一种用于油水分离的聚结纤维材料的制作方法

本实用新型涉及一种利用界面力学性能提高材料捕水聚集性能的用于油水分离的聚结纤维材料，其通过基底纤维材料的表面结构优化，实现利用油水界面力来促进液滴的聚集，可实现高速、经济可靠的乳化液破乳。可用于处理石油化工领域、机械加工、餐厨垃圾治理等行业的油水分离问题，属于机械工程、表面工程、材料科学与环境工程技术领域。

背景技术：

油品中水含量过高会影响相关设备及生产的正常运转。油品很重含水量高在低压、低温条件下容易发生水分析出凝结，造成管路堵塞极易引起事故，航煤对含水量要求严格主要是基于此原因。润滑油中含水量高会造成油膜破损，不能实现良好的润滑加速设备磨损。成品柴油中含水量高会造成柴油通透性品相差等问题，简单可靠的解决柴油带水问题，可保证柴油品质，降低成品柴油的存储时间，同时降低柴油生产成本，具有良好的经济效益。目前国内柴油产量超过1亿吨/年，按0.5％的柴油含水采用本技术进行脱水计算，每年可减少效益流失500万元以上。油水的物理形态可分为：游离状态、分散状态(粒径在10～100μm之间)乳化状态和溶解状态。不同类型的含油污水处理方式不同，其中乳化状态微液滴尺寸在几个到几十微米处理难度最大，而目前成品柴油、柴油加氢精制焦化柴油以及精制柴油中所含有的微量水均处于乳化状态，分离难度较大。根据油类与水的物理及化学性质存在的差异，人们提出了各种油水分离技术。

由于油、气、水的相对密度不同,组分一定的油水混合物在一定的压力和温度下,当系统处于平衡时就会形成一定比例的油、气、水相。重力式沉降分离设备即根据这一基本原理进行设计。重力法以重力作为油水分离的驱动力，驱动力收到很大限制，因此人们也开发了旋流等方法提高油水分离的驱动力。使高速旋转的油水混合液产生不同的离心力,从而使油与水分开。由于离心设备可以达到非常高的转速,产生高达几百倍重力加速度的离心力,因此离心设备可以较为彻底地将油水分离开,并且只需很短的停留时间和较小的设备体积。由于离心设备有运动部件,日常维护较难,因此只应用于试验室的分析设备和需要减小占地面积的场所。电蒸发在油田和炼油厂得到广泛应用,其原理是乳状液置于高压的交流或直流电场中,由于电场对水滴的作用,削弱了乳状液的界面膜强度,促进水滴的碰撞、合并,最终聚结成粒径较大的水滴,从原油中分离出来。由于用电蒸发处理含水量较高的原油乳状液时,会产生电击穿而无法建立极间必要的电场强度,所以,电脱法不能独立使用,只能作为其它处理方法的后序工艺。吸附除油法是利用亲油不亲水的材料特性，通过这些材料不断与含油污的脱脂液接触，捕捉吸附槽液中的油污。化学破乳法师指向油水混合物中添加破乳剂或凝絮剂，使油类物质发生聚集。添加剂可使油类物质发生凝胶而沉淀或使水发生电解产生气泡以黏附油液上浮实现分离。生物降解利用特殊微生物来降解油水混合物中油类物质。膜分离又称为多孔介质分离法，是基于小于油滴尺寸的微孔薄膜使油粒从连续的水流中分离出来的一种物理分离方式。拦截形式即所谓的筛分。此外，油水分离的方式还有如电磁吸附等方式，总体上讲油水分离技术主要有物理分离、化学分离及生物分离三种方式。其中化学分离及生物分离均需添加大量试剂会造成二次污染，并且一般成本较高不宜广泛使用。

目前已有的油水分离方法由于各自存在的不足之处导致实际使用上具有局限性，因此急需一种具有普遍应用性、简单高效的油水分离方法。

技术实现要素：

针对现有成品柴油、汽油以及煤油在工况中出现含有乳化水滴，并且难以去除、利用聚结脱水方法也存在使用材料不足及局限性，本实用新型基于纤维材料表面结构的优化设计，提出一种基于界面力学驱动的可实现对油品中微量水捕获并快速聚集的用于油水分离的聚结纤维材料，可实现油品简单、高效的脱水处理。该用于油水分离的聚结纤维材料是基于纤维材料自身亲水疏油特性并通过表面结构优化设计，使得捕获的液滴在纤维表面上由于界面力学(表面张力)的推动作用实现聚集的物理式分离的新型材料，具有分离效果显著、操作方便、成本低廉、易于工程化、不带来二次污染等特点，有望用于解决石油、石化企业以及各行各业的油品脱水问题。

本实用新型的技术方案如下：

本实用新型提供一种用于油水分离的聚结纤维材料，于纤维丝长度方向上间隔形成多个变径结构，所述变径结构的中间位置的直径最大，向两侧直径逐渐减小。

优选地，所述多个变径结构于纤维丝长度方向呈周期性均匀分布。

优选地，所述变径结构周期分布距离W为变径结构中间位置的最大直径 D的2～5倍。

优选地，所述变径结构中间位置的最大直径D为纤维丝直径d的2～5倍。

优选地，所述纤维丝直径d为0.5～30μm，所述变径结构中间位置的最大直径D为3-100μm。

优选地，所述变径结构为纺锤体结构或类似纺锤体结构。

优选地，所述变径结构的中间位置与两端之间为斜线过渡或光滑曲线过渡。

本实用新型提供的基于界面力学驱动的用于油水分离的聚结纤维材料的有益效果是：

根据界面力学的要求，通过对聚结纤维材料表面结构的优化设计，可实现纤维材料捕水后快速汇集，避免水分在聚结纤维材料表面长时间停留影响聚结纤维材料连续捕水，并且一般油品中微量水基本在微米量级，界面力大小与界面曲率半径成反比，液滴尺寸越小受到界面力影响越大，因此克服了在液滴尺寸较小但是重力驱动不明显的不足，提高整体过滤材料的脱水性能实现良好的油水分离效果。

本实用新型提供的经表面结构优化设计、利用界面力学性能提高聚结纤维材料捕水聚集性能的新型聚结纤维材料，具有使用操作简单、成本低廉、环境友好等显著特点，有着良好的工程应用前景。

附图说明

图1为聚结纤维材料的变径结构示意图之一；

图2为聚结纤维材料的变径结构示意图之二；

图3为液滴在聚结纤维表面受力状态示意图；

图4为液滴在聚结纤维表面移动趋势示意图。

具体实施方式

为使本实用新型实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本实用新型的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

本实用新型提供一种用于油水分离的聚结纤维材料，其用于油品中少量水的分离，自身具有亲水疏油性能，在与油水混合物接触时，油品中微量水极易被纤维丝捕获。聚结纤维材料于纤维丝上具有周期性均匀分布的多个变径结构，所述变径结构中间位置的直径最大，向两侧直径逐渐减小，使得捕获的液滴在纤维丝接触部分的曲率半径存在差异，在界面的作用下驱动液滴运动而加速聚集过程。所述变径结构部分形成为粗段，变径结构两侧的非变径部分形成为细段，该细段为纤维丝直径不变的部分，其直径为一般普通纤维丝直径。

本实用新型所采用的变径结构的表面优化形式以具体界面力学性能为依据，理论上可采用如图1、图2所示的结构形式或其它变径结构，如形成两端细、中间粗的纺锤体结构或类似纺锤体结构。

进一步的，为实现良好的油品脱水效果，纤维丝的直径d(细段部分、直径均一)一般为0.5～30μm，而变径结构(粗段部分)的中间位置的最大直径D一般为纤维丝直径d的2～5倍，即一般为3～100μm。变径结构的中间位置与两端细段的连接在剖面上呈斜线或光滑曲线过渡，变径结构的周期分布距离W约为中间位置的最大直径D的2～5倍，约为10～500μm。

如图3所示，当油品中微液滴1吸附于带有变径结构的聚结纤维2表面时，界面力垂直于油水界面并且与界面曲率半径成反比，对比F1与F2可知，在直径较大的纤维处曲率半径较大，并且受力方向与纤维丝方向夹角大于直径较小处，导致直径较小处在沿纤维丝方向的受力大于直径较大处，因此在界面力学的作用下，微液滴会由直径小处向直径大处移动，如图4所示。

本实用新型中的具有变径结构的聚结纤维材料的制备方法如下：

首先，选用具有良好亲水疏油材料的玻纤材料作为待制备的具有变径结构的聚结纤维材料的基础材料，玻纤材料自身具有亲水疏油性能不需另外进行表面改性处理并且具有良好化学稳定性。按图1所示结构制备相应纤维材料，形成过滤材料。玻纤细段直径为0.5～30μm，细段与玻纤非变径结构的普通段直径相等；变径结构中间位置的最大直径D约为3～100μm；变径结构周期长度约为10～500μm。经熔喷纺织后直接形成过滤材料，或在多孔的支撑过滤材料表面形成过滤层，制备的玻纤过滤材料可直接用于油水分离试验。

按照上述方法制备的周期性变径结构的聚结纤维材料，由于基底材料具有良好的亲水疏油特性因此在油水混合物中能够对微量水进行捕获。捕获后的液滴由于基本处于微米量级因此在重力作用下沿纤维丝移动效果不明显，在具有变径结构的纤维丝表面由于界面力与微液滴曲率半径成反比，在微液滴尺寸较小是界面力驱动作用明显，因此可实现微液滴迅速聚集，高效的完成油水分离。

实施例：

制备玻纤细段直径为7μm；变径结构中间位置的最大直径D直径约为 20μm；变径结构周期长度约为100μm，理由该聚结纤维材料形成厚度约为 1mm的过滤材料。采集石油炼化过程中经蒸汽汽提工艺生产的加氢精制才有作为研究对象。柴油原样含水量约为500ppm并且外观浑浊，经具有变径结构的聚结纤维材料编织而成的聚结过滤材料后，外观清澈透明含水量小于 100ppm。

利用本实用新型提供的用于油水分离的聚结纤维材料编织的过滤材料可在油水混合物中捕获微小水滴并且实现快速汇集使水分能够快速形成较大液滴、实现破乳(对比普通纤维材料只通过亲水疏油特性来完成对油中微小水滴的捕获，完成捕获后需在重力作用下完成水滴的汇集，而当液滴的尺寸基本处于微米量级时重力驱动作用不明显)，因此利用本实用新型的聚结纤维材料，通过周期性变径结构液滴可在表面张力的作用下推动微液滴的聚集，该聚结纤维材料的结构以及制备方法简单、分离效率高，在油水分离等方面具有广泛的应用前景。

以上仅为本实用新型的优选实施例而已，并不用于限制本实用新型，对于本领域的技术人员来说，本实用新型可以有各种更改和变化。凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。