離心作用下疏水不銹鋼網的油水分離性能*

廖海全，吳然昊，湯秀華，杜光文，張峰榛

(四川輕化工大學化學工程學院，四川 自貢 643000)

化工、食品、機械等行業產生大量含油廢水，若不加以處理將其直接排放或發生泄漏事故勢必會造成環境污染和水域生態平衡的破壞，因此研發含油廢水處理技術具有重要意義[1-3]。傳統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，隨著疏水材料技術的不斷發展，諸多研究者制備了具有優異疏水親油性能的金屬網，并將其用在油水分離中[7-12]。這些分離技術主要利用疏水金屬網對油、水不同的界面浸潤性能，并在重力勢能推動下實現油被金屬網過濾，水被金屬網攔截。但由于油的密度小于水，在重力作用下油與疏水金屬網的接觸概率會降低，因此也會降低其分離效率。基于此，本文提出了以疏水不銹鋼網為基材在離心場作用下的新型油水分離技術，設計了實驗室油水分離裝置，并討論了油水分離性能。該研究結果可為離心作用下油水分離工藝優化及設備制造提供依據。

1 實驗部分

1.1 實驗原理

在慣性離心場作用下，油水混合物沿徑向飛離中心，與周向上的疏水不銹鋼網充分接觸，利用疏水不銹鋼網的親油疏水特性，可使油相通過，水相被攔截，實現油-水分離。

1.2 實驗方法

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

每次實驗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，迅速開啟事先已設置一定轉速的攪拌裝置并開始計時。玉米油在離心作用下，通過油水分離器側壁分離窗上的疏水不銹鋼網甩出至油相收集器經出油口流至量筒中。在一定的時間間隔讀取量筒中玉米油的體積量，以獲得不同時刻的油水分離效率。

圖1 油水分離實驗裝置Fig.1 The oil-water separation experimental device

1.3 測量與表征

利用掃描電子顯微鏡(S-3400N型，捷克TESCAN公司)對不銹鋼網表觀形貌進行分析；利用接觸角測量儀(JC2000D型，上海中晨數字技術設備有限公司)對不銹鋼網的靜態接觸角進行測量。利用以下公式表達油水分離效率。

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為任意時刻分離出的油相的體積，mL。

2 結果與討論

2.1 改性不銹鋼網表征結果

圖2為改性前、后不銹鋼網的SEM形貌及水靜態接觸角。可見，未改性的不銹鋼網表面較光滑，其水的靜態接觸角為71.3°，而改性后的不銹鋼網表面被改性修飾物覆蓋，且存在較多修飾坑，改性后不銹鋼網的水靜態接觸角可達145.5°，說明改性后的不銹鋼網具有優異的疏水性能。

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

2.2 油水分離實驗結果

2.2.1 油水溫度的影響

在初始油水體積比為1∶3、攪拌轉速為600 rad/min條件下，考察不同溫度對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間的變化關系。可見，油水分離效率隨時間推進先急速增加而后趨于平緩，當分離時間為20 min，分離效率達平衡。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加劇油水混合物乳化程度所致。

圖3 溫度對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、攪拌轉速600 rad/min條件下，不同初始油水比對油水分離效率的影響。可見，當初始油水體積比為1∶3對應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，且受油水分離器內徑及開窗高度等設備參數的限制，當初始油水比為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，當初始油水比大于1∶3，會降低油水分離效率。

2.2.3 攪拌轉速的影響

圖6為溫度298.15 K、初始油水比1∶3條件下，攪拌轉速對油水分離效率的影響。可見，提高攪拌轉速有利于油水分離。當攪拌轉速為500 rad/min、600 rad/min和700 rad/min，其對應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速對應較強的離心強度，進而提高油水分離效率。

圖5 分離出的油相體積隨時間的變化關系Fig.5 The relationship between the volume of separated oil and time

圖6 攪拌轉速對分離效率的影響Fig.6 The effect of stirring speed on separation efficiency

3 結 論

(1)以自制的疏水不銹鋼網為基材，設計了一種依靠慣性離心力實現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加劇油水混合物乳化程度，不利于油水分離；而提高攪拌轉速可提高離心強度，有利于油水分離；

(3)受油水分離器內徑、開窗高度等參數的限制，本實驗裝置在初始油水比為1∶3時具有最佳分離效果，其分離效率達0.90。