摘要

為了探究不同結(jié)構(gòu)濾紙在振動條件下的油水分離效率的規(guī)律，搭建并使用振動柴油–水分離試驗臺在振動頻率為20 Hz、50 Hz、100 Hz、150 Hz、200 Hz和300 Hz，振動加速度為9.8 m/s2，19.6 m/s2，39.2 m/s2，58.8 m/s2和78.4 m/s2，柴油–水界面張力為22 mN/m，等效面流速為5 cm/min的條件下對4種不同結(jié)構(gòu)的商用濾紙進(jìn)行油水分離試驗。試驗結(jié)果表明：在4g振動加速度下，油水分離效率僅在20 Hz的低頻振動條件下有明顯變化；單層濾紙與復(fù)合濾紙相比，在振動條件下的油水分離效率變化更明顯；沿X方向（柴油流動方向）的振動與沿Y方向（與柴油流動方向垂直且與地面平行的方向）和Z方向（與地面垂直的方向）相比，油水分離效率降低幅度更大；低頻振動使水滴提前脫離纖維，并因振動產(chǎn)生的慣性碰撞而破碎導(dǎo)致油水分離效率下降。隨著振動加速度的增大，油水分離效率降低，1號（單層聚結(jié)式濾紙）、3號（單層阻攔式濾紙）、4號（復(fù)合阻攔式濾紙）濾紙在78.4 m/s2的振動加速度下油水分離效率分別下降了7.2%、6.7%、3.4%。

柴油中含水對發(fā)動機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)會產(chǎn)生不利影響，導(dǎo)致燃燒效率低下、起動困難、噴油器孔堵塞、發(fā)動機(jī)燃油噴射系統(tǒng)過度磨損等問題。

隨著排放標(biāo)準(zhǔn)越來越嚴(yán)苛，柴油機(jī)顆粒捕集器和選擇性催化還原后處理裝置在柴油機(jī)上廣泛使用。柴油中硫元素燃燒后生成的硫酸鹽會導(dǎo)致后處理裝置硫中毒而失效。低硫柴油是通過加氫脫硫及去除其他雜質(zhì)原子和共軛芳香族化合物生產(chǎn)出來的。精制的加工步驟導(dǎo)致柴油失去了其固有的潤滑性。為了保證低硫柴油的正常潤滑性能，需要向柴油中添加合成潤滑添加劑，添加劑提高了柴油的表面能，降低了油水界面張力，使油水分離更加困難。

柴油中的水來自降水、大氣中水分的凝結(jié)等，以自由水、乳化水和溶解水的形式存在。自由水通常通過重力沉降分離，而溶解水則通過蒸餾去除。粒徑小于100μm的乳化水可以通過使用超親水或超疏水纖維材料進(jìn)行分離。振動已被用來分離、去除、濃縮液體中的分散相，應(yīng)用于聲場，通過向色散中投射聲波，將分散的細(xì)顆粒從連續(xù)相中分離出來。當(dāng)粒子的尺寸在亞微米范圍內(nèi)時，這種方法常有效。有研究結(jié)果表明，在振動條件下柴油濾清器的顆粒過濾效率會因為二次夾帶而下降。文獻(xiàn)中的研究結(jié)果表明，親水玻璃纖維和靜電紡絲PVDF–HFP在100 Hz的振動條件下均能有效提高油水分離效率，但并未對低頻率、大振幅振動條件下的油水分離效率的變化規(guī)律進(jìn)行研究。

本文中通過搭建振動油水分離效率試驗臺，探究了4種不同結(jié)構(gòu)的商業(yè)濾紙在不同振動頻率、加速度和振動方向下的油水分離效率的規(guī)律，并為柴油油水分離器的開發(fā)提供理論依據(jù)。

1試驗設(shè)備與試驗方法

1.1試驗濾紙

本試驗選擇4種具有代表性結(jié)構(gòu)的濾紙，測量其在不同振動條件下的油水分離效率，研究其變化規(guī)律，濾紙的基本參數(shù)如表1所示。1號和2號為聚結(jié)式濾紙，3號和4號為阻攔式濾紙。

聚結(jié)式濾紙分離水的主要步驟為：（1）從不混溶的液體中傳輸小水滴到過濾器；（2）小水滴附著在纖維表面；（3）因聚結(jié)使附著在纖維上水滴的尺寸增加；（4）水滴在纖維上的合并和傳輸；（5）水滴因為重力脫離濾紙表面落到集水槽內(nèi)。阻攔式濾紙分離水的原理是利用疏水纖維的疏水性，把水顆粒阻攔在濾紙表面，通過黏性聚結(jié)生長成的大水滴在重力的作用下脫離濾紙表面。

濾紙的切面結(jié)構(gòu)如圖1所示。1號濾紙為單層親水材料。2號濾紙由保護(hù)層a、顆粒過濾層b、親水聚結(jié)層c和木漿紙層d組成，木漿紙作為基層材料，c和d層、b與c層均由樹脂粘結(jié)，a與b層通過超聲波焊接在一起。3號濾紙為聚四氟乙烯編織而成的單層網(wǎng)狀濾紙。4號濾紙由保護(hù)層a、疏水過濾層b和基層c組成，4號濾紙的粘結(jié)工藝與2號濾紙相同，保護(hù)層和疏水層由超聲波焊接在一起，基層和疏水層使用樹脂進(jìn)行粘結(jié)。

圖1試驗濾紙切面示意圖

使用Phonem Pro X掃描電子顯微鏡（scanning electron microscope，SEM）在500倍放大倍率下拍攝的4種濾紙的微觀結(jié)構(gòu)如圖2所示。1號濾紙由直徑約為15μm的親水纖維構(gòu)成；2號濾紙的親水層由粗細(xì)不同的纖維通過樹脂粘接而成，其中粗纖維還起到增加親水層物理強(qiáng)度的作用；3號濾紙由直徑約為45μm的聚四氟乙烯纖維絲編制，兩根纖維之間的距離約為44μm；4號濾紙的b層由疏水材料通過熔噴工藝制成，在平面上纖維分布疏密不均但在空間內(nèi)有著較好的孔隙分布。除了3號濾紙外，其余濾紙均具有油水分離層，同時也具有較為復(fù)雜的空間結(jié)構(gòu)。

圖2 4種濾紙具有油水分離能力濾層的SEM圖像

1.2試驗設(shè)備

為了測量上述4種濾紙在不同振動條件下柴油–水分離效率，搭建了振動柴油水分離試驗系統(tǒng)，該測試系統(tǒng)的示意圖如圖3示。

圖3振動油水分離測試系統(tǒng)示意圖

試驗的主要設(shè)備有電振動試驗臺、按照ISO 16332標(biāo)準(zhǔn)搭建的柴油–水分離試驗臺、加速度傳感器及信號采集系統(tǒng)、電子天平、庫倫法微量水測定儀、界面張力儀、黏度計等。

單張濾紙工裝由兩塊50 mm厚的有機(jī)玻璃制成，在頂部加工進(jìn)出油口，在底部加工放水口。單張濾紙工裝和振動試驗臺通過一個特制的鋁質(zhì)底座進(jìn)行連接，如圖4所示。

圖4試驗工裝安裝圖