＊郭志偉 趙勝勇 劉菲 王曉峰 李望良*

（1.中國(guó)科學(xué)院過(guò)程工程研究所綠色過(guò)程與工程院重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 北京 100190 2.中國(guó)科學(xué)院大學(xué) 北京 100049 3.河南省化工研究所有限責(zé)任公司 河南 450052 4.上海嘉定工業(yè)區(qū)管理委員會(huì) 上海 201807）

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)以及工業(yè)化的快速發(fā)展，油水混合物的分離日益成為石油石化、采礦冶金、能源開(kāi)采、機(jī)械制造、化工制藥、糧油精制以及食品加工等工業(yè)領(lǐng)域普遍存在又亟待解決的問(wèn)題。油水混合物根據(jù)污染物來(lái)源和存在形式可分為浮油、分散油、乳化油和溶解油四大類型：（1）溶解油是以化學(xué)方式或分子狀態(tài)溶解在水中的微徑分散油，粒徑通常小于0.1μm，甚至納米級(jí)，在水中形成狀態(tài)穩(wěn)定的均勻相體系，雖含量小但極難除去；（2）乳化油是由于水中含有界面活性劑或外力機(jī)械作用使油乳化成較為穩(wěn)定的乳濁液體系，粒徑一般小于10μm，大部分集中在0.1～2μm，常規(guī)靜置方法無(wú)法有效分離，分離難度較大；（3）分散油是以微小油滴懸浮分散在水中，狀態(tài)不穩(wěn)定，且靜置后會(huì)形成浮油，油滴粒徑集中在10～100μm之間；（4）浮油是靜置后在水面上方呈現(xiàn)連續(xù)油膜或油層，粒徑通常大于100μm。含油廢水是一種對(duì)土壤生態(tài)、大氣環(huán)境、水資源、水生物和人類生命健康危害非常大的污染源。因此，綠色、環(huán)保、高效的乳化油分離技術(shù)對(duì)控制污染物排放有著至關(guān)重要作用。圖1為油水混合物中油滴粒徑分布及其對(duì)應(yīng)的處理技術(shù)。

圖1 油水混合物中油滴粒徑分布及其對(duì)應(yīng)的處理技術(shù)

油水混合物處理的難度由其來(lái)源、組成成分和油水分散系的存在形式?jīng)Q定?，F(xiàn)有的油水分離方法很多按其處理原理可分為物理方法（包括重力沉降、機(jī)械旋流分離、粗粒分離、膜分離、過(guò)濾分離、聚結(jié)分離等）、化學(xué)方法（包括凝聚分離、酸化分離、鹽析分離等），物理化學(xué)方法（包括吸附分離、電解分離、離子交換分離等）、生物化學(xué)方法（氧化池分離、生物膜分離、活性泥分離、生物濾池分離等）。與其他方法相比聚結(jié)分離技術(shù)具有易于操作、方便維護(hù)、運(yùn)營(yíng)成本低，適合大規(guī)模油水分離等優(yōu)勢(shì)。

聚結(jié)分離技術(shù)在油水分離領(lǐng)域有著十分廣泛的應(yīng)用。聚結(jié)分離技術(shù)是利用油水兩相在聚結(jié)材料表面的親和性不同，使分散相液滴聚并長(zhǎng)大，當(dāng)液滴增大到一定尺度時(shí)在重力和流場(chǎng)的作用下脫離材料表面形成游離態(tài)。20世紀(jì)70年代聚結(jié)技術(shù)在含油污水處理領(lǐng)域取得較好的效果；80年代應(yīng)用范圍擴(kuò)展到其他領(lǐng)域的工業(yè)含油污水處理；90年代之后，聚結(jié)分離技術(shù)的研究工作主要集中在聚結(jié)機(jī)理、聚結(jié)材料改進(jìn)和數(shù)值模擬方向。研究人員嘗試用多種方法研究聚結(jié)分離技術(shù)，并取得了一定的成果[1]。

1.聚結(jié)分離原理

根據(jù)聚結(jié)機(jī)理不同油滴聚結(jié)可分為潤(rùn)濕聚結(jié)和碰撞聚結(jié)兩種類型。潤(rùn)濕聚結(jié)理論是基于親油材料的聚結(jié)技術(shù)，當(dāng)油水兩相流體流經(jīng)親油疏水聚結(jié)介質(zhì)時(shí)，油滴會(huì)附著在介質(zhì)表面進(jìn)行潤(rùn)濕，之后油滴與先吸附液滴碰撞聚結(jié)，使得介質(zhì)表面油滴粒徑不斷增大，當(dāng)粒徑增大到一定程度時(shí)，聚結(jié)液滴會(huì)從附著材料表面脫離，通過(guò)不斷重復(fù)的浸潤(rùn)、吸附、聚結(jié)和脫離過(guò)程，進(jìn)而達(dá)到油水兩相分離的目的。

碰撞聚結(jié)是基于親水材料的聚結(jié)技術(shù)，在親水介質(zhì)材料的作用下，兩個(gè)以上油滴之間由于存在速度差致使相互之間發(fā)生物理碰撞，液滴相互碰撞的過(guò)程中，液滴之間形成一層薄膜，當(dāng)流體體系內(nèi)聚結(jié)力大于界面張力時(shí)油滴之間發(fā)生聚結(jié)，形成粒徑更大油滴。通常情況下，上述兩種聚結(jié)形式會(huì)同時(shí)存在，因此，粒徑、聚結(jié)材料和過(guò)程參數(shù)是聚結(jié)效果好壞的關(guān)鍵因素。

通過(guò)在纖維床中的乳化油水分離實(shí)驗(yàn)將液滴的聚結(jié)分離過(guò)程分為三個(gè)階段：捕捉過(guò)程，聚并過(guò)程和釋放過(guò)程。在捕獲過(guò)程中發(fā)現(xiàn)纖維通過(guò)截留機(jī)理，擴(kuò)散機(jī)理和慣性碰撞機(jī)理三種機(jī)理捕獲乳化液滴。截留機(jī)理適用于較大粒徑液滴，截留效率與液滴粒徑成正比；擴(kuò)散機(jī)理對(duì)粒徑較小的乳化液滴效果明顯，擴(kuò)散過(guò)程發(fā)生在截留之前，在聚結(jié)材料內(nèi)擴(kuò)散速度與連續(xù)相黏度密切相關(guān)，黏度越大，擴(kuò)散效率和截留效率越低；慣性碰撞機(jī)理在氣溶膠過(guò)濾方面具有很好的適用性，氣體密度和黏度較低，而液滴密度和黏度接近，因此碰撞機(jī)理不適用溶液體系。研究表明，乳化液滴的聚結(jié)過(guò)程是攔截、沉淀、擴(kuò)散、范德華力、慣性碰撞、靜電吸引和重力等共同作用的結(jié)果。

2.聚結(jié)分離的影響因素

聚結(jié)分離效率和壓降是表征聚結(jié)器設(shè)計(jì)功能性和經(jīng)濟(jì)性的重要指標(biāo)參數(shù)。影響聚結(jié)分離效果和效率的因素有很多，但主要有乳化液特性、聚結(jié)材料性質(zhì)和工作條件三個(gè)方面。圍繞相關(guān)影響因素研究人進(jìn)行了大量研究工作：

（1）乳化液特性：連續(xù)相和分散相濃度、粒徑分布、物性以及穩(wěn)定性等能夠顯著影響聚結(jié)分離的效果。分散相粒徑越小、分布越均勻，乳狀液的穩(wěn)定性越好，聚結(jié)難度越大。表面活性劑能夠降低體系自由能，提高其熱力學(xué)穩(wěn)定性，形成空間位阻，阻止聚并，增強(qiáng)乳液的穩(wěn)定性。另外，乳化液的黏度、密度、溫度、無(wú)機(jī)鹽含量、pH值等物性特征都會(huì)影響乳化液體系的穩(wěn)定性，進(jìn)而對(duì)聚結(jié)分離效率有顯著影響。

（2）流速：流速大小與聚結(jié)過(guò)程密切相關(guān)，是直接影響聚結(jié)分離的重要因素之一。研究表明低流速條件下，流速增加會(huì)增大液滴慣性碰撞，聚結(jié)器的分離效率較高且相對(duì)穩(wěn)定。Yang等[2]運(yùn)用靜電紡絲技術(shù)制備了PVDF納米纖維復(fù)合膜用于聚結(jié)分離，流速控制在一定范圍內(nèi)時(shí)聚結(jié)分離性能明顯提高。

（3）潤(rùn)濕性：潤(rùn)濕性是聚結(jié)材料重要的表面特性，直接影響乳化液滴的聚結(jié)效果。研究表明潤(rùn)濕性能增加乳化液滴在聚結(jié)材料表面的附著數(shù)量，增大附著液滴和自由液滴的碰撞幾率，潤(rùn)濕性越好越有利于乳化液滴的攔截和破乳，液滴越容易在材料表面潤(rùn)濕、鋪展、聚并，聚結(jié)分離效果越好。

（4）纖維直徑：理論上材料直徑越小，相對(duì)表面積越大，乳化液滴接觸的幾率增大。但研究表明并不是纖維越細(xì)越好，纖維太小降低其自身強(qiáng)度和使用時(shí)間，孔隙率變低，乳化液通過(guò)材料時(shí)的阻力增大，進(jìn)而影響聚結(jié)分離效果。

（5）其他因素：研究表明乳化液的聚結(jié)分離是多種因素共同作用的結(jié)果，例如床層厚度、孔隙率、乳化液流向、纖維層結(jié)構(gòu)排布等。

3.聚結(jié)分離模擬

研究流體動(dòng)力學(xué)問(wèn)題一般采用實(shí)驗(yàn)方法和數(shù)值模擬方法。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的高速發(fā)展，計(jì)算能力和計(jì)算速度得以快速提升，理論基礎(chǔ)完備、速度快、成本低的計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)仿真模擬技術(shù)日趨成熟完善并得到廣泛應(yīng)用。研究人員利用數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)結(jié)合的方法來(lái)研究油水聚結(jié)分離過(guò)程，并將模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析。

多相流數(shù)值模擬方法包括歐拉-拉格朗日、歐拉-歐拉方法和直接數(shù)值模擬方法三大類。歐拉-歐拉方法把離散相和連續(xù)相都看作連續(xù)相，但無(wú)法描繪粒子運(yùn)動(dòng)的詳細(xì)信息，該方法主要采用VOF模型、Mixture模型和Euler模型，網(wǎng)格質(zhì)量精度較高，對(duì)計(jì)算機(jī)性能要求高，適用于模擬工業(yè)規(guī)模的塔器或反應(yīng)器。歐拉-拉格朗日方法是運(yùn)用網(wǎng)格的平均來(lái)獲得連續(xù)相的流體場(chǎng)，能夠模擬離散相粒子的詳細(xì)軌跡信息，但不包含界面的形變，多采用DPM、DDPM和DEM等離散相模型，適用于模擬追蹤在流體場(chǎng)中粒子的運(yùn)動(dòng)和軌跡。DNS方法能夠精確捕捉界面變形、粒子間碰撞和相互作用等現(xiàn)象，根據(jù)界面追蹤方法可分為：鋒面追蹤法、格子-玻爾茲曼法、水平集法等。液滴的聚結(jié)和破碎過(guò)程受多種因素影響十分復(fù)雜，從而決定了其粒徑大小和分布，并直接對(duì)乳化液分離效果產(chǎn)生影響。

針對(duì)乳化油聚結(jié)分離過(guò)程中存在的問(wèn)題，研究人員進(jìn)行了大量的實(shí)驗(yàn)和模擬研究，分析了聚結(jié)材料、流場(chǎng)變化與乳化油滴界面特性變化的內(nèi)在機(jī)理和規(guī)律。在環(huán)境流體中剪切流動(dòng)和跨膜壓力以及膜材料特性影響對(duì)液滴的運(yùn)動(dòng)形態(tài)方面，Carpintero等人[4]采用PTFE膜研究材料孔徑變化對(duì)乳化油滴分離的影響。由于乳化油機(jī)理的復(fù)雜性和自身的穩(wěn)定性，而實(shí)驗(yàn)研究多基于實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的觀測(cè)和分析，對(duì)實(shí)驗(yàn)條件有很強(qiáng)的依賴性，且實(shí)驗(yàn)方法很難形象描述乳化油滴微觀的行為特征和特性，難以滿足學(xué)科發(fā)展和深入研究的需求。隨著計(jì)算技術(shù)的高速發(fā)展和普及，數(shù)值模擬成為探索微觀尺度多相流動(dòng)的可靠手段和技術(shù)，研究人員基于乳化油水聚結(jié)分離技術(shù)開(kāi)展了多種方法的數(shù)值模擬研究。Chen等[5]基于相場(chǎng)模型數(shù)值模擬油包水型乳化液滴在聚結(jié)纖維表面的動(dòng)態(tài)行為，并詳細(xì)分析了纖維潤(rùn)濕性、流速等影響。鄧輝良[6]利用FLUENT研究了液滴在多孔粗糙介質(zhì)表面的擴(kuò)展和滲透過(guò)程，利用VOF模型模擬追蹤液滴形態(tài)變化特征，分析了邦德數(shù)、平衡接觸角、達(dá)西數(shù)和表面粗糙度等因素對(duì)液滴鋪展半徑和滲透特征的影響。

數(shù)值模擬方法各有優(yōu)勢(shì)和劣勢(shì)，研究人員應(yīng)根據(jù)需研究實(shí)際問(wèn)題的具體情況進(jìn)行合理選擇，盡量能夠做到同時(shí)兼顧數(shù)值計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性、收斂性以及計(jì)算效率。

4.結(jié)論和展望

油水混合物的高效分離是化工分離領(lǐng)域的重要方向，聚結(jié)分離技術(shù)能夠高效綠色分離油水乳液體系。乳化液聚結(jié)分離數(shù)值模擬是以計(jì)算機(jī)技術(shù)和計(jì)算流體力學(xué)為基礎(chǔ)，涉及計(jì)算機(jī)、流體力學(xué)等學(xué)科交叉融合，具有成本低、速度快、可改變模擬環(huán)境和條件等優(yōu)勢(shì)。但數(shù)值模擬也有其局限性，模擬過(guò)程需要考慮各種影響因素，計(jì)算的穩(wěn)定性和收斂性，以及計(jì)算機(jī)硬件條件的限制。乳化油水聚結(jié)分離模擬方法的發(fā)展趨勢(shì)有以下幾個(gè)方面：結(jié)合實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬方法，探究乳化油水聚結(jié)分離機(jī)理研究，提高分離效率；改進(jìn)傳統(tǒng)乳化油水分離模擬方法，建立新型多因素綜合分析模型；分析不同乳化油水混合物特征，采用多種分離方法和技術(shù)聯(lián)合，取長(zhǎng)補(bǔ)短，優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)。