脈沖電場下W／O乳狀液中水滴聚并行為的可視化研究

孫治謙，王 磊，金有海，王振波

（1.中國石油大學(xué) 化學(xué)工程學(xué)院 重質(zhì)油國家重點實驗室，山東 青島266555；2.華陸工程科技有限責(zé)任公司，陜西 西安710065）

電脫水方法以其高效、快速、處理量大等優(yōu)點，被廣泛應(yīng)用于原油乳狀液的脫水處理［1］。在傳統(tǒng)的高壓交流、直流電場中，當(dāng)原油中水含量超過30%，由于極化作用生成水鏈，極易發(fā)生短路，從而無法建立穩(wěn)定的破乳電場［2］。20世紀(jì)80年代，Bailes教授［3］提出的脈沖電破乳技術(shù)可有效避免這一問題，因此受到了極大的關(guān)注［4-7］。然而，隨著中國原油的重質(zhì)化、劣質(zhì)化，特別是老化、乳化問題日益嚴(yán)重，現(xiàn)有的脈沖電脫水設(shè)備出現(xiàn)了分離效果差、操作不穩(wěn)定、中間層厚度增大、垮電場甚至極板擊穿等問題，導(dǎo)致裝置能耗增加、切水含油增多，直接影響到污水處理的效果乃至裝置長周期高效安全運行［8-9］。

近年來，國內(nèi)外學(xué)者針對脈沖電脫水技術(shù)進(jìn)行了一系列研究，相關(guān)實驗多集中于脫水宏觀效果影響因素的研究，而對于脈沖電場作用下水滴的極化、變形、聚并、破碎等微觀破乳機(jī)理的顯微研究非常匱乏［10-13］?；诖耍P者從微觀角度出發(fā)，采用顯微實驗方法，全面探討電場強(qiáng)度、占空比和頻率對分散相水滴相互靠近速率的影響規(guī)律，并考察脈沖電場下水滴融合時間以及水滴過度極化現(xiàn)象，為高壓高頻脈沖靜電破乳機(jī)理的深入探討以及高效緊湊脈沖電脫鹽脫水設(shè)備的研發(fā)奠定基礎(chǔ)。

1 靜電聚結(jié)原理

W／O乳狀液體系中，分散相水滴與連續(xù)油相之間存在靜電性質(zhì)差異。當(dāng)高壓電場施加于 W／O乳狀液時，水滴在高強(qiáng)電場下會發(fā)生極化作用，水滴之間由于極化作用力不斷靠近、聚并、融合成大粒徑水滴，由于油、水兩相存在密度差，大水滴在重力作用下下沉，最終并入底部水相，從而實現(xiàn)油、水分離。

電場作用下，兩球形水滴的偶極聚結(jié)力可由偶極-誘導(dǎo)-偶極（DID）模型推導(dǎo)得到［2］，見式（1）、（2）。

式（1）、（2）中，εc和εd分別是連續(xù)相和分散相的介電常數(shù)，C2／（N·m2）；E是施加于乳狀液的電場強(qiáng)度，V／m；r1和r2分別是兩水滴的半徑，m；δ是兩水滴中心距，m；β為Clausius-Mossotti；K為靜電聚結(jié)系數(shù)。

同時，水滴在連續(xù)油相中的沉降速率遵循Stokes定律［14］，如式（3）所示。

式（3）中，vw為水滴在連續(xù)油相中的沉降速率，m／s；g為重力加速度，m／s2；dw為水滴的直徑，m；ρo、ρw分別為油相和水相的密度，kg／m3；μo、μw分別為油相和水相的動力黏度，kg／（m·s）。

由式（3）可知，水滴直徑是影響水滴沉降的最主要因素，而靜電脫水目的就是利用高強(qiáng)電場對小水滴產(chǎn)生偶極作用力，使其相互靠近、聚結(jié)為大粒徑的水滴，提高水滴在油相中的沉降速率。

2 脈沖電場下油中水滴聚并行為可視化實驗裝置與方法

采用電壓、頻率和占空比連續(xù)可調(diào)的高壓高頻矩形波脈沖脫水電源，其電壓幅值調(diào)節(jié)范圍為1200～7000V，脈沖頻率調(diào)節(jié)范圍為1.8～6.3kHz，占空比調(diào)節(jié)范圍為0.1～0.875。采用85mm×11mm×11mm的雙絕緣平板電聚結(jié)單元，配有銅制平板電極，聚結(jié)單元上部不封口，其主體材質(zhì)和絕緣材料為玻璃。顯微成像系統(tǒng)由鳳凰光學(xué)集團(tuán)有限公司生產(chǎn)的PH50型數(shù)碼顯微鏡、計算機(jī)以及PHMIAS2008顯微圖像處理分析軟件組成，用以記錄實驗過程中的圖像信息，并通過后處理軟件量化實驗結(jié)果，實驗裝置如圖1所示。

圖1 脈沖電場下油中水滴聚并行為可視化實驗裝置示意圖Fig.1 Experimental set-up for visualization investigation on coalescence behavior of the water droplets in oil under pulsed electric field

實驗前，將油品置于實驗單元內(nèi)，并通過醫(yī)用注射器向聚結(jié)單元內(nèi)油相中置入水滴。將實驗單元置于PH50數(shù)碼顯微鏡的載物臺上，調(diào)好物鏡焦距，開啟數(shù)字?jǐn)z像頭，將其與計算機(jī)相連。調(diào)節(jié)電源各參數(shù)，利用PHMIAS2008顯微圖像處理分析軟件觀察實驗現(xiàn)象并記錄實驗過程中所需要的圖片。實驗結(jié)束，利用顯微圖像處理分析軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)后處理。為保證實驗精度，控制水滴在油相中的老化時間為10min。實驗中采用上海方瑞儀器有限公司生產(chǎn)的QBZY-1型全自動表-界面張力儀測量油-水界面張力。該表面張力儀的測量原理：感測白金板浸入到被測液體后形成弧形液面，白金板周圍受到界面張力作用產(chǎn)生向下的拉力下移，并與重力、浮力等其他相關(guān)力達(dá)到平衡。此時，平衡感應(yīng)器將測量白金板的浸入深度，并轉(zhuǎn)化為表面張力值顯示出來，實驗測量精度和重復(fù)性均可達(dá)±0.2mN／m。

3 結(jié)果與討論

3.1 W／O乳狀液中水滴相互靠近速率

采用含50mg／L NaCl的蒸餾水作為分散相，機(jī)油作為連續(xù)相，考察不同電場參數(shù)下 W／O乳狀液中水滴的相互靠近速率。實驗時分散相水滴粒徑控制在（600±25）μm，初始中心距1000μm，實驗溫度20℃。W／O乳狀液中水滴在電場作用下的聚并過程示意圖如圖2所示。

圖2 W／O乳狀液中水滴在電場作用下的聚并過程示意圖Fig.2 Flow diagram of coalescence process of water droplets in W／O emulsion under electric field

為了便于分析實驗結(jié)果，定義電場施加時間（t）與水滴從初始施加電場到即將發(fā)生融合所需時間（tk）的比為聚并時刻比；在電場施加時間內(nèi)，兩水滴近端距離的變化率為水滴相互靠近速率（v），μm／s。

圖3為不同電場強(qiáng)度（E）下W／O乳狀液中水滴的相互靠近速率隨聚并時刻比（t／tk）的變化。由圖3可知，在相同電場強(qiáng)度下，隨著t／tk的增大，相互靠近速率加快；當(dāng)t／tk＞0.8時，相互靠近速率迅速升高，最高可達(dá)28μm／s。由式（1）可知，水滴之間的極化作用力與其間距的4次方成反比，隨著間距的減小，水滴間極化引力增大，水滴的聚并加速度變大，相互靠近速率迅速增加。

由圖3還可知，當(dāng)保持占空比（n）為0.5、電場頻率（f）為3kHz時，依次增加電場強(qiáng)度，相互靠近速率相應(yīng)增加。這是由于隨著電場強(qiáng)度增加，單個水滴的偶極極化變形效應(yīng)和振蕩極化效應(yīng)均有所增加，由式（1）可知，水滴間的偶極聚結(jié)作用力顯著增大，從而產(chǎn)生較大的加速度，增加了水滴的相互靠近速率，縮短了靠近時間。

圖3 不同電場強(qiáng)度（E）下W／O乳狀液中水滴的相互靠近速率（ν）隨聚并時刻比（t／tk）的變化Fig.3 Droplets approaching velocity（ν）vs coalescing time ratio（t／tk）in W／O emulsion under different electric intensities（E）

圖4為不同占空比下W／O乳狀液中水滴的相互靠近速率隨聚并時刻比的變化。由圖4可知，當(dāng)電場強(qiáng)度為1.01kV／cm、電場頻率為3kHz時，逐漸增加占空比，相互靠近速率隨之小幅增加。這是由于隨著占空比的增加，同一脈沖周期內(nèi)電場導(dǎo)通時間延長，作用于水滴的電場能增大，水滴的極化變形效應(yīng)增強(qiáng)，水滴間的偶極作用力增大，從而加快了水滴的靠近速率。綜合圖3和圖4可見，靜電聚結(jié)過程中，作用于 W／O乳狀液的靜電勢能轉(zhuǎn)化成為分散相水滴的動能，并有效利用其動能完成水滴間的碰撞聚結(jié)。實驗范圍內(nèi)，隨電場強(qiáng)度和占空比的增加，作用于 W／O乳狀液的電勢能增大，水滴的相互靠近速率隨之增大。

圖4 不同占空比（n）下W／O乳狀液中水滴的靠近速率（ν）隨聚并時刻比（t／tk）的變化Fig.4 Droplets approaching velocity（ν）vs coalescing time ratio（t／tk）in W／O emulsion under different duty ratios（n）

圖5 不同電場頻率（f）下W／O乳狀液中水滴的靠近速率（ν）隨聚并時刻比（t／tk）的變化Fig.5 Droplets approaching velocity（ν）vs coalescing time ratio（t／tk）in W／O emulsion under different electric frequencies（f）

圖5為不同電場頻率下 W／O乳狀液中水滴的相互靠近速率隨聚并時刻比的變化。當(dāng)電場強(qiáng)度為1.01kV／cm、占空比為0.5時，隨著電場頻率的增加，相互靠近速率增大。這是由于脈沖初始階段W／O乳狀液呈電容性負(fù)載，當(dāng)電場頻率較低時，W／O乳狀液的電容較大，作用于其上的電壓較小，故水滴極化程度較低；隨著電場頻率的增加，水滴受到的極化效應(yīng)增強(qiáng)，極化作用力變大，水滴靠近時間隨之降低。此外，電場頻率也影響到水滴的振蕩幅度，當(dāng)電場頻率接近水滴的固有頻率時，水滴的振蕩幅度顯著增加、極化效應(yīng)增強(qiáng)，水滴的聚并破乳效果提升。

3.2 W／O乳狀液中水滴的融合時間

水滴在電場作用下自開始融合到聚并為大水滴并恢復(fù)成橢球體所需要的時間為水滴融合時間（tr）。

采用含50mg／L NaCl的水溶液作為分散相時，無論怎樣改變電場強(qiáng)度、占空比和電場頻率，W／O乳狀液中水滴的融合時間均維持在0.1s左右，可見融合時間與電場參數(shù)間并無直接關(guān)系。為考察融合時間的影響因素，向原有的分散相水溶液中加入不同劑量聚乙二醇辛基苯基醚（Triton X-100），將其分散在油相中，通過改變分散相物性來考察W／O乳狀液在電場中融合時間的變化規(guī)律。

分散相加入不同質(zhì)量濃度Ttriton X-100時，W／O乳狀液的油-水界面張力（σ）和水滴融合時間示于圖6。由圖6可知，隨著分散相中Triton X-100質(zhì)量濃度的增加，油-水界面張力減小，而融合時間逐漸變長，二者呈反比關(guān)系。

圖6 分散相中加入不同質(zhì)量濃度Triton X-100時W／O乳狀液油-水界面張力（σ）和水滴融合時間（tr）Fig.6 Oil-water interfacial tension（σ）and droplets coalescing time（tr）of W／O emulsion with different Triton X-100mass concentrations in water phase

為了驗證上述結(jié)論，向油相中加入不同劑量的Span-80，通過改變油相中Span-80的質(zhì)量濃度，考察W／O乳狀液的油-水界面張力和融合時間的變化，結(jié)果示于圖7。由圖7可知，隨著油相中Span-80質(zhì)量濃度的增加，W／O乳狀液的油-水界面張力減小，而融合時間小幅延長，與圖6所得結(jié)果相一致，只是Span-80的濃度變化對油-水界面張力的影響不及Triton X-100明顯。

圖7 油相中加入不同質(zhì)量濃度Span-80時W／O乳狀液的油-水界面張力（σ）和水滴融合時間（tr）Fig.7 Oil-water interfacial tension（σ）and droplets coalescing time（tr）of W／O emulsion with different Span-80mass concentrations in oil

由Laplace公式（見式（4））可知，W／O乳狀液中水滴融合時的內(nèi)外壓差與油-水界面張力成正比，而水滴的內(nèi)外壓差正是水滴由偏離球形回復(fù)至球形的驅(qū)動力。實驗結(jié)果結(jié)合理論分析表明，水滴在電場中的融合時間與電場參數(shù)間并無直接關(guān)系，而與油-水界面張力緊密相關(guān)，油-水界面張力越大，水滴融合速率越快，界面張力大小是水滴相互靠近、碰撞后發(fā)生聚結(jié)并快速回復(fù)到球狀的能力體現(xiàn)。

式（4）中，Δp為水滴內(nèi)外壓差，Pa；σ為油-水界面張力，mN／m；R1、R2分別為水滴的第1、第2曲率半徑，m。

3.3 W／O乳狀液中水滴的過度極化

W／O乳狀液中的水滴在靜電聚結(jié)過程中，并非電場強(qiáng)度越大聚并效果越好。當(dāng)電場增加到一定程度，會出現(xiàn)電分散現(xiàn)象，水滴發(fā)生尖端破碎，自破碎尖端噴射出一連串微小水滴，導(dǎo)致水滴無法聚并、融合［6-7］。然而，實驗中還存在另一個阻止水滴融合的過度極化的臨界電場強(qiáng)度，當(dāng)施加的電場強(qiáng)度低于該臨界電場強(qiáng)度，水滴相互靠近、融合；高于該臨界電場強(qiáng)度，水滴靠近后相互彈開，其過程示意圖如圖8所示。

圖8 在外加電場中兩液滴因過度極化而相互彈開過程的示意圖Fig.8 Flow diagram of springback of two droplets by excessive polarization in electric field

采用含50mg／L NaCl的水溶液作為分散相，機(jī)油作為連續(xù)相，分散相粒徑（dp）為550μm，初始中心距（δ）為900μm，占空比為0.5，電場頻率為3kHz，由小到大提高作用于水滴的電場強(qiáng)度，進(jìn)行多組實驗，考察水滴融合情況，結(jié)果列于表1。表1結(jié)果表明，當(dāng)電場強(qiáng)度小于3.09kV／cm時，含NaCl的 W／O乳狀液中的水滴靠近后均發(fā)生融合，當(dāng)電場強(qiáng)度達(dá)到并超過3.09kV／cm時，由于水滴的極化電荷電量較大，極化作用較強(qiáng)，在兩水滴即將發(fā)生接觸前，水滴近端電荷擊穿油相，形成部分電荷中和；中和后兩水滴近端仍帶有少量的等量異性電荷，在電場力的作用下，水滴間距有所增大，并最終達(dá)到平衡狀態(tài)，發(fā)生過度極化現(xiàn)象。

表1 在不同電場強(qiáng)度（E）下含NaCl的W／O乳狀液中的水滴融合情況Table 1 Water droplets coalescing status in W／O emulsion with NaCl under different electric intensities（E）

靜電聚結(jié)過程中，過度極化臨界電場強(qiáng)度通常小于電分散時的電場強(qiáng)度。當(dāng)作用于水滴的電場強(qiáng)度達(dá)到或超過過度極化臨界電場強(qiáng)度時，水滴靠近后相互彈開，不發(fā)生聚并。工業(yè)生產(chǎn)中，電脫鹽脫水設(shè)備施加于W／O乳狀液的電場強(qiáng)度應(yīng)小于過度極化臨界電場強(qiáng)度，否則將顯著降低乳狀液破乳脫水效果。

4 結(jié) 論

（1）脈沖靜電聚結(jié)過程中，W／O乳狀液中的水滴間距的減少，水滴間極化引力隨之增大，水滴的聚并加速度變大，相互靠近速率迅速增加。

（2）實驗范圍內(nèi)，隨著脈沖電場強(qiáng)度、占空比和電場頻率的增加，W／O乳狀液中的水滴的靠近速率相應(yīng)增大；當(dāng)聚并時刻比大于0.8時，水滴的靠近速率迅速增加。

（3）在脈沖電場中，W／O乳狀液中的水滴融合時間與電場參數(shù)間并無直接關(guān)系，而與油-水界面張力緊密相關(guān)，油-水界面張力越大，水滴融合速率越快。

（4）靜電脫水過程中，施加于W／O乳狀液的電場強(qiáng)度應(yīng)小于過度極化臨界電場強(qiáng)度，否則將顯著降低乳狀液破乳脫水效果。

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