摘要

為了探究不同結構濾紙在振動條件下的油水分離效率的規律，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種不同結構的商用濾紙進行油水分離試驗。試驗結果表明：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，并因振動產生的慣性碰撞而破碎導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（單層聚結式濾紙）、3號（單層阻攔式濾紙）、4號（復合阻攔式濾紙）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%。

柴油中含水對發動機的運轉會產生不利影響，導致燃燒效率低下、起動困難、噴油器孔堵塞、發動機燃油噴射系統過度磨損等問題。

隨著排放標準越來越嚴苛，柴油機顆粒捕集器和選擇性催化還原后處理裝置在柴油機上廣泛使用。柴油中硫元素燃燒后生成的硫酸鹽會導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原子和共軛芳香族化合物生產出來的。精制的加工步驟導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行分離。振動已被用來分離、去除、濃縮液體中的分散相，應用于聲場，通過向色散中投射聲波，將分散的細顆粒從連續相中分離出來。當粒子的尺寸在亞微米范圍內時，這種方法常有效。有研究結果表明，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。文獻中的研究結果表明，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律進行研究。

本文中通過搭建振動油水分離效率試驗臺，探究了4種不同結構的商業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律，并為柴油油水分離器的開發提供理論依據。

1試驗設備與試驗方法

1.1試驗濾紙

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

聚結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。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。

濾紙的切面結構如圖1所示。1號濾紙為單層親水材料。2號濾紙由保護層a、顆粒過濾層b、親水聚結層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，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狀濾紙。4號濾紙由保護層a、疏水過濾層b和基層c組成，4號濾紙的粘結工藝與2號濾紙相同，保護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行粘結。

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種濾紙的微觀結構如圖2所示。1號濾紙由直徑約為15μm的親水纖維構成；2號濾紙的親水層由粗細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，同時也具有較為復雜的空間結構。

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，該測試系統的示意圖如圖3示。

圖3振動油水分離測試系統示意圖

試驗的主要設備有電振動試驗臺、按照ISO 16332標準搭建的柴油–水分離試驗臺、加速度傳感器及信號采集系統、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厚的有機玻璃制成，在頂部加工進出油口，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底座進行連接，如圖4所示。

圖4試驗工裝安裝圖