液压油过滤脱水

液压油过滤脱水

中国矿业大学北京校区王炉平仪馨王建忠贾瑞清

摘要：本文研究了利用纤维材料的表面特性解决液压油的脱水问题的理论，并设计和制作了滤芯，实验效果良好。

关键词：过滤；液压油；纤维；脱水

1 引言

液压油的污染物主要有固体颗粒、水分、空气和氯化物。在实践与研究中，人们认识到液压油性能恶化的主要原因之一是水进入液压油中。在液压油脱水净化方面的研究，远不如污染颗粒过滤的研究开展的深入和广泛。这其中的原因是：

(1)对水污染的危害认识不足。当油液中水含量较低时，尚不足以引起卡死等突发事故。而事实上，水污染引起油液性能的恶化导致元件的磨损(包括化学腐蚀，生成影响工作的物质)比颗粒污染对系统的影响并不逊色。颗粒污染严重的油可以通过过滤净化处理回收利用，而水污染引起的油的变质，还会使大批的油品报废。

(2)技术上的难度。颗粒污染净化属固液分离技术，而水污染净化属液液分离技术，因此二者在技术处理上难度差异很大。另外，由于粘度、油水界面张力等物理参数，使得从液压油中除去水分的工作十分困难。

基于以上原因，极大地限制了液压油脱水技术的理论研究和实用技术的开发。可以说，对于液压油经济高效的脱水净化技术至今还是空白。

2 过滤脱水原理

液体在固体表面上的润湿现象可分为沾湿、浸湿和铺展三种，铺展是润湿的条件。也就是说，如水能在固体表面上铺展，它也一定能沾湿和浸湿固体。润湿性能的好坏是以接触角(或称为润湿角)的大小来衡量的。

图1所示为油、水和固体三相达到平衡时，在三相的交界处，会形成一定大小的接触角θ，它是张力σ水固与σ水油之间的夹角。

图1 接触角示意图

接触角的大小，由液体和固体的性质所决定。具体说是由作用在三相点上各类界面表面张力系数σ水固、σ油固、σ油水之间的平衡状态决定的。Σ油水力图使水滴的表面收缩到最小，以降低油水之间的表面能；σ油固力图使水滴展开以盖住固体表面(因为固体表面本身无法收缩，故力图吸附液体来降低表面张力)，以降低油固之间的表面能。Σ水固力图减小水固界面面积，以降低水固界面能。当体系达到平衡时，水滴与固体表面形成一定大小的接触角。Θ越小，润湿性能越好。

根据接触角的大小，固体物质分为两类，一类固体是水对其润湿性能良好，而油对其润湿性能不好，这类固体称为亲水性固体或憎油性固体(θ＜90°)，如玻璃、石英、各类无机盐和金属氧化物等；

另一类固体是油对其润湿性能良好，而水对其润湿性能不好，称为亲油性固体或憎水性固体(θ＞90°)，如固态烃，大烃基弱极性有机固体，无机盐的金属硫化物等。

液体物质大体也分为两类，一类为非极性液体(如烃类液体)，几乎能良好润湿绝大多数固体；另一类为极性液体(如水)，则只能良好润湿少数固体(如玻璃、石英、无机盐等)。

可以认为，液体与固体的极性越接近，润湿性能越好。

油水分散体系属于热力学不稳定体系，可以通过某些工艺措施来破坏维持这种分散体系稳定存在的条件，从而使油中的微小水粒子聚成较大的水滴，再通过沉降实现油水分离。过滤税水利用纤维介质对油和水的不同亲和作用，顺序通过两种过滤层：凝聚层和斥水层，实现对乳化水的过滤分离。

水滴同聚结纤维层的相互作用主要有三种情况：截获(运动的微小水滴直接同纤维接触)、布朗扩散和惯性碰撞。重力、静电电荷和范德华力均会对这三种相互作用施加影响。水滴在这些作用下与纤维接触。

水滴同纤维接触时，它们之间滞留有油膜。但聚结纤维层是亲水物质，水滴能从亲水表面将油膜置换，所以水滴从纤维上将油膜置换并使纤维润湿，使水滴粘附于纤维之上。

水滴向纤维粘附的效率取决与纤维表面的性质接触角θ、直径以及水滴的粒度。并且，接触角越小，纤维的直径越小，水滴的粒度越大，水滴就越易向纤维表面粘附。

根据自由表面能减小的原则，水滴在润湿纤维以后会以两种方式凝聚：

(1)水滴在润湿纤维表面凝聚。水滴不断粘附在纤维表面上，水滴与水滴相遇会互相融合，凝聚成大水滴；

(2)水滴在纤维孔隙中的凝聚。由于纤维层密度很大，纤维之间的孔隙很小，水滴与水滴也会在纤维孔隙中相遇互相融合，凝聚成大水滴。

两种情况在接触角0°～180°内同时进行。头一种情况占主要地位。

当水滴达到一定的粒度时，在油液流动力和水滴本身的重力作用下，水滴会从纤维表面脱附或沿着纤维流动，并形成向下面纤维联结的水道，在穿过多孔层以后，在同纤维的粘附力、油液的流体动力和重力的作用下，水滴会从纤维表面脱附。

两相液体随油流流至斥水层。斥水层是由接触角180°的斥水材料制成的。油水在斥水层上由于分界面表面张力的作用，在其毛细管内产生水阻效应，油液可顺利地通过斥水层，而水珠则被阻碍。从而实现了油与水的分离。

水阻效应，又称贾敏效应：如果液体中存在着比毛细管内径大的不溶性液滴，而液滴对毛细管的润湿不好，则毛细管会对其产生阻力作用。产生水阻效应的原因可应用表面能加以解释。球形水滴要通过毛细管，就必须改变形状，从球形变为非球形，从而增大了水滴同油之间的界面面积，表面能也随之增大。要增大表面能必须增大外加压力做功(即表面功)，这种外加压力即是克服贾敏效应的力。

综上所述，过滤脱水的过程如下：

(1)聚结。①油水乳化液通过凝聚层破乳；②微小水滴破乳后在纤维上聚结；③水滴自纤维表面脱落。

(2)油—水两相体和未聚结的乳化液。①大水滴在重力作用下沉降；②油水液体流到斥水层。

(3)分离。液压油通过斥水层，水滴被阻隔，实现油水彻底分离。

以上三步循环，使油液得以脱水。

3 实验

为了验证前面的理论，我们制作了滤芯和实验装置，并分别采用10、20、30号液压油做了实验。

根据过滤脱水理论，分别选择聚结材料和分离材料。

聚结材料的选择最主要的是有良好的亲水性，按照物质表面张力系数大小的原则，金属键的物质表面张力系数最大，其次是离子键化合物(如硅酸盐化合物)，再次为极性分子物质(如水)，最小为非