機理來使乳狀中的小液滴聚結為大液滴，加速油水分離[5-6].Hazlett[7]與 Othman等[8]先后提出液滴與纖維絲碰撞的理論模型，此后國內外學者對液體流速、床層長度、纖維絲直徑及表面性質等因素做了很多研究[9-14]，但是由于水滴在纖維絲表面的聚結過程復雜且持續(xù)時間較短，難以直觀監(jiān)測，因此聚結機理以及聚結過程中各個因素對聚結分離效果的影響尚未統(tǒng)一．

本文以油水乳狀液和疏水的竹炭纖維為研究對象，自行設計的微通道聚結裝置和高速攝影系統(tǒng)直觀記錄水滴在竹炭纖維上的碰撞聚結過程，并采用纖維絲聚結器研究油水乳狀液流速、初始含水量對床層壓降和分離效率的影響，以期為工業(yè)應用提供指導．

1 實驗試劑、儀器與材料

1.1 主要試劑

實驗使用主要試劑見表1．

表1 主要實驗試劑Tab.1 Main reagents

1.2 主要儀器

實驗使用的主要儀器見表2．

表2 主要實驗儀器Tab.2 Main instruments

1.3 實驗材料

實驗使用的竹炭纖維(上海奧領紡織新材料有限公司)直徑為 11,μm，以 0#柴油為連續(xù)相，蒸餾水為分散相，其性質見表3．

表3 實驗所用柴油與水的物性Tab.3 Properties of oil and water

1.4 液滴與纖維絲的夾角

圖 1(a)和(b)分別為采用噴霧法[15]獲得的油滴和水滴與竹炭纖維的接觸圖像，Image Pro測量結果見表 4．水滴與竹炭纖維的接觸角為 105.2°，表明水滴不能在纖維表面潤濕鋪展，因此本實驗中的竹炭纖維對油水乳狀液的破乳機理應主要為碰撞聚結．

圖1 液滴與竹炭纖維絲接觸Fig.1 Contact of droplet with bamboo charcoal fiber

表4 接觸角測量值Tab.4 Measured values of contact angle

1.5 載玻片表面的疏水處理

為避免因水滴在載玻片表面鋪展帶來的測量誤差，在使用顯微鏡和 Image Pro進行測量之前，對玻璃載玻片進行硅烷化疏水處理[16]，圖 2為處理前后水滴與載玻片接觸角，分別約為14°和103°，表明處理后的載玻片表面具有良好的疏水性．

圖2 水滴與載玻片接觸角Fig.2 Contact angle of water droplet and slide

2 聚結機理

2.1 乳狀液的制備

首先取0#柴油350,mL置于燒杯中，加入0.882,g Span80和0.588,g十八烷基三甲基溴化銨[17]，高速剪切機轉速為 500,r/min，預乳化 3,min；然后將轉速降至 300,r/min，邊攪拌邊注入 9.13,g蒸餾水，乳化2,min；再將含有乳狀液的燒杯置于 300,r/min的磁力攪拌器上攪拌 10,h；最后使用高速剪切機以200,r/min攪拌 1,min得到實驗所需油水乳狀液．在顯微鏡下的形貌如圖3所示，水滴直徑絕大部分小于100,μm．

圖3 油水乳狀液形貌Fig.3 Morphology of water-in-oil emulsion

2.2 微通道裝置

微通道裝置采用透光性好、強度高的亞克力有機玻璃板制作[18](見圖 4)，為了保證乳狀液流動的穩(wěn)定性和良好的透光性，聚結裝置內的通道尺寸設計為：長 80,mm，寬 25,mm，高 0.9,mm，進料管與出料管的內徑均為 6,mm，與其連接的硅膠管外徑為 4,mm，內徑為0.8,mm，連接處采用聚四氟乙烯密封．

圖4 微通道聚結裝置Fig.4 Microchannel device of coalescence

2.3 實驗流程

圖5 水滴碰撞實驗流程Fig.5 Flow chart of droplet collision experiment

實驗的工藝流程如圖5所示，制備的乳狀液在注射器中由進樣泵推送至微通道，乳狀液在微通道流動過程中，水滴被隨機填充的疏水竹炭纖維攔截，并且與乳狀液中的水滴發(fā)生碰撞，整個聚結過程由高速攝影儀(i-speed3)拍攝、記錄并分析．

2.4 碰撞聚結過程分析

圖6 乳狀液中水滴碰撞聚結過程Fig.6 Collision and coalescence of water droplets in emulsion

實驗中泵的推動速度設定為 0.05,mm/s，由圖 6可見：①纖維絲碰撞聚結主要分為 3步．第1步，t＝4.60,s時纖維絲捕獲乳狀液中的小水滴；第2步，t＝4.65,s時纖維絲捕獲的水滴與乳狀液中水滴碰撞聚結；第3步，t＝4.65,s時聚結長大的水滴脫離纖維絲．②t＝4.65,s時纖維絲捕獲的水滴與乳狀液中水滴碰撞聚結，t＝7.90,s時被纖維捕獲的水滴在纖維絲表面碰撞聚結，t＝9.00,s時乳狀液中的水滴碰撞聚結.因此在真實的聚結過程中床層內發(fā)生了3種碰撞聚結[18]．③纖維絲密集交叉處對水滴的攔截能力比較強，因此會有一部分水滴滯留在床層內，滯留的水滴使纖維絲床層提供的表面積減小，不利于碰撞聚結．

將泵的推動速度由0.05,mm/s增大至0.15,mm/s，圖7表明在增大流速時，由于連續(xù)相(柴油)的曳力增大，纖維絲對水滴的攔截能力減弱，滯留在床層內的水滴減少．為了保證微通道的透光性，填充的纖維絲質量較少，所以此處對微通道的分離效率不做討論．

由拍攝的視頻分析可知聚結過程分為3步：首先，乳狀液中分散的小水滴被單根纖維絲或交叉纖維絲攔截；其次，乳狀液中水滴與被纖維攔截的水滴不斷碰撞、合并，由小水滴長成大水滴；最后，長大到一定程度的大水滴在連續(xù)相(柴油)曳力的作用下脫離纖維絲，完成聚結過程．

圖7 不同流速下纖維絲攔截水滴對比Fig.7 Comparison of water droplets intercepted by fibers with different velocities

3 碰撞聚結實驗

3.1 乳狀液的制備

配置含水量為 5%,的柴油乳狀液，首先將 1.5,L 0#柴油置于燒杯中，加入復配表面活性劑(Span80與十六烷基三甲基溴化銨的質量分別為 3.80,g、2.52,g)[17]，高速剪切機轉速為 5,000,r/min，攪拌5,min；然后用注射器慢慢注水，加水質量為 66,g，邊加水邊攪拌，用時 5,min；加水完畢后，轉速不變，繼續(xù)攪拌 10,min，最后得到實驗需要的乳狀液．顯微鏡下觀察制備的乳狀液(見圖 8)，并使用 Image Pro對乳狀液中水滴直徑分布進行統(tǒng)計，粒徑分布見圖9．

圖8 乳狀液顯微圖Fig.8 Micrograph of emulsion

圖9 水滴直徑分布Fig.9 Distribution of water droplets diameter

3.2 聚結器

圖10 聚結器Fig.10 Coalescer

聚結器由聚結管和液體分布器構成(見圖 10)，聚結管是長度為 190,mm、內徑為 19,mm的亞克力管；液體分布器是高度為12.5,mm、直徑為19,mm圓柱，圓柱上均勻分布10個直徑為2,mm小圓孔．實驗時將多個液體分布器放入聚結管內，既能保證床層長度又能保證液體流動的均勻性；為了盡量保證纖維絲床層孔隙率的均勻性，每次將少量竹炭纖維填入聚結管內，然后使用玻璃棒撞擊 5次，重復以上操作，直至達到實驗所需．

3.3 實驗流程

工藝流程如圖 11所示，將制備的乳狀液置于轉速為 700,r/min磁力攪拌器上，其作用是保證乳狀液的穩(wěn)定性，乳狀液由蠕動泵抽入聚結器內，流經纖維絲床層后進入油槽內，聚結器兩端的壓降穩(wěn)定時表明流動處于穩(wěn)定狀態(tài)，時間約為 15,min，20,min后用量筒在聚結器出口取樣250,mL，開始重力沉降，從開始取樣到沉降結束時間為 20,min；之后取量筒中的上層液100,mL，利用蒸餾法測含水量，計算分離效率．

圖11 纖維絲聚結脫水流程Fig.11 Flow chart of coalescence dehydration by fibers

3.4 分離效率

纖維床層對乳狀液的分離效率為

式中：Cin為乳狀液初始含水量；Cout為經過沉降后上層100,mL溶液測得的含水量．

3.5 結果與討論

3.5.1 聚結器壓力降

隨機填充的纖維絲床層可以簡化為多孔介質，流體經過多孔介質床層時，壓降用 Carman-Kozeny公式來表示，即

式中：k1和k2分別為單向流和雙相流的柯尼常數(shù)；分別為單向流和兩相流的床層壓降，Pa；e和1e分別為單相流和兩相流的床層孔隙率；v為流體的表觀流速，m/s；A0為纖維的比表面積，m2/m3；m為黏度，Pa·s；L為床層長度，m．柯尼常數(shù)為纖維的形狀因子，T為迂曲度，Carman-Kozeny公式表明在孔隙率不變的情況下，床層兩端的壓力降與流動速度成正比．圖12表明：①同一流速下，隨初始含水量增加，壓力降增大[19]．流速為 1.0,mm/s時，初始含水量為 3%,，床層壓力降為 15.75,kPa，含水量增加至 5%,時，壓力降增加為 18.50,kPa，說明初始含水量的增加使滯留在床層內水滴增多，床層孔隙率降低，導致壓降增大；②初始含水量相同，乳狀液流速增大，床層兩端壓力降增加．初始含水量為 3%,時，流速由 1.0,mm/s增加至 2.0,mm/s，壓降增加了10.25,kPa，流速由 2.0,mm/s增加至 3.0,mm/s時，壓降增加了 4.50,kPa，床層壓降與流速并不符合線性關系，這是因為流動速度增大時連續(xù)相(柴油)的曳力增大使滯留在床層內的水滴減少，孔隙率增大，從而使床層壓降的增加減小，這與圖7的機理分析是一致的.

圖12 聚結器壓力降Fig.12 Pressure drop of coalescer

3.5.2 初始含水量與流速對分離效果的影響

實驗中纖維床層長度為5,cm，孔隙率為0.93，油水乳狀液的初始含水量分別為 3%,、4%,、5%,．圖 13表明隨著流速的增加分離下降，但是下降趨勢有所不同[19]．初始含水量為 5%,時，流速由 1.0,mm/s增大到2.0,mm/s，分離效率由 52%,下降到 43%,，流速由2.0,mm/s增加到 3.0,mm/s時，分離效率由 43%,下降到 22%,．這是因為水滴的動能與其速度的平方成正比，低流速時液滴的動能比較小，此時纖維絲與水滴之間的黏附力起主導作用，小水滴更容易被纖維絲捕獲，碰撞聚結效果較好，當流速增大時水滴的動能增大較多，此時水滴的動能起主導作用，纖維絲捕獲、截留小水滴的能力大大降低．圖 13也表明，初始含水量增加，分離效率下降．由圖 6的分析可知，在聚結過程中存在3種碰撞，初始含水量增大時分散在乳狀液中小水滴的碰撞概率增大，而纖維床層提供的表面積是固定的，纖維絲捕獲的水滴與乳狀液中小水滴的碰撞概率的增加十分有限，因此分離效率降低，這也說明碰撞聚結中纖維絲對小水滴的捕獲作用對分離效率有至關重要的作用．

圖13 油水分離效率Fig.13 Separation efficiency of water and oil

3.5.3 水滴直徑在聚結床層不同位置的變化

將實驗后聚結器(v＝1.0,mm/s)的入口、中間及出口處的纖維床層置于顯微鏡下，觀察和分析真實床層內水滴直徑的變化，纖維床層如圖 14所示，入口處的水滴直徑最大值為 34.6,mm，出口處的水滴直徑最大值為 245.3,μm，遠遠大于入口處的水滴直徑，這說明脫離纖維的水滴有可能在后續(xù)運動過程中再次被纖維絲捕獲并與其他水滴發(fā)生碰撞聚結，所以增加床層長度可能會進一步提高分離效率．

圖14 聚結管內不同位置水滴形貌Fig.14 Morphology of water droplets in different positions in the coalescer

4 結 論

(1) 碰撞聚結中包括3種碰撞：乳狀液中的水滴與水滴間的碰撞、乳狀液中的小水滴與纖維絲捕獲的小水滴的碰撞、纖維絲捕獲的水滴間的合并聚結，后兩種碰撞在碰撞聚結中占據(jù)主導作用．

(2) 流速相同，乳狀液初始含水量增加，滯留在床層內的水滴增加，聚結器兩端壓力降增大；初始含水量相同，流速增大，聚結器兩端壓降增大，但是滯留在床層內的水滴減少，孔隙率下降，壓降與流速是非線性關系．

(3) 實驗條件下乳狀液初始含水量越小，流速越低，分離效率越高．實驗中乳狀液初始含水量為3%,、流速為 1.0,mm/s時，分離效率可以達到 60%,，因此碰撞聚結是一種較為有效的油水分離方法．

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