柳思遠(yuǎn)，菅愛博，張浩，田志國(guó)，張靜,2*

（1. 沈陽化工大學(xué) 機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院，遼寧 沈陽 110142； 2. 天津大學(xué) 化工學(xué)院，天津 300072）

隨著含油污水處理難度的增大，緊湊高效的油水分離設(shè)備成為非均相液液物系分離研發(fā)的重點(diǎn)。多層斜板重力沉降分離器中內(nèi)部多層分離構(gòu)件有水平板和傾斜板兩種設(shè)計(jì)方案，由于其具有處理量大、操作靈活、占地面積小等優(yōu)點(diǎn)，工程應(yīng)用較多[1]。油水分離作為重要的污水處理過程，水下油滴與接觸壁面的潤(rùn)濕特性對(duì)分離效率有明顯的影響。水下油滴接觸壁面現(xiàn)象屬于非均相流的研究范疇[2-6]，在工業(yè)生產(chǎn)中廣泛存在，對(duì)其主要參數(shù)接觸角、滑動(dòng)角、滾動(dòng)角的研究持續(xù)至今[7]。

液滴接觸角研究是分析液滴在壁面上潤(rùn)濕特性的直觀評(píng)價(jià)，然而在油水分離過程中，水下油滴含雜質(zhì)的成分和比例具有不確定性。在斜板分離過程中，液滴撞擊壁面的形式主要以液滴撞擊斜面為主。油滴與斜板存在相對(duì)運(yùn)動(dòng)，因此接觸角滯后特性對(duì)油滴滑動(dòng)或滾動(dòng)的影響更重要。XIE[8]等構(gòu)造滑動(dòng)或滾動(dòng)的標(biāo)準(zhǔn)面，驗(yàn)證平衡接觸角和接觸角滯后對(duì)液滴滑動(dòng)或滾動(dòng)有較大影響。?IKALO[9]等研究表明甘油（高黏性液體）液滴在較大沖擊角下沿著光滑壁面滾動(dòng)。RAN[10]等提出液滴重量和表面材料的疏水性等因素是影響滾動(dòng)角度的重要參數(shù)，滾動(dòng)角隨接觸角的增加而減小。ZHANG[11]等研究發(fā)現(xiàn)，滑動(dòng)角、靜態(tài)接觸角和液滴擴(kuò)散面積越大，接觸角滯后越大。液滴橢圓形擴(kuò)散的長(zhǎng)寬比越大，接觸角滯后越大。AHMED[12]等提出接觸角滯后對(duì)液滴在斜面上滑動(dòng)時(shí)運(yùn)動(dòng)有影響，接觸角較小的液滴在傾斜的基底上滑動(dòng)時(shí)很可能形成長(zhǎng)條狀的軌跡，液滴體積加速降低。SAKAI[13]等測(cè)量了水滴在疏水性固體表面上的滑動(dòng)加速度，提出液滴的滑動(dòng)行為可分為3 種運(yùn)動(dòng)類型：恒加速運(yùn)動(dòng)、恒速度運(yùn)動(dòng)和靜止運(yùn)動(dòng)。PIERCE[14]等研究液滴在斜板上的實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，滑動(dòng)角是一個(gè)獨(dú)立表示液滴在斜板上運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的量。大量文獻(xiàn)的研究集中在氣相環(huán)境下液（油）滴在固體表面的潤(rùn)濕和滾動(dòng)特性，對(duì)液相環(huán)境下油滴在固體表面上的潤(rùn)濕性能研究較少。油滴在斜板上的動(dòng)態(tài)行為是斜板分離中設(shè)計(jì)和選材的重要依據(jù)。

多層平/斜板沉降分離器中，工業(yè)上使用的板材以玻璃和不銹鋼板為主，實(shí)驗(yàn)室使用的材質(zhì)以有機(jī)玻璃為主。為此，針對(duì)這3 種壁面材質(zhì)，實(shí)驗(yàn)研究水下油滴在平面和斜面上的動(dòng)態(tài)行為，分析油滴中含雜質(zhì)濃度對(duì)水下油滴潤(rùn)濕特性的影響。通過對(duì)接觸角、滑動(dòng)角等參數(shù)測(cè)量，研究水下油滴在壁面上的完整動(dòng)態(tài)過程，總結(jié)雜質(zhì)濃度對(duì)水下油滴潤(rùn)濕特性的影響，為液液非均相分離過程中水下油滴的動(dòng)態(tài)行為研究提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 材料

本研究中連續(xù)相為水，溫度20 ℃時(shí)密度為998.2 kg·m-3。離散相油滴選擇CCl4，油滴內(nèi)雜質(zhì)選擇溶于CCl4不溶于水的碘單質(zhì)。本實(shí)驗(yàn)中溶液含碘質(zhì)量分?jǐn)?shù)及碘用量如表1 所示。為了研究油滴含雜質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)壁面潤(rùn)濕特性的影響規(guī)律，配備了8 種不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的含碘CCl4混合溶液各100 mL。被測(cè)試表面為平板，3 種材質(zhì)分別為PMMA、玻璃和經(jīng)過拉絲處理的不銹鋼（304），表面粗糙度分別為 0.01、0.006、0.4 μm。3 個(gè)平板的尺寸均為100 mm × 100 mm，厚度3 mm。

表1 油滴直徑及碘濃度

1.2 實(shí)驗(yàn)過程

實(shí)驗(yàn)裝置分為液滴輸送、液滴測(cè)量、圖像獲取3 個(gè)部分，如圖1 所示。

圖1 水下油滴潤(rùn)濕特性實(shí)驗(yàn)裝置

液滴輸送部分由含碘 CCl4溶液、蠕動(dòng)泵（Kachuaner 流體科技有限公司）、生成油滴的10 G針頭（Birmingham Wire Gauge）用軟管連接在一起。測(cè)量在400 mm × 230 mm × 250 mm 水箱中進(jìn)行，水箱中承載被測(cè)固體壁面的平臺(tái)高度為120 mm。液滴拍攝裝置選用SONY 4K 攝像機(jī)，拍攝幀率設(shè)置為30 fps，水箱上安裝定位針頭的鋁合金框架，頂部架設(shè)增強(qiáng)圖像效果的白色片光源。

實(shí)驗(yàn)過程在水下完成，實(shí)驗(yàn)室的溫度穩(wěn)定在20 ℃。分別將PMMA、玻璃、不銹鋼3 種平板置于水下平臺(tái)上，針頭浸入水面下與平板間距為10 mm。開啟蠕動(dòng)泵，針頭處生成直徑6.4 mm 的油滴，油滴在針頭尖端聚結(jié)完成后，油滴脫離針頭與壁面接觸。待油滴完全靜止在平板表面后油滴輪廓切線與平板表面所成角度即為油滴在該平板表面的接觸角。改變平板傾斜角度，待油滴在斜面上開始向較低一側(cè)滑動(dòng)時(shí)，傾斜平板與水平面的夾角為油滴在表面上的滑動(dòng)角。針對(duì)表1 中的參數(shù)，在3 種材質(zhì)表面進(jìn)行多組實(shí)驗(yàn)，每個(gè)參數(shù)有效測(cè)量20 次。拍攝圖像后處理采用Canny 邊緣檢測(cè)方法[15-16]識(shí)別油滴的邊緣。

1.3 實(shí)驗(yàn)誤差

本研究影響結(jié)果的因素較多，包括針頭產(chǎn)生的液滴尺寸、液滴輪廓后處理等。液滴體積的穩(wěn)定性是本研究中的不確定因素，為此對(duì)液滴進(jìn)行穩(wěn)定性分析，蠕動(dòng)泵流量保持不變，液滴體積與時(shí)間成正比，計(jì)算累積時(shí)間之間流量的穩(wěn)定性，測(cè)得的誤差為1.19%。

2 結(jié)果與討論

MARTINEZ-URUTIA[17]等測(cè)試了不同濃度LiBr 溶液液滴在不同材質(zhì)表面的的接觸角，發(fā)現(xiàn)隨著濃度的增加，接觸角也在增加。為此本文對(duì)常用3 種材質(zhì)表面水下油滴的動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究。

2.1 水下油滴在水平板上的表面潤(rùn)濕行為

取含碘質(zhì)量分?jǐn)?shù)c= 0.125%的CCl4油滴，研究水下油滴在水平表面上的潤(rùn)濕過程。設(shè)油滴開始與平板表面接觸時(shí)刻為t= 0 ms，表2 描述了在t在0 ～200 ms 時(shí)段水下油滴在不同材質(zhì)水平表面上動(dòng)態(tài)行為。

表2 水下油滴在3 種不同材質(zhì)平板表面上的動(dòng)態(tài)行為分析

由表2 可以看出，在t為 0 ～33 ms 時(shí)段油滴均保持類似橢球體，底面接觸面積接近。在t為33 ～100 ms 時(shí)段，油滴在PMMA 和不銹鋼表面迅速鋪展，不銹鋼表面鋪展速度更快。當(dāng)t＞ 100 ms 玻璃板表面油滴高度下降并一直保持上半部分輪廓為橢球面。對(duì)3 種材質(zhì)表面，當(dāng)油滴鋪展后，上下輪廓形狀基本保持不變，僅隨時(shí)間緩慢下移，底部與材質(zhì)表面接觸面逐漸增大。實(shí)驗(yàn)測(cè)得水下油滴在PMMA、玻璃、不銹鋼表面上潤(rùn)濕時(shí)間平均值分別為792、330、957 ms，靜態(tài)接觸角CA平均值分別為45.3 °、111.4 °、41.0 °。

2.2 水下油滴在傾斜板上的臨界滑動(dòng)行為

取含碘質(zhì)量分?jǐn)?shù)c= 0.125%的CCl4油滴，研究油滴在具有一定傾角平板上的滑動(dòng)過程。設(shè)油滴開始與平板表面相對(duì)滑動(dòng)時(shí)刻為t= 0 ms，表3 描述了t在 0～400 ms 時(shí)段水下CCl4油滴在不同材質(zhì)傾斜表面上的動(dòng)態(tài)行為。

表3 水下油滴在3 種傾斜板上的動(dòng)態(tài)行為

由表3 可以看出，在不同的傾斜角度條件下，3 種材質(zhì)表面油滴動(dòng)態(tài)行為存在較大差異。在t為0～33 ms 時(shí)段油滴以變形為主，油滴重心下降并向傾斜板下側(cè)微移；在t為33～100 ms 時(shí)段油滴迅速向下鋪展，并在t≥ 100 ms 后保持形狀向下滑動(dòng)，滑動(dòng)過程中與傾斜表面接觸面積沿流動(dòng)方向拉長(zhǎng)。在PMMA 和不銹鋼表面上，油滴以滑動(dòng)為主，油滴在傾斜的玻璃表面下滑過程中伴隨著滾動(dòng)，而且下滑速度明顯更快。實(shí)驗(yàn)測(cè)得水下油滴臨界滑動(dòng)狀態(tài)下，PMMA、玻璃、不銹鋼表面的傾斜角SA平均值分別為15.6 °、22.5 °、10.5 °。

3 雜質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)水下油滴潤(rùn)濕性能影響

在含油污水中，很多有機(jī)雜質(zhì)溶于油，油的雜質(zhì)含量導(dǎo)致油的物性發(fā)生變化。對(duì)油水分離過程，油在材質(zhì)表面的潤(rùn)濕性能決定了分離效率，由此對(duì)含雜質(zhì)的水下油滴在平板和斜板表面的接觸角、潤(rùn)濕時(shí)間和滑動(dòng)角進(jìn)行研究。

3.1 雜質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)接觸角的影響

在3 種材質(zhì)平板上，水下含不同雜質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)的油滴接觸角測(cè)量值如圖2 所示。由圖2 可以看出，玻璃表面具有水下疏油特性，接觸角范圍為108.2°～ 120.5°；PMMA 與不銹鋼表面為水下親油表面，接觸角范圍分別為22.3° ～54.0°、27.6°～54.6°。由此可以分析出親油表面對(duì)含雜質(zhì)油滴接觸角的影響略大于疏油表面，而且當(dāng)雜質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)較低時(shí)（c＜ 0.1%），PMMA 接觸角小于不銹鋼，親油性較強(qiáng)。但當(dāng)雜質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)升高時(shí)（c≥0.1%），PMMA接觸角大于不銹鋼，親油性弱于不銹鋼。3 種不同材質(zhì)平板表面接觸角CA玻璃＞＞CAPMMA≈CA不銹鋼，對(duì)接觸角進(jìn)行數(shù)據(jù)擬合，得到擬合公式如圖2 所示。

圖2 油滴含雜質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)油滴接觸角的影響

3.2 雜質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)潤(rùn)濕時(shí)間的影響

油滴含雜質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)油滴在平板表面潤(rùn)濕時(shí)間的影響如圖3 所示。

圖3 油滴含雜質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)油滴潤(rùn)濕時(shí)間的影響

由圖3 可知，油滴在3 種表面上的潤(rùn)濕時(shí)間不同。對(duì)于不銹鋼板和PMMA 板，粗糙度相對(duì)較大，油滴的接觸角較小，潤(rùn)濕時(shí)間較長(zhǎng)。隨著油滴含碘質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加，在不銹鋼表面的潤(rùn)濕時(shí)間增加，而在PMMA 表面的潤(rùn)濕時(shí)間降低；對(duì)于玻璃板，表面粗糙度遠(yuǎn)小于其他兩種表面，水下親油性較差，穩(wěn)定時(shí)間較短（t≈300 ms），而且基本不受雜質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)的影響。

3.3 雜質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)滑動(dòng)角的影響

油滴雜質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)油滴滑動(dòng)角的影響如圖4所示。由圖4 可以看出，3 種不同材質(zhì)平板表面滑動(dòng)角均隨CCl4油滴含碘質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加而降低。玻璃平板的粗糙度遠(yuǎn)小于不銹鋼和PMMA 材質(zhì)平板，其滑動(dòng)角的范圍為16.5°～38.5°，不銹鋼的滑動(dòng)角范圍為4.3°～22.3°，PMMA 的滑動(dòng)角范圍為12.5°～ 27.4°。CCl4油滴含碘質(zhì)量分?jǐn)?shù)相同情況下，3 種不同材質(zhì)平板表面滑動(dòng)角SA玻璃＞SAPMMA＞SA不銹鋼。對(duì)3 種材質(zhì)水下CCl4滑動(dòng)角數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，得到3 個(gè)擬合公式如圖4 所示。

圖4 油滴含雜質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)油滴滑動(dòng)角的影響

4 結(jié) 論

本文研究了液液兩相分離過程中水下油滴在不同材質(zhì)表面潤(rùn)濕行為和傾斜平面上臨界滑動(dòng)行為，探討了水下油滴含雜質(zhì)的潤(rùn)濕性能。具體結(jié)論如下：

1）油滴在不銹鋼和PMMA 表面屬于水下親油表面，在玻璃表面屬于水下疏油表面。

2）油滴在平板表面上的鋪展過程中，在不銹鋼板和PMMA 板上，鋪展主要以周向拉伸鋪展為主，潤(rùn)濕時(shí)間長(zhǎng)，而在玻璃板上，僅油滴底部因黏附于玻璃表面上變平，潤(rùn)濕時(shí)間較短。

3）在常用3 種材質(zhì)平板表面，接觸角CA玻璃＞＞CAPMMA≈CA不銹鋼。3 種不同材質(zhì)平板表面滑動(dòng)角SA玻璃＞SAPMMA＞SA不銹鋼。因此，在處理含雜質(zhì)的介質(zhì)時(shí)，玻璃表面對(duì)介質(zhì)的分離性能要優(yōu)于其他兩種表面。

4）隨著油滴內(nèi)雜質(zhì)含量的增加，不銹鋼表面的潤(rùn)濕時(shí)間逐漸增加，PMMA 表面的潤(rùn)濕時(shí)間逐漸降低。但玻璃表面的潤(rùn)濕時(shí)間無明顯變化。故當(dāng)提高分離含雜質(zhì)介質(zhì)效率時(shí)，任意雜質(zhì)濃度下表面材料選擇玻璃最優(yōu)，高雜質(zhì)濃度下亦可選擇PMMA 作為表面材料。