離心作用下疏水不銹鋼網(wǎng)的油水分離性能*

廖海全，吳然昊，湯秀華，杜光文，張峰榛

(四川輕化工大學(xué)化學(xué)工程學(xué)院，四川 自貢 643000)

化工、食品、機(jī)械等行業(yè)產(chǎn)生大量含油廢水，若不加以處理將其直接排放或發(fā)生泄漏事故勢(shì)必會(huì)造成環(huán)境污染和水域生態(tài)平衡的破壞，因此研發(fā)含油廢水處理技術(shù)具有重要意義[1-3]。傳統(tǒng)的油水分離方法有吸附法、生物處理法、撇除法、氣浮法等[4-6]。但這些方法普遍存在成本較高、分離效率較低、破乳難等弊端。近年來(lái)，隨著疏水材料技術(shù)的不斷發(fā)展，諸多研究者制備了具有優(yōu)異疏水親油性能的金屬網(wǎng)，并將其用在油水分離中[7-12]。這些分離技術(shù)主要利用疏水金屬網(wǎng)對(duì)油、水不同的界面浸潤(rùn)性能，并在重力勢(shì)能推動(dòng)下實(shí)現(xiàn)油被金屬網(wǎng)過(guò)濾，水被金屬網(wǎng)攔截。但由于油的密度小于水，在重力作用下油與疏水金屬網(wǎng)的接觸概率會(huì)降低，因此也會(huì)降低其分離效率?；诖?，本文提出了以疏水不銹鋼網(wǎng)為基材在離心場(chǎng)作用下的新型油水分離技術(shù)，設(shè)計(jì)了實(shí)驗(yàn)室油水分離裝置，并討論了油水分離性能。該研究結(jié)果可為離心作用下油水分離工藝優(yōu)化及設(shè)備制造提供依據(jù)。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)原理

在慣性離心場(chǎng)作用下，油水混合物沿徑向飛離中心，與周向上的疏水不銹鋼網(wǎng)充分接觸，利用疏水不銹鋼網(wǎng)的親油疏水特性，可使油相通過(guò)，水相被攔截，實(shí)現(xiàn)油-水分離。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

按文獻(xiàn)[12]制備了孔徑為100目的疏水不銹鋼網(wǎng)，并以此為油水分離基材，設(shè)計(jì)了如圖1所示的實(shí)驗(yàn)室油水分離裝置。該裝置主要包括圓筒型油水分離器、機(jī)械攪拌裝置和底部帶出油口、錐形油相收集器組成。其中，油水分離器內(nèi)徑和內(nèi)高分別為70 mm和120 mm，在距其底部60 mm處的側(cè)壁開(kāi)有50 mm×60 mm的分離窗，將自制的疏水不銹鋼網(wǎng)貼合在分離窗外；機(jī)械攪拌裝置的攪拌桿下部安有直徑45 mm的片式槳葉；錐形油相收集器內(nèi)徑為95 mm，其底部有出油口。

每次實(shí)驗(yàn)向油水分離器中一次性加入240 mL一定油水比的油水混合物(玉米油-水)后，迅速開(kāi)啟事先已設(shè)置一定轉(zhuǎn)速的攪拌裝置并開(kāi)始計(jì)時(shí)。玉米油在離心作用下，通過(guò)油水分離器側(cè)壁分離窗上的疏水不銹鋼網(wǎng)甩出至油相收集器經(jīng)出油口流至量筒中。在一定的時(shí)間間隔讀取量筒中玉米油的體積量，以獲得不同時(shí)刻的油水分離效率。

圖1 油水分離實(shí)驗(yàn)裝置Fig.1 The oil-water separation experimental device

1.3 測(cè)量與表征

利用掃描電子顯微鏡(S-3400N型，捷克TESCAN公司)對(duì)不銹鋼網(wǎng)表觀(guān)形貌進(jìn)行分析；利用接觸角測(cè)量?jī)x(JC2000D型，上海中晨數(shù)字技術(shù)設(shè)備有限公司)對(duì)不銹鋼網(wǎng)的靜態(tài)接觸角進(jìn)行測(cè)量。利用以下公式表達(dá)油水分離效率。

η=v/v0

(1)

式中：η為油水分離效率；v0為初始油水混合物中油相的體積，mL；v為任意時(shí)刻分離出的油相的體積，mL。

2 結(jié)果與討論

2.1 改性不銹鋼網(wǎng)表征結(jié)果

圖2為改性前、后不銹鋼網(wǎng)的SEM形貌及水靜態(tài)接觸角?？梢?jiàn)，未改性的不銹鋼網(wǎng)表面較光滑，其水的靜態(tài)接觸角為71.3°，而改性后的不銹鋼網(wǎng)表面被改性修飾物覆蓋，且存在較多修飾坑，改性后不銹鋼網(wǎng)的水靜態(tài)接觸角可達(dá)145.5°，說(shuō)明改性后的不銹鋼網(wǎng)具有優(yōu)異的疏水性能。

圖2 改性前(a)、后(b)的不銹鋼網(wǎng)SEM形貌及水靜態(tài)接觸角Fig.2 SEM and static contact angle of stainless-steel mesh before(a) and after(b)hydrophobic modification

2.2 油水分離實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.2.1 油水溫度的影響

在初始油水體積比為1∶3、攪拌轉(zhuǎn)速為600 rad/min條件下，考察不同溫度對(duì)油水分離效率的影響。圖3給出了不同溫度下油水分離效率隨分離時(shí)間的變化關(guān)系?？梢?jiàn)，油水分離效率隨時(shí)間推進(jìn)先急速增加而后趨于平緩，當(dāng)分離時(shí)間為20 min，分離效率達(dá)平衡。溫度為298.15 K、308.15 K、318.15 K，其平衡分離效率分別為0.90、0.75、0.64。升高油水混合物的溫度不利于油水分離，這是由于溫度升高會(huì)加劇油水混合物乳化程度所致。

圖3 溫度對(duì)油水分離效率的影響Fig.3 The effect of temperature on oil-water separation efficiency

2.2.2 初始油水比的影響

圖4 初始油水比對(duì)分離效率的影響Fig.4 The effect of initial oil-water ratio on separation efficiency

圖4為溫度298.15 K、攪拌轉(zhuǎn)速600 rad/min條件下，不同初始油水比對(duì)油水分離效率的影響。可見(jiàn)，當(dāng)初始油水體積比為1∶3對(duì)應(yīng)最高的油水分離效率，即0.90。這是由于在初始油水混合物體積和攪拌轉(zhuǎn)速一定的條件下，油水分離器壁面附近油水混合物存在有限的液位高度，且受油水分離器內(nèi)徑及開(kāi)窗高度等設(shè)備參數(shù)的限制，當(dāng)初始油水比為1∶3和1∶2，油相分離最大體積皆為55 mL，如圖5所示。因此按如式(1)所示的油水分離效率定義，當(dāng)初始油水比大于1∶3，會(huì)降低油水分離效率。

2.2.3 攪拌轉(zhuǎn)速的影響

圖6為溫度298.15 K、初始油水比1∶3條件下，攪拌轉(zhuǎn)速對(duì)油水分離效率的影響。可見(jiàn)，提高攪拌轉(zhuǎn)速有利于油水分離。當(dāng)攪拌轉(zhuǎn)速為500 rad/min、600 rad/min和700 rad/min，其對(duì)應(yīng)的平衡油水分離效率分別為0.70、0.90和0.96。這是由于較高的攪拌轉(zhuǎn)速對(duì)應(yīng)較強(qiáng)的離心強(qiáng)度，進(jìn)而提高油水分離效率。

圖5 分離出的油相體積隨時(shí)間的變化關(guān)系Fig.5 The relationship between the volume of separated oil and time

圖6 攪拌轉(zhuǎn)速對(duì)分離效率的影響Fig.6 The effect of stirring speed on separation efficiency

3 結(jié) 論

(1)以自制的疏水不銹鋼網(wǎng)為基材，設(shè)計(jì)了一種依靠慣性離心力實(shí)現(xiàn)油水混合物的分離的裝置，該裝置具有良好的油水分離效果；

(2)升高油水混合物溫度會(huì)加劇油水混合物乳化程度，不利于油水分離；而提高攪拌轉(zhuǎn)速可提高離心強(qiáng)度，有利于油水分離；

(3)受油水分離器內(nèi)徑、開(kāi)窗高度等參數(shù)的限制，本實(shí)驗(yàn)裝置在初始油水比為1∶3時(shí)具有最佳分離效果，其分離效率達(dá)0.90。