摘要

为了探究不同结构滤纸在振动条件下的油水分离效率的规律，搭建并使用振动柴油–水分离试验台在振动频率为20 Hz、50 Hz、100 Hz、150 Hz、200 Hz和300 Hz，振动加速度为9.8 m/s2，19.6 m/s2，39.2 m/s2，58.8 m/s2和78.4 m/s2，柴油–水界面张力为22 mN/m，等效面流速为5 cm/min的条件下对4种不同结构的商用滤纸进行油水分离试验。试验结果表明：在4g振动加速度下，油水分离效率仅在20 Hz的低频振动条件下有明显变化；单层滤纸与复合滤纸相比，在振动条件下的油水分离效率变化更明显；沿X方向（柴油流动方向）的振动与沿Y方向（与柴油流动方向垂直且与地面平行的方向）和Z方向（与地面垂直的方向）相比，油水分离效率降低幅度更大；低频振动使水滴提前脱离纤维，并因振动产生的惯性碰撞而破碎导致油水分离效率下降。随着振动加速度的增大，油水分离效率降低，1号（单层聚结式滤纸）、3号（单层阻拦式滤纸）、4号（复合阻拦式滤纸）滤纸在78.4 m/s2的振动加速度下油水分离效率分别下降了7.2%、6.7%、3.4%。

柴油中含水对发动机的运转会产生不利影响，导致燃烧效率低下、起动困难、喷油器孔堵塞、发动机燃油喷射系统过度磨损等问题。

随着排放标准越来越严苛，柴油机颗粒捕集器和选择性催化还原后处理装置在柴油机上广泛使用。柴油中硫元素燃烧后生成的硫酸盐会导致后处理装置硫中毒而失效。低硫柴油是通过加氢脱硫及去除其他杂质原子和共轭芳香族化合物生产出来的。精制的加工步骤导致柴油失去了其固有的润滑性。为了保证低硫柴油的正常润滑性能，需要向柴油中添加合成润滑添加剂，添加剂提高了柴油的表面能，降低了油水界面张力，使油水分离更加困难。

柴油中的水来自降水、大气中水分的凝结等，以自由水、乳化水和溶解水的形式存在。自由水通常通过重力沉降分离，而溶解水则通过蒸馏去除。粒径小于100μm的乳化水可以通过使用超亲水或超疏水纤维材料进行分离。振动已被用来分离、去除、浓缩液体中的分散相，应用于声场，通过向色散中投射声波，将分散的细颗粒从连续相中分离出来。当粒子的尺寸在亚微米范围内时，这种方法常有效。有研究结果表明，在振动条件下柴油滤清器的颗粒过滤效率会因为二次夹带而下降。文献中的研究结果表明，亲水玻璃纤维和静电纺丝PVDF–HFP在100 Hz的振动条件下均能有效提高油水分离效率，但并未对低频率、大振幅振动条件下的油水分离效率的变化规律进行研究。

本文中通过搭建振动油水分离效率试验台，探究了4种不同结构的商业滤纸在不同振动频率、加速度和振动方向下的油水分离效率的规律，并为柴油油水分离器的开发提供理论依据。

1试验设备与试验方法

1.1试验滤纸

本试验选择4种具有代表性结构的滤纸，测量其在不同振动条件下的油水分离效率，研究其变化规律，滤纸的基本参数如表1所示。1号和2号为聚结式滤纸，3号和4号为阻拦式滤纸。

聚结式滤纸分离水的主要步骤为：（1）从不混溶的液体中传输小水滴到过滤器；（2）小水滴附着在纤维表面；（3）因聚结使附着在纤维上水滴的尺寸增加；（4）水滴在纤维上的合并和传输；（5）水滴因为重力脱离滤纸表面落到集水槽内。阻拦式滤纸分离水的原理是利用疏水纤维的疏水性，把水颗粒阻拦在滤纸表面，通过黏性聚结生长成的大水滴在重力的作用下脱离滤纸表面。

滤纸的切面结构如图1所示。1号滤纸为单层亲水材料。2号滤纸由保护层a、颗粒过滤层b、亲水聚结层c和木浆纸层d组成，木浆纸作为基层材料，c和d层、b与c层均由树脂粘结，a与b层通过超声波焊接在一起。3号滤纸为聚四氟乙烯编织而成的单层网状滤纸。4号滤纸由保护层a、疏水过滤层b和基层c组成，4号滤纸的粘结工艺与2号滤纸相同，保护层和疏水层由超声波焊接在一起，基层和疏水层使用树脂进行粘结。

图1试验滤纸切面示意图

使用phonesm Pro X扫描电子显微镜（scanning electron microscope，SEM）在500倍放大倍率下拍摄的4种滤纸的微观结构如图2所示。1号滤纸由直径约为15μm的亲水纤维构成；2号滤纸的亲水层由粗细不同的纤维通过树脂粘接而成，其中粗纤维还起到增加亲水层物理强度的作用；3号滤纸由直径约为45μm的聚四氟乙烯纤维丝编制，两根纤维之间的距离约为44μm；4号滤纸的b层由疏水材料通过熔喷工艺制成，在平面上纤维分布疏密不均但在空间内有着较好的孔隙分布。除了3号滤纸外，其余滤纸均具有油水分离层，同时也具有较为复杂的空间结构。

图2 4种滤纸具有油水分离能力滤层的SEM图像

1.2试验设备

为了测量上述4种滤纸在不同振动条件下柴油–水分离效率，搭建了振动柴油水分离试验系统，该测试系统的示意图如图3示。

图3振动油水分离测试系统示意图

试验的主要设备有电振动试验台、按照ISO 16332标准搭建的柴油–水分离试验台、加速度传感器及信号采集系统、电子天平、库伦法微量水测定仪、界面张力仪、黏度计等。

单张滤纸工装由两块50 mm厚的有机玻璃制成，在顶部加工进出油口，在底部加工放水口。单张滤纸工装和振动试验台通过一个特制的铝质底座进行连接，如图4所示。

图4试验工装安装图