油水乳状液中水滴在疏水纤维丝上的聚结实验研究

刘丽艳，侯立飞，谭 蔚，朱国瑞，唐国武

(1. 天津大学化工学院，天津 300350；2. 山东师范大学化学化工与材料学院，济南 250014)

油中含水会形成乳状液，易导致相关设备和管道腐蚀，造成管路堵塞，在航空航天设备中还可能会造成严重安全事故[1]，如何降低油中水含量是油类加工过程中的一个关键环节．油水乳状液破乳脱水的方法主要包括化学法、电场法、电化学法、物理法等．物理法中的纤维丝聚结法，由于生产成本较低、聚结分离效果较好，不会造成二次污染，并且能耗较低，近年来受到国内外学者的广泛关注[2-4]．纤维丝聚结是利用纤维丝的黏附、拦截、碰撞、铺展、聚并等机理来使乳状中的小液滴聚结为大液滴，加速油水分离[5-6].Hazlett[7]与 Othman等[8]先后提出液滴与纤维丝碰撞的理论模型，此后国内外学者对液体流速、床层长度、纤维丝直径及表面性质等因素做了很多研究[9-14]，但是由于水滴在纤维丝表面的聚结过程复杂且持续时间较短，难以直观监测，因此聚结机理以及聚结过程中各个因素对聚结分离效果的影响尚未统一．

本文以油水乳状液和疏水的竹炭纤维为研究对象，自行设计的微通道聚结装置和高速摄影系统直观记录水滴在竹炭纤维上的碰撞聚结过程，并采用纤维丝聚结器研究油水乳状液流速、初始含水量对床层压降和分离效率的影响，以期为工业应用提供指导．

1 实验试剂、仪器与材料

1.1 主要试剂

实验使用主要试剂见表1．

表1 主要实验试剂Tab.1 Main reagents

1.2 主要仪器

实验使用的主要仪器见表2．

表2 主要实验仪器Tab.2 Main instruments

1.3 实验材料

实验使用的竹炭纤维(上海奥领纺织新材料有限公司)直径为 11,μm，以 0#柴油为连续相，蒸馏水为分散相，其性质见表3．

表3 实验所用柴油与水的物性Tab.3 Properties of oil and water

1.4 液滴与纤维丝的夹角

图 1(a)和(b)分别为采用喷雾法[15]获得的油滴和水滴与竹炭纤维的接触图像，Image Pro测量结果见表 4．水滴与竹炭纤维的接触角为 105.2°，表明水滴不能在纤维表面润湿铺展，因此本实验中的竹炭纤维对油水乳状液的破乳机理应主要为碰撞聚结．

图1 液滴与竹炭纤维丝接触Fig.1 Contact of droplet with bamboo charcoal fiber

表4 接触角测量值Tab.4 Measured values of contact angle

1.5 载玻片表面的疏水处理

为避免因水滴在载玻片表面铺展带来的测量误差，在使用显微镜和 Image Pro进行测量之前，对玻璃载玻片进行硅烷化疏水处理[16]，图 2为处理前后水滴与载玻片接触角，分别约为14°和103°，表明处理后的载玻片表面具有良好的疏水性．

图2 水滴与载玻片接触角Fig.2 Contact angle of water droplet and slide

2 聚结机理

2.1 乳状液的制备

首先取0#柴油350,mL置于烧杯中，加入0.882,g Span80和0.588,g十八烷基三甲基溴化铵[17]，高速剪切机转速为 500,r/min，预乳化 3,min；然后将转速降至 300,r/min，边搅拌边注入 9.13,g蒸馏水，乳化2,min；再将含有乳状液的烧杯置于 300,r/min的磁力搅拌器上搅拌 10,h；最后使用高速剪切机以200,r/min搅拌 1,min得到实验所需油水乳状液．在显微镜下的形貌如图3所示，水滴直径绝大部分小于100,μm．

图3 油水乳状液形貌Fig.3 Morphology of water-in-oil emulsion

2.2 微通道装置

微通道装置采用透光性好、强度高的亚克力有机玻璃板制作[18](见图 4)，为了保证乳状液流动的稳定性和良好的透光性，聚结装置内的通道尺寸设计为：长 80,mm，宽 25,mm，高 0.9,mm，进料管与出料管的内径均为 6,mm，与其连接的硅胶管外径为 4,mm，内径为0.8,mm，连接处采用聚四氟乙烯密封．

图4 微通道聚结装置Fig.4 Microchannel device of coalescence

2.3 实验流程

图5 水滴碰撞实验流程Fig.5 Flow chart of droplet collision experiment

实验的工艺流程如图5所示，制备的乳状液在注射器中由进样泵推送至微通道，乳状液在微通道流动过程中，水滴被随机填充的疏水竹炭纤维拦截，并且与乳状液中的水滴发生碰撞，整个聚结过程由高速摄影仪(i-speed3)拍摄、记录并分析．

2.4 碰撞聚结过程分析

图6 乳状液中水滴碰撞聚结过程Fig.6 Collision and coalescence of water droplets in emulsion

实验中泵的推动速度设定为 0.05,mm/s，由图 6可见：①纤维丝碰撞聚结主要分为 3步．第1步，t＝4.60,s时纤维丝捕获乳状液中的小水滴；第2步，t＝4.65,s时纤维丝捕获的水滴与乳状液中水滴碰撞聚结；第3步，t＝4.65,s时聚结长大的水滴脱离纤维丝．②t＝4.65,s时纤维丝捕获的水滴与乳状液中水滴碰撞聚结，t＝7.90,s时被纤维捕获的水滴在纤维丝表面碰撞聚结，t＝9.00,s时乳状液中的水滴碰撞聚结.因此在真实的聚结过程中床层内发生了3种碰撞聚结[18]．③纤维丝密集交叉处对水滴的拦截能力比较强，因此会有一部分水滴滞留在床层内，滞留的水滴使纤维丝床层提供的表面积减小，不利于碰撞聚结．

将泵的推动速度由0.05,mm/s增大至0.15,mm/s，图7表明在增大流速时，由于连续相(柴油)的曳力增大，纤维丝对水滴的拦截能力减弱，滞留在床层内的水滴减少．为了保证微通道的透光性，填充的纤维丝质量较少，所以此处对微通道的分离效率不做讨论．

由拍摄的视频分析可知聚结过程分为3步：首先，乳状液中分散的小水滴被单根纤维丝或交叉纤维丝拦截；其次，乳状液中水滴与被纤维拦截的水滴不断碰撞、合并，由小水滴长成大水滴；最后，长大到一定程度的大水滴在连续相(柴油)曳力的作用下脱离纤维丝，完成聚结过程．

图7 不同流速下纤维丝拦截水滴对比Fig.7 Comparison of water droplets intercepted by fibers with different velocities

3 碰撞聚结实验

3.1 乳状液的制备

配置含水量为 5%,的柴油乳状液，首先将 1.5,L 0#柴油置于烧杯中，加入复配表面活性剂(Span80与十六烷基三甲基溴化铵的质量分别为 3.80,g、2.52,g)[17]，高速剪切机转速为 5,000,r/min，搅拌5,min；然后用注射器慢慢注水，加水质量为 66,g，边加水边搅拌，用时 5,min；加水完毕后，转速不变，继续搅拌 10,min，最后得到实验需要的乳状液．显微镜下观察制备的乳状液(见图 8)，并使用 Image Pro对乳状液中水滴直径分布进行统计，粒径分布见图9．

图8 乳状液显微图Fig.8 Micrograph of emulsion

图9 水滴直径分布Fig.9 Distribution of water droplets diameter

3.2 聚结器

图10 聚结器Fig.10 Coalescer

聚结器由聚结管和液体分布器构成(见图 10)，聚结管是长度为 190,mm、内径为 19,mm的亚克力管；液体分布器是高度为12.5,mm、直径为19,mm圆柱，圆柱上均匀分布10个直径为2,mm小圆孔．实验时将多个液体分布器放入聚结管内，既能保证床层长度又能保证液体流动的均匀性；为了尽量保证纤维丝床层孔隙率的均匀性，每次将少量竹炭纤维填入聚结管内，然后使用玻璃棒撞击 5次，重复以上操作，直至达到实验所需．

3.3 实验流程

工艺流程如图 11所示，将制备的乳状液置于转速为 700,r/min磁力搅拌器上，其作用是保证乳状液的稳定性，乳状液由蠕动泵抽入聚结器内，流经纤维丝床层后进入油槽内，聚结器两端的压降稳定时表明流动处于稳定状态，时间约为 15,min，20,min后用量筒在聚结器出口取样250,mL，开始重力沉降，从开始取样到沉降结束时间为 20,min；之后取量筒中的上层液100,mL，利用蒸馏法测含水量，计算分离效率．

图11 纤维丝聚结脱水流程Fig.11 Flow chart of coalescence dehydration by fibers

3.4 分离效率

纤维床层对乳状液的分离效率为

式中：Cin为乳状液初始含水量；Cout为经过沉降后上层100,mL溶液测得的含水量．

3.5 结果与讨论

3.5.1 聚结器压力降

随机填充的纤维丝床层可以简化为多孔介质，流体经过多孔介质床层时，压降用 Carman-Kozeny公式来表示，即

式中：k1和k2分别为单向流和双相流的柯尼常数；分别为单向流和两相流的床层压降，Pa；e和1e分别为单相流和两相流的床层孔隙率；v为流体的表观流速，m/s；A0为纤维的比表面积，m2/m3；m为黏度，Pa·s；L为床层长度，m．柯尼常数为纤维的形状因子，T为迂曲度，Carman-Kozeny公式表明在孔隙率不变的情况下，床层两端的压力降与流动速度成正比．图12表明：①同一流速下，随初始含水量增加，压力降增大[19]．流速为 1.0,mm/s时，初始含水量为 3%,，床层压力降为 15.75,kPa，含水量增加至 5%,时，压力降增加为 18.50,kPa，说明初始含水量的增加使滞留在床层内水滴增多，床层孔隙率降低，导致压降增大；②初始含水量相同，乳状液流速增大，床层两端压力降增加．初始含水量为 3%,时，流速由 1.0,mm/s增加至 2.0,mm/s，压降增加了10.25,kPa，流速由 2.0,mm/s增加至 3.0,mm/s时，压降增加了 4.50,kPa，床层压降与流速并不符合线性关系，这是因为流动速度增大时连续相(柴油)的曳力增大使滞留在床层内的水滴减少，孔隙率增大，从而使床层压降的增加减小，这与图7的机理分析是一致的.

图12 聚结器压力降Fig.12 Pressure drop of coalescer

3.5.2 初始含水量与流速对分离效果的影响

实验中纤维床层长度为5,cm，孔隙率为0.93，油水乳状液的初始含水量分别为 3%,、4%,、5%,．图 13表明随着流速的增加分离下降，但是下降趋势有所不同[19]．初始含水量为 5%,时，流速由 1.0,mm/s增大到2.0,mm/s，分离效率由 52%,下降到 43%,，流速由2.0,mm/s增加到 3.0,mm/s时，分离效率由 43%,下降到 22%,．这是因为水滴的动能与其速度的平方成正比，低流速时液滴的动能比较小，此时纤维丝与水滴之间的黏附力起主导作用，小水滴更容易被纤维丝捕获，碰撞聚结效果较好，当流速增大时水滴的动能增大较多，此时水滴的动能起主导作用，纤维丝捕获、截留小水滴的能力大大降低．图 13也表明，初始含水量增加，分离效率下降．由图 6的分析可知，在聚结过程中存在3种碰撞，初始含水量增大时分散在乳状液中小水滴的碰撞概率增大，而纤维床层提供的表面积是固定的，纤维丝捕获的水滴与乳状液中小水滴的碰撞概率的增加十分有限，因此分离效率降低，这也说明碰撞聚结中纤维丝对小水滴的捕获作用对分离效率有至关重要的作用．

图13 油水分离效率Fig.13 Separation efficiency of water and oil

3.5.3 水滴直径在聚结床层不同位置的变化

将实验后聚结器(v＝1.0,mm/s)的入口、中间及出口处的纤维床层置于显微镜下，观察和分析真实床层内水滴直径的变化，纤维床层如图 14所示，入口处的水滴直径最大值为 34.6,mm，出口处的水滴直径最大值为 245.3,μm，远远大于入口处的水滴直径，这说明脱离纤维的水滴有可能在后续运动过程中再次被纤维丝捕获并与其他水滴发生碰撞聚结，所以增加床层长度可能会进一步提高分离效率．

图14 聚结管内不同位置水滴形貌Fig.14 Morphology of water droplets in different positions in the coalescer

4 结 论

(1) 碰撞聚结中包括3种碰撞：乳状液中的水滴与水滴间的碰撞、乳状液中的小水滴与纤维丝捕获的小水滴的碰撞、纤维丝捕获的水滴间的合并聚结，后两种碰撞在碰撞聚结中占据主导作用．

(2) 流速相同，乳状液初始含水量增加，滞留在床层内的水滴增加，聚结器两端压力降增大；初始含水量相同，流速增大，聚结器两端压降增大，但是滞留在床层内的水滴减少，孔隙率下降，压降与流速是非线性关系．

(3) 实验条件下乳状液初始含水量越小，流速越低，分离效率越高．实验中乳状液初始含水量为3%,、流速为 1.0,mm/s时，分离效率可以达到 60%,，因此碰撞聚结是一种较为有效的油水分离方法．

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