非对称润湿性颗粒床层促进石油烃污染物迁移分离的机制研究：迁移速率与压降分布调控

为解决炼油废水中高粘度石油烃污染物易乳化、难降解、传统单一润湿性颗粒床易导致油相粘附积聚、装置运行不稳定等问题，研究人员开展非对称润湿性微通道结构设计研究，通过数值模拟与高速摄像实验证实，30°与90°接触角组合微通道可显著提升油相迁移速率31.4%~66.7%，降低流场压降约25%，为高效分离高粘度石油烃污染物提供了新策略。

　　

炼油废水作为典型的碳-水耦合污染密集型产业，对区域水生态系统和全球碳循环产生显著扰动。其年均直接碳排放量可达320~480万吨CO₂当量，同时产生300~500万吨工业废水，呈现出显著的“水-能源-碳”协同污染效应。其中，含油废水占总排放量的65%~80%，油浓度达200~1500 mg·L^–1，并含有苯、甲苯、乙苯、二甲苯、烷基酚和多环芳烃等优先控制的石油烃污染物（PHs）。由于这些污染物具有强疏水性和高生物毒性，传统生化处理系统面临污泥活性抑制和出水毒性反弹的双重挑战。

预处理阶段的效率直接影响下游工艺的稳定性和可靠性。传统预处理技术如API隔油池和气浮罐虽能有效去除PHs和悬浮物，但存在化学品消耗量大、易产生污泥浮渣等缺陷。物理分离技术如重力沉降、离心分离和波纹板隔油在乳化油处理方面效果有限，而滤芯过滤和膜分离虽精度高但易污染、维护成本高。材料聚结技术通过精确控制材料表面润湿性，构建多尺度孔结构并优化油水界面相互作用，为炼油废水预处理提供了高效低能耗的解决方案。然而，传统单一润湿性颗粒床在处理含高粘度油相的水包油乳液时，易导致油相粘附积聚，引起持续孔道堵塞和床层压降异常升高，最终造成运行不稳定和出水油浓度上升的风险。

为此，研究人员提出了一种创新的非对称润湿性微通道结构，利用亲油和疏油组合颗粒床增强水包油乳液中油相的快速迁移与分离。通过数值模拟和高速摄像测试，广泛研究了油滴在微通道内的粘附、迁移和分离行为。结果表明，与油相接触角为30°和120°或30°和150°的微通道组合相比，接触角为30°和90°的微通道显著提高了油相迁移速率31.4%至66.7%，同时降低了流场压降约25%。研究还确定了最佳进水速度为0.015 m·s^–1，该速度不仅最小化能耗，还确保了分离过程的稳定性和连续性。对于粒径为1.4 mm的油滴群，亲油微通道表现出显著的油滴粘附和堵塞，而组合微通道的油滴迁移通量为86.9%，床层压降低于亲油微通道45.7%。进一步采用扩展的Derjaguin-Landau-Verwey-Overbeek（XDLVO）理论分析了这些现象的机制：亲油介质由于低能垒增强了润湿和聚结效率，而疏油介质通过形成高能垒水膜提高了水相通量并降低了床层压降。非对称润湿性设计从而为高效分离高粘度石油烃污染物提供了有前景的策略，兼具迁移效率提升和压降控制优势。

为开展本研究，作者主要应用了数值模拟与高速摄像实验技术。数值模拟基于Volume of Fluid（VOF）多相模型，通过ICEM软件进行网格划分，并验证了网格独立性；高速摄像测试平台包括光源系统、连续流体流动与油滴生成系统以及观测分析系统，使用去离子水作为连续流体，异辛烷作为模拟石油烃污染物。此外，通过XDLVO理论计算了范德华力（LW）、静电双层力（EL）和疏水相互作用（AB），以表征油滴与分离介质间的总界面能。

研究结果部分通过多个小节详细阐述了不同润湿性微通道中油滴的迁移行为、高速摄像验证、组合颗粒床的促进作用及其机制分析。在“3.1. 不同润湿性微通道中油滴的迁移行为”中，通过比较接触角30°~150°的微通道，发现亲油表面（θ=30°）导致油滴快速粘附扩展并停滞，而疏油表面（θ≥90°）则呈现阻塞效应；非对称润湿性微通道（θ=30°~90°）通过不平衡力矩驱动油滴向高粘附侧迁移，避免堵塞。“3.2. 油滴迁移行为的高速摄像测试验证”通过实验直观证实了数值模拟的可靠性，亲油微通道中油滴呈现颈缩形态，疏油微通道中油滴堵塞入口，组合微通道则实现快速迁移。“3.3. 非对称润湿性组合颗粒床促进油滴迁移行为”进一步探讨了疏油介质接触角、进水速度和油滴尺寸的影响，表明θ=90°时迁移速率最高、压降最低，v=0.015 m·s^–1为最优操作条件，且大油滴（1.8 mm）在组合微通道中迁移效率更高、压降更低。“3.4. 油滴迁移行为的机制分析”基于XDLVO理论揭示，亲油介质因低能垒加速液膜排水促进粘附，疏油介质因高能垒和水膜形成抑制粘附，非对称设计通过润湿梯度产生驱动力，引导油相从疏油向亲油表面迁移，实现协同增效。

研究结论强调，非对称润湿性诱导的扭矩机制可定向调控油滴迁移路径，为连续油水分离过程提供了创新解决方案。关键发现包括：非对称润湿性设计通过油膜选择性粘附避免孔道堵塞，确保水流顺畅；30°与90°组合微通道显著提升迁移速率、降低压降；最优进水速度0.015 m·s^–1平衡能耗与稳定性；大油滴群处理中组合微通道迁移通量高、压降低，工程适应性强。该研究为炼油废水预处理过程的能耗优化和工程放大提供了可靠技术路径，兼具高效分离与操作稳定优势。论文发表于《Water》，为石油烃污染控制提供了理论依据和技术支撑。