液壓油過濾脫水

1、液壓油過濾脫水中國礦業(yè)大學(xué)北京校區(qū) 王爐平 儀 馨 王建忠 賈瑞清摘要：本文研究了利用纖維材料的表面特性解決液壓油的脫水問題的理論，并設(shè)計(jì)和制作了濾芯，實(shí)驗(yàn)效果良好。關(guān)鍵詞：過濾；液壓油；纖維；脫水1 引言液壓油的污染物主要有固體顆粒、水分、空氣和氯化物。在實(shí)踐與研究中，人們認(rèn)識(shí)到液壓油性能惡化的主要原因之一是水進(jìn)入液壓油中。在液壓油脫水凈化方面的研究，遠(yuǎn)不如污染顆粒過濾的研究開展的深入和廣泛。這其中的原因是：(1)對水污染的危害認(rèn)識(shí)不足。當(dāng)油液中水含量較低時(shí)，尚不足以引起卡死等突發(fā)事故。而事實(shí)上，水污染引起油液性能的惡化導(dǎo)致元件的磨損(包括化學(xué)腐蝕，生成影響工作的物質(zhì))比顆粒污染對系統(tǒng)的影響

2、并不遜色。顆粒污染嚴(yán)重的油可以通過過濾凈化處理回收利用，而水污染引起的油的變質(zhì)，還會(huì)使大批的油品報(bào)廢。(2)技術(shù)上的難度。顆粒污染凈化屬固液分離技術(shù)，而水污染凈化屬液液分離技術(shù)，因此二者在技術(shù)處理上難度差異很大。另外，由于粘度、油水界面張力等物理參數(shù)，使得從液壓油中除去水分的工作十分困難?；谝陨显?，極大地限制了液壓油脫水技術(shù)的理論研究和實(shí)用技術(shù)的開發(fā)?？梢哉f，對于液壓油經(jīng)濟(jì)高效的脫水凈化技術(shù)至今還是空白。2 過濾脫水原理液體在固體表面上的潤濕現(xiàn)象可分為沾濕、浸濕和鋪展三種，鋪展是潤濕的條件。也就是說，如水能在固體表面上鋪展，它也一定能沾濕和浸濕固體。潤濕性能的好壞是以接觸角(或稱為潤濕角)

3、的大小來衡量的。圖1所示為油、水和固體三相達(dá)到平衡時(shí)，在三相的交界處，會(huì)形成一定大小的接觸角，它是張力水固與水油之間的夾角。圖1 接觸角示意圖接觸角的大小，由液體和固體的性質(zhì)所決定。具體說是由作用在三相點(diǎn)上各類界面表面張力系數(shù)水固、油固、油水之間的平衡狀態(tài)決定的。油水力圖使水滴的表面收縮到最小，以降低油水之間的表面能；油固力圖使水滴展開以蓋住固體表面(因?yàn)楣腆w表面本身無法收縮，故力圖吸附液體來降低表水固面張力)，以降低油固之間的表面能。力圖減小水固界面面積，以降低水固界面能。當(dāng)體系達(dá)到平衡時(shí)，水滴與固體表面形成一定大小的接觸角。越小，潤濕性能越好。根據(jù)接觸角的大小，固體物質(zhì)分為兩類，一類固體是

4、水對其潤濕性能良好，而油對其潤濕性能不好，這類固體稱為親水性固體或憎油性固體(90°)，如玻璃、石英、各類無機(jī)鹽和金屬氧化物等；另一類固體是油對其潤濕性能良好，而水對其潤濕性能不好，稱為親油性固體或憎水性固體(90°)，如固態(tài)烴，大烴基弱極性有機(jī)固體，無機(jī)鹽的金屬硫化物等。液體物質(zhì)大體也分為兩類，一類為非極性液體(如烴類液體)，幾乎能良好潤濕絕大多數(shù)固體；另一類為極性液體(如水)，則只能良好潤濕少數(shù)固體(如玻璃、石英、無機(jī)鹽等)。可以認(rèn)為，液體與固體的極性越接近，潤濕性能越好。油水分散體系屬于熱力學(xué)不穩(wěn)定體系，可以通過某些工藝措施來破壞維持這種分散體系穩(wěn)定存在的條件，從而使

5、油中的微小水粒子聚成較大的水滴，再通過沉降實(shí)現(xiàn)油水分離。過濾稅水利用纖維介質(zhì)對油和水的不同親和作用，順序通過兩種過濾層：凝聚層和斥水層，實(shí)現(xiàn)對乳化水的過濾分離。 水滴同聚結(jié)纖維層的相互作用主要有三種情況：截獲(運(yùn)動(dòng)的微小水滴直接同纖維接觸)、布朗擴(kuò)散和慣性碰撞。重力、靜電電荷和范德華力均會(huì)對這三種相互作用施加影響。水滴在這些作用下與纖維接觸。水滴同纖維接觸時(shí)，它們之間滯留有油膜。但聚結(jié)纖維層是親水物質(zhì)，水滴能從親水表面將油膜置換，所以水滴從纖維上將油膜置換并使纖維潤濕，使水滴粘附于纖維之上。水滴向纖維粘附的效率取決與纖維表面的性質(zhì)接觸角、直徑以及水滴的粒度。并且，接觸角越小，纖維的直徑越小，水

6、滴的粒度越大，水滴就越易向纖維表面粘附。根據(jù)自由表面能減小的原則，水滴在潤濕纖維以后會(huì)以兩種方式凝聚：(1)水滴在潤濕纖維表面凝聚。水滴不斷粘附在纖維表面上，水滴與水滴相遇會(huì)互相融合，凝聚成大水滴；(2)水滴在纖維孔隙中的凝聚。由于纖維層密度很大，纖維之間的孔隙很小，水滴與水滴也會(huì)在纖維孔隙中相遇互相融合，凝聚成大水滴。兩種情況在接觸角0°180°內(nèi)同時(shí)進(jìn)行。頭一種情況占主要地位。當(dāng)水滴達(dá)到一定的粒度時(shí)，在油液流動(dòng)力和水滴本身的重力作用下，水滴會(huì)從纖維表面脫附或沿著纖維流動(dòng)，并形成向下面纖維聯(lián)結(jié)的水道，在穿過多孔層以后，在同纖維的粘附力、油液的流體動(dòng)力和重力的作用下，水滴會(huì)

7、從纖維表面脫附。兩相液體隨油流流至斥水層。斥水層是由接觸角180°的斥水材料制成的。油水在斥水層上由于分界面表面張力的作用，在其毛細(xì)管內(nèi)產(chǎn)生水阻效應(yīng)，油液可順利地通過斥水層，而水珠則被阻礙。從而實(shí)現(xiàn)了油與水的分離。水阻效應(yīng)，又稱賈敏效應(yīng)：如果液體中存在著比毛細(xì)管內(nèi)徑大的不溶性液滴，而液滴對毛細(xì)管的潤濕不好，則毛細(xì)管會(huì)對其產(chǎn)生阻力作用。產(chǎn)生水阻效應(yīng)的原因可應(yīng)用表面能加以解釋。球形水滴要通過毛細(xì)管，就必須改變形狀，從球形變?yōu)榉乔蛐危瑥亩龃罅怂瓮椭g的界面面積，表面能也隨之增大。要增大表面能必須增大外加壓力做功(即表面功)，這種外加壓力即是克服賈敏效應(yīng)的力。 綜上所述，過濾脫水的過程

8、如下：(1)聚結(jié)。油水乳化液通過凝聚層破乳；微小水滴破乳后在纖維上聚結(jié)；水滴自纖維表面脫落。(2)油水兩相體和未聚結(jié)的乳化液。大水滴在重力作用下沉降；油水液體流到斥水層。(3)分離。液壓油通過斥水層，水滴被阻隔，實(shí)現(xiàn)油水徹底分離。以上三步循環(huán)，使油液得以脫水。3 實(shí)驗(yàn)為了驗(yàn)證前面的理論，我們制作了濾芯和實(shí)驗(yàn)裝置，并分別采用10、20、30號(hào)液壓油做了實(shí)驗(yàn)。 根據(jù)過濾脫水理論，分別選擇聚結(jié)材料和分離材料。聚結(jié)材料的選擇最主要的是有良好的親水性，按照物質(zhì)表面張力系數(shù)大小的原則，金屬鍵的物質(zhì)表面張力系數(shù)最大，其次是離子鍵化合物(如硅酸鹽化合物)，再次為極性分子物質(zhì)(如水)，最小為非極性分子物質(zhì)(如大

9、烴類化合物)。所以金屬材料的性能應(yīng)該最好，但金屬材料的價(jià)格昂貴，而且化學(xué)穩(wěn)定性不好，所以在實(shí)際應(yīng)用中往往選用硅酸鹽化合物。(1)親水玻璃纖維采用0.20.5m的未加工處理玻璃纖維，與水的接觸角10°。采用0.20.5m的加工處理玻璃纖維，與水的接觸角30°。(2)疏水玻璃纖維采用0.20.5m浸漬酚醛樹脂或密胺的玻璃纖維，接觸角為100°140°，材料的疏水傾斜角為30°左右。斥水材料要求有良好的親油性，與液壓油接觸性質(zhì)穩(wěn)定，不與液壓油發(fā)生反應(yīng)。經(jīng)對比試驗(yàn)，采用聚四氟乙烯和添加劑噴涂在40目的不銹鋼絲網(wǎng)上，可以得到接近180°的接觸角

10、和小于5°的疏水傾斜角及4cm的凈水壓。材料性能穩(wěn)定可靠，對液壓油的阻力也不大。聚結(jié)濾芯結(jié)構(gòu)如圖2所示。聚結(jié)纖維層的排列按親水程度的大小依次從內(nèi)到外為：未處理的玻璃纖維、處理后的親水玻璃纖維、處理后的疏水玻璃纖維。將纖維層順序纏繞在中心管上，兩端套上上下端蓋，用膠粘住。圖2 聚結(jié)濾芯示意圖斥水濾芯如圖3所示。將斥水層纏繞在外管上，兩端套上上下端蓋，用膠粘住。圖3 斥水濾芯示意圖將濾芯安裝在實(shí)驗(yàn)裝置中，我們采用上述三種液壓油分別配制了一定濃度乳化液，進(jìn)行過濾脫水的實(shí)驗(yàn)，其結(jié)果如表1。表1 過濾脫水實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)實(shí)驗(yàn)證明，這種方法能有效地將受水污染的液壓油的含水量降到300ppm以下，符合液壓油的正常使用要求。過濾脫水效