新疆农业大学硕士研究生侯亮在中科院二区Top学术期刊《Powder Technology》发表最新研究成果
含油废水的排放量日益增加，已成为各行业亟待解决的难题。虽然分离技术在不断进步，但仍面临成本、效率和环境影响等方面的挑战，开发更高效环保的油水分离技术与材料依旧是当前热点话题。基于重力驱动的连续分离因低成本和操作简单而被广泛使用，尽管研究人员已经实验性地研究了其分离效果，但背后的机制尚未完全理解，如何进一步提高颗粒介质分离性能仍然是一个挑战。
新疆农业大学环境功能材料研究中心匡代洪副教授研究团队联合中国科学院新疆理化技术研究所自治区分离材料和技术重点实验室马鹏程研究员团队在国际学术期刊《Powder Technology》（中科院2区Top期刊，最新影响因子4.5）发表了题为“Numerical study of the dynamic aggregation behaviors of oil droplets in the porous filter media consisting of basalt particles”的研究成果，揭示了油滴在玄武岩颗粒多孔介质中的运动机理，旨在为油水分离过程的优化提供理论依据。
图1 欧拉-欧拉模型及两相流-水平集耦合模型设计图
该研究基于多物理场欧拉-欧拉模型及两相流-水平集耦合的方法，通过设计不规则形状的玄武岩颗粒介质局部孔道结构，以两组Navier-Stokes方程分别计算油相和水相的速度场，由混合平均连续性方程计算出压力，并通过输运方程跟踪分散相的体积分数。通过Young方程和Darcy定律等数学模型表示涉及流场与压力梯度之间的非线性关系，对不同参数下油滴在玄武岩颗粒多孔介质孔道中的动态运动过程进行了有限元数值分析。为了获得不同直径的油滴，将模型入口边界进行切割并赋予不同周期参数的矩形波数学函数来控制油滴，避免油滴受表面张力的影响导致在入口处聚集。
该研究探索了玄武岩颗粒滤料持续处理含油废水效果的稳定性，阐明了表面张力、曳力、浮力和粘滞力等多种复杂力的相互作用可以显著影响油滴在多孔过滤介质中的聚集行为，揭示了颗粒表面粗糙度、润湿性、孔径大小和流体流速等关键因素对油滴聚集-分离动态行为的影响。研究结果有助于从微观角度理解破乳过程，将为设计和改进颗粒多孔介质分离装置提供理论依据，有助于实现更高的油水分离效率，满足工业应用中对高效、经济和环境友好型分离技术的需求。
图2 不同因素对油滴聚集-分离动态行为的影响及运动过程分析
新疆农业大学资源与环境学院研究生侯亮为本文的第一作者，新疆农业大学为第一完成单位，新疆农业大学数理学院匡代洪副教授和中国科学院新疆理化技术研究所李慧副研究员为共同通讯作者。研究相关工作得到新疆杰出青年自然科学基金（编号：2022D01E88）、新疆重点研发计划（编号：2022B01023-1）、中国科学院人才计划和新疆维吾尔自治区自然科学基金（编号：2022D01A201）的资助支持。