基于液液非均相的離散相潤濕性能影響分析

柳思遠，菅愛博，張浩，田志國，張靜,2*

（1. 沈陽化工大學(xué) 機械與動力工程學(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。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)計方案，由于其具有處理量大、操作靈活、占地面積小等優(yōu)點，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濕特性對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，對其主要參數(shù)接觸角、滑動角、滾動角的研究持續(xù)至今[7]。

液滴接觸角研究是分析液滴在壁面上潤濕特性的直觀評價，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運動，因此接觸角滯后特性對油滴滑動或滾動的影響更重要。XIE[8]等構(gòu)造滑動或滾動的標(biāo)準面，驗證平衡接觸角和接觸角滯后對液滴滑動或滾動有較大影響。?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。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角度的重要參數(shù)，滾動角隨接觸角的增加而減小。ZHANG[11]等研究發(fā)現(xiàn)，滑動角、靜態(tài)接觸角和液滴擴散面積越大，接觸角滯后越大。液滴橢圓形擴散的長寬比越大，接觸角滯后越大。AHMED[12]等提出接觸角滯后對液滴在斜面上滑動時運動有影響，接觸角較小的液滴在傾斜的基底上滑動時很可能形成長條狀的軌跡，液滴體積加速降低。SAKAI[13]等測量了水滴在疏水性固體表面上的滑動加速度，提出液滴的滑動行為可分為3 種運動類型：恒加速運動、恒速度運動和靜止運動。PIERCE[14]等研究液滴在斜板上的實驗發(fā)現(xiàn)，滑動角是一個獨立表示液滴在斜板上運動狀態(tài)的量。大量文獻的研究集中在氣相環(huán)境下液（油）滴在固體表面的潤濕和滾動特性，對液相環(huán)境下油滴在固體表面上的潤濕性能研究較少。油滴在斜板上的動態(tài)行為是斜板分離中設(shè)計和選材的重要依據(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，實驗室使用的材質(zhì)以有機玻璃為主。為此，針對這3 種壁面材質(zhì)，實驗研究水下油滴在平面和斜面上的動態(tài)行為，分析油滴中含雜質(zhì)濃度對水下油滴潤濕特性的影響。通過對接觸角、滑動角等參數(shù)測量，研究水下油滴在壁面上的完整動態(tài)過程，總結(jié)雜質(zhì)濃度對水下油滴潤濕特性的影響，為液液非均相分離過程中水下油滴的動態(tài)行為研究提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

1 實驗部分

1.1 材料

本研究中連續(xù)相為水，溫度20 ℃時密度為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)。本實驗中溶液含碘質(zhì)量分數(shù)及碘用量如表1 所示。為了研究油滴含雜質(zhì)質(zhì)量分數(shù)對壁面潤濕特性的影響規(guī)律，配備了8 種不同質(zhì)量分數(shù)的含碘CCl4混合溶液各100 mL。被測試表面為平板，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 實驗過程

實驗裝置分為液滴輸送、液滴測量、圖像獲取3 個部分，如圖1 所示。

圖1 水下油滴潤濕特性實驗裝置

液滴輸送部分由含碘 CCl4溶液、蠕動泵（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。測量在400 mm × 230 mm × 250 mm 水箱中進行，水箱中承載被測固體壁面的平臺高度為120 mm。液滴拍攝裝置選用SONY 4K 攝像機，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)增強圖像效果的白色片光源。

實驗過程在水下完成，實驗室的溫度穩(wěn)定在20 ℃。分別將PMMA、玻璃、不銹鋼3 種平板置于水下平臺上，針頭浸入水面下與平板間距為10 mm。開啟蠕動泵，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)滑動時，傾斜平板與水平面的夾角為油滴在表面上的滑動角。針對表1 中的參數(shù)，在3 種材質(zhì)表面進行多組實驗，每個參數(shù)有效測量20 次。拍攝圖像后處理采用Canny 邊緣檢測方法[15-16]識別油滴的邊緣。

1.3 實驗誤差

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，為此對液滴進行穩(wěn)定性分析，蠕動泵流量保持不變，液滴體積與時間成正比，計算累積時間之間流量的穩(wěn)定性，測得的誤差為1.19%。

2 結(jié)果與討論

MARTINEZ-URUTIA[17]等測試了不同濃度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。為此本文對常用3 種材質(zhì)表面水下油滴的動態(tài)特性進行實驗研究。

2.1 水下油滴在水平板上的表面潤濕行為

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

表2 水下油滴在3 種不同材質(zhì)平板表面上的動態(tài)行為分析

由表2 可以看出，在t為 0 ～33 ms 時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，僅隨時間緩慢下移，底部與材質(zhì)表面接觸面逐漸增大。實驗測得水下油滴在PMMA、玻璃、不銹鋼表面上潤濕時間平均值分別為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行為

取含碘質(zhì)量分數(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過程。設(shè)油滴開始與平板表面相對滑動時刻為t= 0 ms，表3 描述了t在 0～400 ms 時段水下CCl4油滴在不同材質(zhì)傾斜表面上的動態(tài)行為。

表3 水下油滴在3 種傾斜板上的動態(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)表面油滴動態(tài)行為存在較大差異。在t為0～33 ms 時段油滴以變形為主，油滴重心下降并向傾斜板下側(cè)微移；在t為33～100 ms 時段油滴迅速向下鋪展，并在t≥ 100 ms 后保持形狀向下滑動，滑動過程中與傾斜表面接觸面積沿流動方向拉長。在PMMA 和不銹鋼表面上，油滴以滑動為主，油滴在傾斜的玻璃表面下滑過程中伴隨著滾動，而且下滑速度明顯更快。實驗測得水下油滴臨界滑動狀態(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)量分數(shù)對水下油滴潤濕性能影響

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

3.1 雜質(zhì)質(zhì)量分數(shù)對接觸角的影響

在3 種材質(zhì)平板上，水下含不同雜質(zhì)質(zhì)量分數(shù)的油滴接觸角測量值如圖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)量分數(shù)較低時（c＜ 0.1%），PMMA 接觸角小于不銹鋼，親油性較強。但當(dāng)雜質(zhì)質(zhì)量分數(shù)升高時（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，對接觸角進行數(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)量分數(shù)對油滴接觸角的影響

3.2 雜質(zhì)質(zhì)量分數(shù)對潤濕時間的影響

油滴含雜質(zhì)質(zhì)量分數(shù)對油滴在平板表面潤濕時間的影響如圖3 所示。

圖3 油滴含雜質(zhì)質(zhì)量分數(shù)對油滴潤濕時間的影響

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

3.3 雜質(zhì)質(zhì)量分數(shù)對滑動角的影響

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

圖4 油滴含雜質(zhì)質(zhì)量分數(shù)對油滴滑動角的影響

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)表面潤濕行為和傾斜平面上臨界滑動行為，探討了水下油滴含雜質(zhì)的潤濕性能。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，潤濕時間長，而在玻璃板上，僅油滴底部因黏附于玻璃表面上變平，潤濕時間較短。

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)平板表面滑動角SA玻璃＞SAPMMA＞SA不銹鋼。因此，在處理含雜質(zhì)的介質(zhì)時，玻璃表面對介質(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，不銹鋼表面的潤濕時間逐漸增加，PMMA 表面的潤濕時間逐漸降低。但玻璃表面的潤濕時間無明顯變化。故當(dāng)提高分離含雜質(zhì)介質(zhì)效率時，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。