鄧朋飛 李方俊 康敬欣 曹家銘 馮樂暉

(北京化工大學 機電工程學院, 北京 100029)

引 言

聚結脫水技術是一種利用纖維濾材對油、水兩相親和力的不同來實現(xiàn)乳狀液中微小液滴的相互聚并、長大,最終從纖維表面脫落的物理方法[1]。 聚結脫水法具有處理流量大、分離效率高、維護成本低等優(yōu)點,廣泛應用于油水分離領域[2-3]。 航空噴氣燃料的脫水凈化大多使用聚結分離器進行[4-5],然而國產(chǎn)的聚結分離器至今未通過國際標準的認證。聚結分離器的核心材料是纖維濾材,其聚結脫水性能是評價聚結分離器性能好壞的重要指標。

為了保證航空噴氣燃料的燃燒效果和使用性能,通常會加入各種表面活性劑,起到抗磨、抗靜電、抗氧化等作用[6],但是也使得噴氣燃料中的乳化水更加穩(wěn)定。 乳化水不僅會降低燃料的熱值,弱化燃料的霧化效果,增大燃料的消耗,而且在低溫環(huán)境下容易發(fā)生結晶,造成飛機供油管路的阻塞,使得燃料系統(tǒng)供油困難,嚴重影響飛機的正常運行[7]。 為了去除油液中的乳化水,國內(nèi)外學者進行了相關研究。Wang 等[8]發(fā)現(xiàn)隨著溶劑油中表面活性劑Span80 含量的增大,乳化水的穩(wěn)定性增加,水滴的聚結難度增大。 Zhou 等[9]研究發(fā)現(xiàn)當其他表面活性劑分子插入到油水界面時,原先的表面活性劑分子保護膜會被削弱,相鄰水滴更容易發(fā)生聚并。 Luo 等[10]發(fā)現(xiàn)在三元復合驅油溶液中隨著表面活性劑含量的增大,水滴的聚結時間也會不斷增加。 張倩[11]發(fā)現(xiàn)柴油中脂溶性表面活性劑的含量越高,乳狀液越穩(wěn)定,油水分離越困難。

目前,對油水分離的研究主要集中在柴油或溶劑油脫水領域,而對航空噴氣燃料(原料油)的研究相對較少,并且使用的過濾介質(zhì)大多為纖維床層,缺乏關于纖維聚結機理方面的研究。 航空噴氣燃料中加入表面活性劑后,水滴的聚結與脫落過程較為復雜,相關實驗數(shù)據(jù)比較匱乏,各種因素對纖維聚結脫水效果的影響并不清晰。 針對上述問題,本文搭建了一套可視化微流道實驗系統(tǒng),以航空煤油為連續(xù)相,蒸餾水為分散相,石油磺酸鹽為表面活性劑,制備了兩種不同界面張力的乳狀液,利用建立的實驗系統(tǒng)觀測在不同界面張力下纖維表面水滴的聚結與脫落過程,討論了影響水滴聚結與脫落的主要因素,以期為纖維聚結脫水方面的研究提供一定的參考。

1 實驗部分

1.1 實驗原料與儀器

1.1.1 實驗原料

3#航空煤油,常溫常壓下密度為0.78 g/cm3,黏度為2.98 mPa·s,武漢富鑫遠科技有限公司;蒸餾水,實驗室自制;石油磺酸鹽,純度32%,密度為1.09 g/cm3,平均摩爾質(zhì)量為380 g/mol,山東優(yōu)索化工科技有限公司;玻璃纖維,直徑為5 μm,空氣中與水的接觸角為53°,北京承天倍達過濾技術有限責任公司。

1.1.2 實驗儀器

JET-100 型離心泵,上海陽光泵業(yè)制造有限公司;LabV6 型蠕動泵,申辰精密泵制造有限公司;MDS400 型顯微鏡,上海蔡康光學儀器有限公司;SCZL202 型張力測定儀,山東盛康電器有限公司。

1.2 實驗系統(tǒng)

實驗系統(tǒng)如圖1 所示。 乳狀液通過蠕動泵送至微流道裝置(圖2),微流道裝置內(nèi)排布著纖維絲。纖維表面水滴的聚結脫水主要有3 個過程[12]:乳狀液中的水滴與纖維碰撞后被攔截在纖維表面;乳狀液中的水滴與纖維表面已附著的水滴發(fā)生碰撞或纖維表面相鄰水滴發(fā)生碰撞,進而聚并為粒徑更大的水滴;當水滴粒徑增長到一定尺寸后在流場的作用下從纖維表面脫落,流至回收槽中。 使用顯微鏡實時觀察微流道裝置內(nèi)水滴的聚結與脫落過程,測定水滴粒徑,并通過計算機進行錄像。

圖1 實驗系統(tǒng)Fig.1 Experimental system

圖2 微流道裝置Fig.2 Microchannel device

1.3 乳狀液制備

按照表1 中各原料的加入量,向油箱中加入航空煤油,將蒸餾水與石油磺酸鹽混合均勻,倒入油箱。 啟動離心泵,轉速為2 950 r/min,攪拌20 min后,水滴粒徑約為5 μm,并且均勻地分散在連續(xù)相中,得到實驗所需的兩種乳狀液,分別記為1#和2#乳狀液,使用張力測定儀測得其油水界面張力分別為18 mN/m 和8 mN/m。 關閉離心泵,取適量乳狀液,加入實驗系統(tǒng)的進料槽中進行實驗。

表1 乳狀液中各原料加入量Table 1 Amount of each raw material in the emulsions

2 結果與討論

2.1 不同界面張力下水滴聚結過程

2.1.1 界面張力為18 mN/m 時水滴聚結過程

使用1#乳狀液,流場流速為26 mm/s,流場流速與聚結分離器中聚結濾芯的表觀流速基本一致,通過本文建立的實驗系統(tǒng)觀測水滴的聚結過程。 圖3為初始階段的水滴形貌,水滴隨著乳狀液在流場中運動,與纖維絲碰撞后大部分水滴被攔截在纖維的上游表面,小部分水滴在流場的作用下滑動到纖維的下游。

圖3 初始階段的水滴形貌Fig.3 Morphology of water droplets in the initial stage

在聚結階段,隨著纖維表面水滴數(shù)量的不斷增多,相鄰水滴會發(fā)生碰撞、滑動,相互聚并形成粒徑較大的水滴。 實驗過程中,每隔1 min 記錄一次纖維表面的最大水滴粒徑,結果如圖4 所示。最大水滴粒徑在前3 min 增長較快,在3 min 后增長較為平緩。 圖5 為1 min 和3 min 時纖維表面水滴的實際分布情況。 由圖5(a)可以看出,在1 min時纖維表面的水滴數(shù)量較多,相鄰水滴發(fā)生聚結現(xiàn)象較為頻繁。 實驗中發(fā)現(xiàn),在前3 min 水滴粒徑的增長不僅依靠乳狀液中細小的水滴直接撞擊纖維表面已存在的水滴,而且纖維表面的水滴也會發(fā)生滑動、碰撞,進而聚并為粒徑更大的水滴,因此水滴粒徑增長較快。 隨著粒徑較小的水滴不斷地聚結,在3 min 時,最大水滴粒徑已經(jīng)達到35 μm左右,此時纖維表面分布的大多是粒徑較大的水滴,如圖5(b)所示。 兩水滴相互聚并之后形成的新水滴的表面積與聚并前兩水滴的表面積之和相比將會減小,新水滴單位面積的表面活性劑濃度將會增大。 大量的活性劑分子在水滴表面形成一層保護膜,使得相鄰水滴不易發(fā)生聚并,此時水滴粒徑的增長主要依靠乳狀液中細小的水滴與纖維表面已存在的粒徑較大的水滴直接碰撞,由于乳狀液中的水滴粒徑與纖維表面的水滴粒徑差距過大,聚并后水滴的體積不會發(fā)生太大改變,因此3 min后水滴粒徑的增長較為緩慢。

圖4 界面張力為18 mN/m 時不同時間的最大水滴粒徑Fig.4 Maximum droplet size at different times when the interfacial tension is 18 mN/m

圖5 界面張力為18 mN/m 時1 min 和3 min 的纖維表面水滴分布Fig.5 Water droplet distribution on the fiber surface at 1 min and 3 min when the interfacial tension is 18 mN/m

2.1.2 界面張力為8 mN/m 時水滴聚結過程

使用2#乳狀液,流場流速為26 mm/s。 每隔1 min記錄一次纖維表面的最大水滴粒徑,結果如圖6 所示。在前6 min 最大水滴粒徑的增長趨勢較為平緩,6 min 后最大水滴粒徑幾乎不再增長,此時最大水滴粒徑為13 μm 左右。 圖7 為1 min 和7 min時纖維表面水滴的實際分布情況。 由圖7(a)可以看出,與界面張力為18 mN/m 時的情況相比,界面張力為8 mN/m 時纖維上游的水滴數(shù)量明顯減少。實驗中發(fā)現(xiàn),初始階段水滴在纖維上游黏附后,停留時間極為短暫,隨后在流場的作用下滑動到纖維下游,此時水滴呈單側分布。 水滴單側分布的主要原因是表面活性劑含量的增大導致乳狀液中水滴表面的活性劑分子數(shù)量增多,水滴表面的活性劑分子保護膜更加致密,這層保護膜將影響水滴與纖維之間的黏附性。 由于表面活性劑含量的增大,水滴聚結長大后單位面積的表面活性劑濃度將會升高,這些活性劑分子將嚴重阻礙水滴之間的聚并,即使一排水滴彼此相鄰也很少發(fā)生聚結現(xiàn)象,如圖7(b)所示。 水滴粒徑的增長只能依靠乳狀液中的水滴與纖維表面已存在的粒徑較大的水滴直接碰撞,因此6 min 后水滴粒徑的增長速度減慢。

圖6 界面張力為8 mN/m 時不同時間的最大水滴粒徑Fig.6 Maximum droplet size at different times when the interfacial tension is 8 mN/m

圖7 界面張力為8 mN/m 時1 min 和7 min 的纖維表面水滴分布Fig.7 Water droplet distribution on the fiber surface at 1 min and 7 min when the interfacial tension is 8 mN/m

2.2 表面活性劑含量對最大水滴粒徑的影響

為了探究表面活性劑含量與最大水滴粒徑之間的量化關系,假設表面活性劑分子均勻分布在水滴表面,且水滴在聚結完成后都能達到最大粒徑。 水滴聚結實驗結果發(fā)現(xiàn)表面活性劑含量不同,即乳狀液中油水界面張力不同,測得的最大水滴粒徑相差較大,圖8 為界面張力為18 mN/m 和8 mN/m 時的最大水滴粒徑比較。

圖8 不同界面張力下的最大水滴粒徑比較Fig.8 Comparison of maximum droplet size for different interfacial tensions

由圖8 可以看出,聚結完成后纖維表面水滴的形狀不再是球形,而是頭部為半球形、尾部為圓柱的組合體,如圖9 所示。 通過測量組合體的水滴頭部粒徑D與圓柱體高度H,可以近似得到水滴的體積及表面積。 由于水滴是附著在纖維表面的,在計算時需要去除組合體的底面積,從而近似得到表面活性劑在水滴表面的附著面積。 表2 為1#和2#乳狀液的最大粒徑水滴的尺寸參數(shù)及水滴數(shù)量。 根據(jù)兩種乳狀液中各原料的比例計算出表面活性劑的物質(zhì)的量,進而得到分子總數(shù),結果如表3 所示。

圖9 水滴形狀示意圖Fig.9 Diagram of droplet shape

表3 表面活性劑的物質(zhì)的量和分子總數(shù)Table 3 Quantity and total number of the surfactant molecules

通過以上數(shù)據(jù)得到1#和2#乳狀液聚結完成后最大粒徑水滴單位面積的表面活性劑分子數(shù)分別為7.14 ×108個/μm2和7.95 ×108個/μm2。 在其他條件不變、僅改變表面活性劑含量的情況下,1#和2#乳狀液的最大粒徑水滴單位面積附著的活性劑分子數(shù)基本保持一致。 結果表明水滴單位面積的表面活性劑分子數(shù)存在飽和值,當達到飽和值時,水滴將被表面活性劑分子完全包圍,很難與其他水滴發(fā)生聚結行為,此時水滴粒徑幾乎不再增長。

2.3 不同界面張力下水滴脫落過程

2.3.1 界面張力為18 mN/m 時水滴脫落過程

纖維表面的水滴聚結長大到一定程度后將從纖維下游表面脫落。 實驗中發(fā)現(xiàn),在固定流速下,隨著時間的推移,水滴粒徑不斷增大,當水滴粒徑增大到某一尺寸時出現(xiàn)斷裂脫落現(xiàn)象;隨后通過增大流場流速使得不同粒徑的水滴相繼發(fā)生斷裂脫落,此時的流場流速即為水滴脫落的臨界流速v。 使用1#乳狀液,通過本文建立的實驗系統(tǒng)觀測纖維表面水滴的脫落過程,并截取不同臨界流速下水滴在脫落前、脫落過程中以及脫落后的照片,結果如圖10 所示。水滴的整個脫落過程分為3 部分:脫落前水滴的形狀近似為圓柱與半球的組合體,并且能夠穩(wěn)定地附著在纖維表面;當流場流速即將達到水滴脫落的臨界流速時,水滴在流場的作用下發(fā)生變形,開始反復振蕩,逐漸被拉長為錐形,并且在水滴根部附近出現(xiàn)“縮頸”現(xiàn)象;當流場流速達到臨界流速時,水滴在“縮頸”位置發(fā)生斷裂,剩余的細小部分為“水痕”,依然黏附在纖維表面。

圖10 界面張力為18 mN/m 時在不同臨界流速v 下水滴的脫落過程Fig.10 Shedding of water droplets at different critical flow rates when the interfacial tension is 18 mN/m

由圖10 可以看出,水滴從纖維表面脫落的形式不是直接脫離,而是水滴的自身斷裂。 液體自身間結合的牢固程度可以用內(nèi)聚功W來表示,其表達式為

式中:γ為油水界面張力,mN/m;S為臨界斷裂面積,μm2。

隨著流場流速的增加,脫落部分水滴的動能也在逐漸增大,當動能增大到此時水滴的內(nèi)聚功時,水滴將被拉斷。 脫落部分水滴的動能E的表達式為

式中:m為脫落部分水滴的質(zhì)量,kg;v為臨界流速,mm/s。

由圖10 可得,水滴被拉長后,前端基本保持半球形,主體部分在流場的作用下不斷被拉長,近似為錐形,脫落部分的水滴可以看作是兩者的組合體。該組合體的模型如圖11 所示,主要參數(shù)包括上底半徑R1、高度H、下底半徑R2,半球體半徑與錐體下底半徑R2相同。 通過測量這3 個參數(shù),即可求得脫落部分水滴體積的近似值,從而得到質(zhì)量及動能。 水滴脫落后將恢復為球形,為了便于記錄,需要將得到的水滴體積轉化為球體體積,根據(jù)球體的體積公式,求得轉化直徑D0,用于表達不規(guī)則的脫落部分水滴的大小。 脫落部分水滴的動能參數(shù)計算結果如表4所示。

圖11 脫落部分的水滴模型Fig.11 Model of a water droplet that breaks away

表4 界面張力為18 mN/m 時脫落部分水滴的動能參數(shù)和臨界斷裂面積Table 4 Parameters related to kinetic energy and critical fracture area of the detached droplets when the interfacial tension is 18 mN/m

纖維表面的水滴在脫落過程中會被不斷拉長,“縮頸”處的截面積將不斷減小,由式(1)可得,水滴的內(nèi)聚功也在不斷減小,當流場流速增大至臨界流速v時,水滴的內(nèi)聚功與脫落部分水滴的動能相等,水滴發(fā)生斷裂。 將式(1)與式(2)聯(lián)立后即可求解出水滴的臨界斷裂面積S(表4)。 臨界斷裂面積S與動能E的變化規(guī)律一致,表明動能是水滴斷裂的主導因素。 由式(2)可得,脫落部分水滴的動能E受質(zhì)量m和臨界流速v共同控制,由表4 可以看出,隨著轉化直徑D0的減小,水滴質(zhì)量m減小,臨界流速v增大,脫落部分水滴的動能E增大,動能E與臨界流速v的變化規(guī)律一致,表明臨界流速v是影響水滴動能的主要因素。因此,在18 mN/m 的界面張力下流場流速是造成水滴斷裂的主要原因,為保證纖維表面水滴的聚結效果,應謹慎調(diào)節(jié)流場流速。

2.3.2 界面張力為8 mN/m 時水滴脫落過程

當使用2#乳狀液進行實驗時,由于表面活性劑含量的增大,不同流速下得到的水滴粒徑差異較大,較小的流速變化都會引起不同粒徑的水滴發(fā)生斷裂脫落,因此本文在5 種流速下觀察水滴的脫落過程,結果如圖12 所示。 可以看出,水滴的整個脫落過程與界面張力為18 mN/m 時的水滴脫落過程類似,同樣為自身斷裂。

圖12 界面張力為8 mN/m 時在不同臨界流速v 下水滴的脫落過程Fig.12 Shedding of water droplets at different critical flow rates when the interfacial tension is 8 mN/m

按照2.3.1 節(jié)的計算方法,得到在8 mN/m 界面張力下脫落部分水滴的動能參數(shù)和臨界斷裂面積,結果如表5 所示。 臨界斷裂面積S的變化規(guī)律與動能E的變化規(guī)律一致,表明動能為水滴斷裂的主導因素。 隨著轉化直徑D0的減小,水滴質(zhì)量m減小,臨界流速v增大,脫落部分水滴的動能E減小,動能E的變化規(guī)律與水滴質(zhì)量m的變化規(guī)律一致,表明水滴質(zhì)量m是影響水滴動能的主要因素。 水滴質(zhì)量m主要與水滴轉化直徑D0有關,根據(jù)水滴聚結實驗結果可得表面活性劑含量對水滴粒徑具有較大影響;根據(jù)水滴脫落實驗結果可得不同流速下纖維表面的水滴粒徑也有較大差異,由此可得水滴轉化直徑D0受表面活性劑含量與流場流速共同控制。因此,在8 mN/m 的界面張力下水滴斷裂的主要因素為表面活性劑含量和流場流速。

表5 界面張力為8 mN/m 時脫落部分水滴的動能參數(shù)和臨界斷裂面積Table 5 Parameters related to kinetic energy and critical fracture area of detached droplets when the interfacial tension is 8 mN/m

3 結論

(1)在18 mN/m 的界面張力下,最大水滴粒徑在前3 min 增長較快,在3 min 后增長較為緩慢;在8 mN/m 的界面張力下,在前6 min 最大水滴粒徑的增長趨勢較為平緩,6 min 后最大水滴粒徑幾乎不再增長,并且在聚結初始階段水滴呈單側分布。

(2)在本文所設定的實驗條件下,當水滴單位面積的表面活性劑分子數(shù)達到飽和值時,水滴將被表面活性劑分子完全包圍,很難與其他水滴發(fā)生聚結行為,水滴粒徑幾乎不再增長。

(3)在界面張力為18 mN/m 時,水滴的脫落形式為自身斷裂,流場流速是引起水滴斷裂的主要原因。 為保證纖維表面水滴的聚結效果,對于流場流速應謹慎調(diào)節(jié)。

(4)在界面張力為8 mN/m 時,水滴的脫落形式同樣為自身斷裂,水滴的斷裂不僅與流場流速有關,而且還受表面活性劑含量的影響。 為保證水滴的聚結效果,不僅需要合理調(diào)控流場流速,還需要控制表面活性劑含量。