油水乳狀液中水滴在疏水纖維絲上的聚結(jié)實驗研究

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(dǎo)致相關(guān)設(shè)備和管道腐蝕，造成管路堵塞，在航空航天設(shè)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(guān)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(jié)法，由于生產(chǎn)成本較低、聚結(jié)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(nèi)外學者的廣泛關(guān)注[2-4]．纖維絲聚結(jié)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(jié)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(nèi)外學者對液體流速、床層長度、纖維絲直徑及表面性質(zhì)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(jié)過程復(fù)雜且持續(xù)時間較短，難以直觀監(jiān)測，因此聚結(jié)機理以及聚結(jié)過程中各個因素對聚結(jié)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(shè)計的微通道聚結(jié)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(jié)過程，并采用纖維絲聚結(jié)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(yīng)用提供指導(dǎo)．

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(lǐng)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(zhì)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(jié)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(yīng)主要為碰撞聚結(jié)．

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(jié)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(zhuǎn)速為 500,r/min，預(yù)乳化 3,min；然后將轉(zhuǎn)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(jié)裝置內(nèi)的通道尺寸設(shè)計為：長 80,mm，寬 25,mm，高 0.9,mm，進料管與出料管的內(nèi)徑均為 6,mm，與其連接的硅膠管外徑為 4,mm，內(nèi)徑為0.8,mm，連接處采用聚四氟乙烯密封．

圖4 微通道聚結(jié)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(jié)過程由高速攝影儀(i-speed3)拍攝、記錄并分析．

2.4 碰撞聚結(jié)過程分析

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

實驗中泵的推動速度設(shè)定為 0.05,mm/s，由圖 6可見：①纖維絲碰撞聚結(jié)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(jié)；第3步，t＝4.65,s時聚結(jié)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(jié)，t＝7.90,s時被纖維捕獲的水滴在纖維絲表面碰撞聚結(jié)，t＝9.00,s時乳狀液中的水滴碰撞聚結(jié).因此在真實的聚結(jié)過程中床層內(nèi)發(fā)生了3種碰撞聚結(jié)[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(nèi)，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(jié)．

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(nèi)的水滴減少．為了保證微通道的透光性，填充的纖維絲質(zhì)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(jié)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(jié)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(jié)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(fù)配表面活性劑(Span80與十六烷基三甲基溴化銨的質(zhì)量分別為 3.80,g、2.52,g)[17]，高速剪切機轉(zhuǎn)速為 5,000,r/min，攪拌5,min；然后用注射器慢慢注水，加水質(zhì)量為 66,g，邊加水邊攪拌，用時 5,min；加水完畢后，轉(zhuǎn)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(jié)器

圖10 聚結(jié)器Fig.10 Coalescer

聚結(jié)器由聚結(jié)管和液體分布器構(gòu)成(見圖 10)，聚結(jié)管是長度為 190,mm、內(nèi)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(jié)管內(nèi)，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(jié)管內(nèi)，然后使用玻璃棒撞擊 5次，重復(fù)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(zhuǎn)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(jié)器內(nèi)，流經(jīng)纖維絲床層后進入油槽內(nèi)，聚結(jié)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(jié)器出口取樣250,mL，開始重力沉降，從開始取樣到沉降結(jié)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(jié)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(jīng)過沉降后上層100,mL溶液測得的含水量．

3.5 結(jié)果與討論

3.5.1 聚結(jié)器壓力降

隨機填充的纖維絲床層可以簡化為多孔介質(zhì)，流體經(jīng)過多孔介質(zhì)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(nèi)水滴增多，床層孔隙率降低，導(dǎo)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(guān)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(nèi)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(jié)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(dǎo)作用，小水滴更容易被纖維絲捕獲，碰撞聚結(jié)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(dǎo)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(jié)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(jié)中纖維絲對小水滴的捕獲作用對分離效率有至關(guān)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(jié)床層不同位置的變化

將實驗后聚結(jié)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(nèi)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(jié)，所以增加床層長度可能會進一步提高分離效率．

圖14 聚結(jié)管內(nèi)不同位置水滴形貌Fig.14 Morphology of water droplets in different positions in the coalescer

4 結(jié) 論

(1) 碰撞聚結(jié)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(jié)，后兩種碰撞在碰撞聚結(jié)中占據(jù)主導(dǎo)作用．

(2) 流速相同，乳狀液初始含水量增加，滯留在床層內(nèi)的水滴增加，聚結(jié)器兩端壓力降增大；初始含水量相同，流速增大，聚結(jié)器兩端壓降增大，但是滯留在床層內(nèi)的水滴減少，孔隙率下降，壓降與流速是非線性關(guān)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(jié)是一種較為有效的油水分離方法．

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