基于液液非均相的离散相润湿性能影响分析

柳思远，菅爱博，张浩，田志国，张静,2*

（1. 沈阳化工大学 机械与动力工程学院，辽宁 沈阳 110142； 2. 天津大学 化工学院，天津 300072）

随着含油污水处理难度的增大，紧凑高效的油水分离设备成为非均相液液物系分离研发的重点。多层斜板重力沉降分离器中内部多层分离构件有水平板和倾斜板两种设计方案，由于其具有处理量大、操作灵活、占地面积小等优点，工程应用较多[1]。油水分离作为重要的污水处理过程，水下油滴与接触壁面的润湿特性对分离效率有明显的影响。水下油滴接触壁面现象属于非均相流的研究范畴[2-6]，在工业生产中广泛存在，对其主要参数接触角、滑动角、滚动角的研究持续至今[7]。

液滴接触角研究是分析液滴在壁面上润湿特性的直观评价，然而在油水分离过程中，水下油滴含杂质的成分和比例具有不确定性。在斜板分离过程中，液滴撞击壁面的形式主要以液滴撞击斜面为主。油滴与斜板存在相对运动，因此接触角滞后特性对油滴滑动或滚动的影响更重要。XIE[8]等构造滑动或滚动的标准面，验证平衡接触角和接触角滞后对液滴滑动或滚动有较大影响。ŠIKALO[9]等研究表明甘油（高黏性液体）液滴在较大冲击角下沿着光滑壁面滚动。RAN[10]等提出液滴重量和表面材料的疏水性等因素是影响滚动角度的重要参数，滚动角随接触角的增加而减小。ZHANG[11]等研究发现，滑动角、静态接触角和液滴扩散面积越大，接触角滞后越大。液滴椭圆形扩散的长宽比越大，接触角滞后越大。AHMED[12]等提出接触角滞后对液滴在斜面上滑动时运动有影响，接触角较小的液滴在倾斜的基底上滑动时很可能形成长条状的轨迹，液滴体积加速降低。SAKAI[13]等测量了水滴在疏水性固体表面上的滑动加速度，提出液滴的滑动行为可分为3 种运动类型：恒加速运动、恒速度运动和静止运动。PIERCE[14]等研究液滴在斜板上的实验发现，滑动角是一个独立表示液滴在斜板上运动状态的量。大量文献的研究集中在气相环境下液（油）滴在固体表面的润湿和滚动特性，对液相环境下油滴在固体表面上的润湿性能研究较少。油滴在斜板上的动态行为是斜板分离中设计和选材的重要依据。

多层平/斜板沉降分离器中，工业上使用的板材以玻璃和不锈钢板为主，实验室使用的材质以有机玻璃为主。为此，针对这3 种壁面材质，实验研究水下油滴在平面和斜面上的动态行为，分析油滴中含杂质浓度对水下油滴润湿特性的影响。通过对接触角、滑动角等参数测量，研究水下油滴在壁面上的完整动态过程，总结杂质浓度对水下油滴润湿特性的影响，为液液非均相分离过程中水下油滴的动态行为研究提供基础数据。

1 实验部分

1.1 材料

本研究中连续相为水，温度20 ℃时密度为998.2 kg·m-3。离散相油滴选择CCl4，油滴内杂质选择溶于CCl4不溶于水的碘单质。本实验中溶液含碘质量分数及碘用量如表1 所示。为了研究油滴含杂质质量分数对壁面润湿特性的影响规律，配备了8 种不同质量分数的含碘CCl4混合溶液各100 mL。被测试表面为平板，3 种材质分别为PMMA、玻璃和经过拉丝处理的不锈钢（304），表面粗糙度分别为 0.01、0.006、0.4 μm。3 个平板的尺寸均为100 mm × 100 mm，厚度3 mm。

表1 油滴直径及碘浓度

1.2 实验过程

实验装置分为液滴输送、液滴测量、图像获取3 个部分，如图1 所示。

图1 水下油滴润湿特性实验装置

液滴输送部分由含碘 CCl4溶液、蠕动泵（Kachuaner 流体科技有限公司）、生成油滴的10 G针头（Birmingham Wire Gauge）用软管连接在一起。测量在400 mm × 230 mm × 250 mm 水箱中进行，水箱中承载被测固体壁面的平台高度为120 mm。液滴拍摄装置选用SONY 4K 摄像机，拍摄帧率设置为30 fps，水箱上安装定位针头的铝合金框架，顶部架设增强图像效果的白色片光源。

实验过程在水下完成，实验室的温度稳定在20 ℃。分别将PMMA、玻璃、不锈钢3 种平板置于水下平台上，针头浸入水面下与平板间距为10 mm。开启蠕动泵，针头处生成直径6.4 mm 的油滴，油滴在针头尖端聚结完成后，油滴脱离针头与壁面接触。待油滴完全静止在平板表面后油滴轮廓切线与平板表面所成角度即为油滴在该平板表面的接触角。改变平板倾斜角度，待油滴在斜面上开始向较低一侧滑动时，倾斜平板与水平面的夹角为油滴在表面上的滑动角。针对表1 中的参数，在3 种材质表面进行多组实验，每个参数有效测量20 次。拍摄图像后处理采用Canny 边缘检测方法[15-16]识别油滴的边缘。

1.3 实验误差

本研究影响结果的因素较多，包括针头产生的液滴尺寸、液滴轮廓后处理等。液滴体积的稳定性是本研究中的不确定因素，为此对液滴进行稳定性分析，蠕动泵流量保持不变，液滴体积与时间成正比，计算累积时间之间流量的稳定性，测得的误差为1.19%。

2 结果与讨论

MARTINEZ-URUTIA[17]等测试了不同浓度LiBr 溶液液滴在不同材质表面的的接触角，发现随着浓度的增加，接触角也在增加。为此本文对常用3 种材质表面水下油滴的动态特性进行实验研究。

2.1 水下油滴在水平板上的表面润湿行为

取含碘质量分数c= 0.125%的CCl4油滴，研究水下油滴在水平表面上的润湿过程。设油滴开始与平板表面接触时刻为t= 0 ms，表2 描述了在t在0 ～200 ms 时段水下油滴在不同材质水平表面上动态行为。

表2 水下油滴在3 种不同材质平板表面上的动态行为分析

由表2 可以看出，在t为 0 ～33 ms 时段油滴均保持类似椭球体，底面接触面积接近。在t为33 ～100 ms 时段，油滴在PMMA 和不锈钢表面迅速铺展，不锈钢表面铺展速度更快。当t＞ 100 ms 玻璃板表面油滴高度下降并一直保持上半部分轮廓为椭球面。对3 种材质表面，当油滴铺展后，上下轮廓形状基本保持不变，仅随时间缓慢下移，底部与材质表面接触面逐渐增大。实验测得水下油滴在PMMA、玻璃、不锈钢表面上润湿时间平均值分别为792、330、957 ms，静态接触角CA平均值分别为45.3 °、111.4 °、41.0 °。

2.2 水下油滴在倾斜板上的临界滑动行为

取含碘质量分数c= 0.125%的CCl4油滴，研究油滴在具有一定倾角平板上的滑动过程。设油滴开始与平板表面相对滑动时刻为t= 0 ms，表3 描述了t在 0～400 ms 时段水下CCl4油滴在不同材质倾斜表面上的动态行为。

表3 水下油滴在3 种倾斜板上的动态行为

由表3 可以看出，在不同的倾斜角度条件下，3 种材质表面油滴动态行为存在较大差异。在t为0～33 ms 时段油滴以变形为主，油滴重心下降并向倾斜板下侧微移；在t为33～100 ms 时段油滴迅速向下铺展，并在t≥ 100 ms 后保持形状向下滑动，滑动过程中与倾斜表面接触面积沿流动方向拉长。在PMMA 和不锈钢表面上，油滴以滑动为主，油滴在倾斜的玻璃表面下滑过程中伴随着滚动，而且下滑速度明显更快。实验测得水下油滴临界滑动状态下，PMMA、玻璃、不锈钢表面的倾斜角SA平均值分别为15.6 °、22.5 °、10.5 °。

3 杂质质量分数对水下油滴润湿性能影响

在含油污水中，很多有机杂质溶于油，油的杂质含量导致油的物性发生变化。对油水分离过程，油在材质表面的润湿性能决定了分离效率，由此对含杂质的水下油滴在平板和斜板表面的接触角、润湿时间和滑动角进行研究。

3.1 杂质质量分数对接触角的影响

在3 种材质平板上，水下含不同杂质质量分数的油滴接触角测量值如图2 所示。由图2 可以看出，玻璃表面具有水下疏油特性，接触角范围为108.2°～ 120.5°；PMMA 与不锈钢表面为水下亲油表面，接触角范围分别为22.3° ～54.0°、27.6°～54.6°。由此可以分析出亲油表面对含杂质油滴接触角的影响略大于疏油表面，而且当杂质质量分数较低时（c＜ 0.1%），PMMA 接触角小于不锈钢，亲油性较强。但当杂质质量分数升高时（c≥0.1%），PMMA接触角大于不锈钢，亲油性弱于不锈钢。3 种不同材质平板表面接触角CA玻璃＞＞CAPMMA≈CA不锈钢，对接触角进行数据拟合，得到拟合公式如图2 所示。

图2 油滴含杂质质量分数对油滴接触角的影响

3.2 杂质质量分数对润湿时间的影响

油滴含杂质质量分数对油滴在平板表面润湿时间的影响如图3 所示。

图3 油滴含杂质质量分数对油滴润湿时间的影响

由图3 可知，油滴在3 种表面上的润湿时间不同。对于不锈钢板和PMMA 板，粗糙度相对较大，油滴的接触角较小，润湿时间较长。随着油滴含碘质量分数增加，在不锈钢表面的润湿时间增加，而在PMMA 表面的润湿时间降低；对于玻璃板，表面粗糙度远小于其他两种表面，水下亲油性较差，稳定时间较短（t≈300 ms），而且基本不受杂质质量分数的影响。

3.3 杂质质量分数对滑动角的影响

油滴杂质质量分数对油滴滑动角的影响如图4所示。由图4 可以看出，3 种不同材质平板表面滑动角均随CCl4油滴含碘质量分数增加而降低。玻璃平板的粗糙度远小于不锈钢和PMMA 材质平板，其滑动角的范围为16.5°～38.5°，不锈钢的滑动角范围为4.3°～22.3°，PMMA 的滑动角范围为12.5°～ 27.4°。CCl4油滴含碘质量分数相同情况下，3 种不同材质平板表面滑动角SA玻璃＞SAPMMA＞SA不锈钢。对3 种材质水下CCl4滑动角数据进行拟合，得到3 个拟合公式如图4 所示。

图4 油滴含杂质质量分数对油滴滑动角的影响

4 结 论

本文研究了液液两相分离过程中水下油滴在不同材质表面润湿行为和倾斜平面上临界滑动行为，探讨了水下油滴含杂质的润湿性能。具体结论如下：

1）油滴在不锈钢和PMMA 表面属于水下亲油表面，在玻璃表面属于水下疏油表面。

2）油滴在平板表面上的铺展过程中，在不锈钢板和PMMA 板上，铺展主要以周向拉伸铺展为主，润湿时间长，而在玻璃板上，仅油滴底部因黏附于玻璃表面上变平，润湿时间较短。

3）在常用3 种材质平板表面，接触角CA玻璃＞＞CAPMMA≈CA不锈钢。3 种不同材质平板表面滑动角SA玻璃＞SAPMMA＞SA不锈钢。因此，在处理含杂质的介质时，玻璃表面对介质的分离性能要优于其他两种表面。

4）随着油滴内杂质含量的增加，不锈钢表面的润湿时间逐渐增加，PMMA 表面的润湿时间逐渐降低。但玻璃表面的润湿时间无明显变化。故当提高分离含杂质介质效率时，任意杂质浓度下表面材料选择玻璃最优，高杂质浓度下亦可选择PMMA 作为表面材料。