油液中光的影響及其應(yīng)用*

周 亮，張賢明，梁新元，盧浩聞，楊 旭

(重慶工商大學廢油資源化技術(shù)與裝備教育部工程研究中心，重慶400067)

通常情況下，造成油液污染的來源可分為內(nèi)部污染源和外來污染源兩部分［1］。其中內(nèi)部污染源主要指新油液引入污染物，內(nèi)部機器零件相對運動磨損產(chǎn)生的污染物和油液的理化性質(zhì)改變形成的污染物。外來污染源主要指固體雜質(zhì)、空氣、水分以及其他種類的油液。一般情況下，光照下的油液會發(fā)生輕度氧化，光對油液的影響往往會被其他類污染所覆蓋，因此僅作為油液的一種非主要影響因素，但是在對于光安定性差的加氫精制基礎(chǔ)油來說，光會使油液老化，變渾濁并最終生成沉淀。研究油液的光安定性，研制新型的合適的光穩(wěn)定劑對提高油品質(zhì)量有著重要的意義。

同時在監(jiān)測油液污染度的眾多方法中，光散射法具有非接觸、粒徑范圍大、實時監(jiān)測等優(yōu)勢。利用光散射原理設(shè)計的光學型傳感器將具備強的溫度、電磁抗干擾性以及更短的反應(yīng)時間。這些獨有的優(yōu)勢將加速油液中光學特性的相關(guān)研究。

1 光在油液中的化學影響—光安定性

石油產(chǎn)品抵抗光照作用而保持其性質(zhì)不發(fā)生永久性變化的性能指標指的就是光安定性。將試樣在規(guī)定的光照(如紫外光)條件下照射后，以其顏色號，沉淀物量的大小或酸值變化來表示該石油產(chǎn)品的光安定性。作為劣質(zhì)產(chǎn)品優(yōu)質(zhì)化，重質(zhì)油品輕質(zhì)化的重要加工手段，加氫技術(shù)一直備受關(guān)注。有研究表明，相對于溶液精制基礎(chǔ)油來說，加氫處理基礎(chǔ)油對光有著更強的光敏感性。加氫處理基礎(chǔ)油在有氧和光照的條件下，油品會發(fā)生變質(zhì)，即油液顏色變深，產(chǎn)生霧狀絮凝物，最終生成沉淀，這一過程通常被認為是輕度氧化過程。

加氫處理基礎(chǔ)油的光安定性差的原因，目前為止還沒有定論。主要有4種看法［2-4］:

(1)氮化物是加氫處理基礎(chǔ)油光敏感性的主要原因。早在1967年，Kartzmark等在研究環(huán)烷基原油的組成、顏色和顏色安定性之間的關(guān)系時，發(fā)現(xiàn)油中氮化物的含量雖少，但在起始顏色中的構(gòu)成卻占大部分，因此認為氮化物是光敏感的主要因素。

(2)非堿性氮化物是主要的原因。加氫裂化潤滑油光照后的沉淀中含有一定量的氮，進一步的分離可以得到含硫化合物，堿性氮化物和非堿性氮化物。而由于前兩者對紫外光不敏感，后者則非常不穩(wěn)定，在分離時只能得到含氧化合物(一種可能是高沸點、高度極性的而且是加氫反應(yīng)性差的化合物)，因此認為加氫潤滑油的變色可能是由于這類復(fù)雜的化合物引起的。

(3)重芳烴是主要的原因。由于加氫處理潤滑油光照后產(chǎn)生的沉淀主要是不溶于己烷的瀝青質(zhì)，且其碳氫比與油品色譜分離得到的重芳烴的碳氫比相似，故認為重芳烴使得加氫潤滑油的光安定性變差。Novak等用色譜法分離加氫裂化油光照后的某一沉淀組分，證明了重芳烴是影響光安定性的主要因素。楊家雷分析加氫處理油光照沉淀物的芳構(gòu)化程度，認為沉淀的生成和芳烴的結(jié)構(gòu)有關(guān)。黃為民［3］等通過對比加氫處理潤滑油基礎(chǔ)油和糠醛精制潤滑油基礎(chǔ)油中氮化物、重芳烴、中芳烴、輕芳烴和飽和烴對光安定性的影響，認為重芳烴是導(dǎo)致加氫處理基礎(chǔ)油的光安定性比糠醛精制基礎(chǔ)油光安定性差的主要原因。

(4)部分飽和的多環(huán)芳烴是主要的原因。Gilbert用吸附色譜、薄層色譜結(jié)合常規(guī)儀器研究了加氫處理油的組成，發(fā)現(xiàn)油中加氫多環(huán)芳烴的含量很少，但是對紫外線敏感，極不穩(wěn)定，并使油品變色甚至產(chǎn)生沉淀。王會東以新疆混合原油生成的加氫潤滑油基礎(chǔ)油為原料，對光照后的沉淀組成和加氫油各組分進行了光安定性影響分析，確認影響加氫處理基礎(chǔ)油光安定性的主要組分為:含硫、氮的芳香雜環(huán)化合物和多環(huán)芳烴［5］。

盡管油液光敏感的原因沒有定論，但是毫無疑問，油液中發(fā)生了光氧化過程。根據(jù)光氧化歷程的機理，加氫基礎(chǔ)油用光穩(wěn)定劑可分為紫外線吸收劑、激發(fā)態(tài)猝滅劑、氫過氧化物分解劑和自由基捕獲劑。有報道稱，用伊朗、沙特等國家的加氫基礎(chǔ)油調(diào)制的變壓器油通過加入適當?shù)墓夥€(wěn)定劑，在不影響表明張力、保持低溫溶解性極好的情況下，其光安定性達到了與溶液精制變壓器油相當?shù)乃剑?］。

2 光在油液中的物理特性—光的散射

光照射油液的過程中，除了油液本身對光的微量吸收，另外由于油液中存在的污染物，如顆粒物等，光會在油液中發(fā)生所謂的光現(xiàn)象，諸如光的散射，反射和吸收等。光學型傳感器就是利用這類基本的光現(xiàn)象來實現(xiàn)在線實時監(jiān)測油液中顆粒物的。

2.1 光散射原理

光的散射［7］是原子或分子體系從入射光波中獲得能量后，改變其傳播方向和相位，甚至頻率的再輻射(二次輻射理論)。由于造成散射現(xiàn)象的原因各不相同，光散射現(xiàn)象的表現(xiàn)形式和種類多種多樣。對于同一種光散射現(xiàn)象，可以用不同的光學理論模型來解釋。

光散射可分為兩類，一類稱為彈性散射，即指改變?nèi)肷涔獾膫鞑シ较蚣跋辔坏纳⑸?，如銳利散射、渾濁介質(zhì)散射等。另一類稱為非彈性散射，即除改變?nèi)肷涔獾膫鞑シ较蚝拖辔煌膺€改變?nèi)肷涔獾念l率，如喇曼散射、布里淵散射等。

散射［8］的過程中常常伴隨著吸收過程，當光線通過帶有吸收性顆粒介質(zhì)時，一部分被顆粒吸收，另一部分被顆粒散射，使得穿過介質(zhì)后的光較入射光減弱，這種現(xiàn)象稱之為消光。在很多情況下，光的吸收和散射是矛盾的，在引起光衰減的吸收和散射作用中，一個作用往往比另一個作用要強烈的多，這時就可只考慮矛盾的主要方面。例如在通過煙灰粉塵微粒介質(zhì)時，吸收起主導(dǎo)作用，散射可忽略;而在太陽光經(jīng)過大氣層的消光則主要是因光散射引起的。

光在經(jīng)過油池時，部分會在金屬磨粒表面反射，部分會在半透明污染物上折射，同時部分入射光被顆粒吸收，經(jīng)過一系列復(fù)雜機理，入射光的光通量或透光強度會減弱。

2.2 光吸收定律

根據(jù)Bouguer-Lambert定律［9］可知，設(shè)強度為I0的光線通過厚度為L的不均勻介質(zhì)(油液)，由于懸浮在油中的顆粒對入射光的吸收和散射作用，是穿過顆粒的透射光強度減弱到I，那么光強度減弱符合公式:

式中:τ是與光強無關(guān)的比例系數(shù)，稱之為衰減系數(shù)或濁度;L為測量光程;

式中:K為消光系數(shù)，表征每個顆粒對入射光的散射量，是粒徑、波長及顆粒相對于介質(zhì)的折射率的函數(shù);N表示顆粒個數(shù)濃度，即單位體積內(nèi)的顆粒數(shù);D為顆粒直徑;σ為顆粒迎光面積。

根據(jù)上述公式(1)(2)可知，在理想條件下，消光系數(shù)和顆粒直徑不變，則衰減系數(shù)與顆粒個數(shù)濃度成正比，同時由于衰減系數(shù)與光強有關(guān)，故而可以用光強衰減來表示油液中的濁度。

2.3 在線檢測光傳感器

根據(jù)這一原理，鄧樂［10］等研制一種反射式光纖油液污染傳感器，其光源發(fā)射光束，經(jīng)耦合器進入測量光纖和參考光纖，經(jīng)由測量光纖的光束再經(jīng)過傳感探頭、反射體反射后，部分光由接受光纖接受，接收到的光功率信號強度與測量區(qū)中的油液污染度有關(guān);測量光纖的光束傳輸至光電探測器，該參考光路主要用于補償光源波動等因素的影響。武漢理工大學的宗成強［11］根據(jù)這一原理，利用光的透射，設(shè)計研制的光強自動調(diào)整在線油液檢測裝置。通過LED光源發(fā)射光束，經(jīng)過聚焦透鏡后穿過油池，到達對面的透鏡，其中一部分連接接入顯微鏡，經(jīng)放大，CCD采集后在計算機上再現(xiàn)油池中磨粒的形貌，另一部分經(jīng)過光敏二極管采集，轉(zhuǎn)換成電信號，經(jīng)放大濾波后，輸入到單片機，并在單片機內(nèi)運行計算，從而對光強進行調(diào)整。這兩種方式的傳感器對比見表1。

表1 兩種傳感器的區(qū)別

3 結(jié)束語

光在油液中的的化學特性實質(zhì)上是一種輕度的氧化反應(yīng)，在光照條件下，會加速加氫精制基礎(chǔ)油的老化，加入適當?shù)墓夥€(wěn)定劑有利于緩解老化的過程;光學型在線油液監(jiān)測設(shè)備的研制過程中，無論是利用光反射還是光投射，都是建立在光的散射現(xiàn)象和光吸收定理基礎(chǔ)之上的。這類光學型傳感器具備的響應(yīng)速度快，環(huán)境適應(yīng)性強，易于構(gòu)成光纖傳感收集數(shù)據(jù)等優(yōu)勢，將會實現(xiàn)基于光纖的油液傳感監(jiān)測裝置產(chǎn)業(yè)化。

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