脉冲电场下W／O乳状液中水滴聚并行为的可视化研究

孙治谦，王 磊，金有海，王振波

（1.中国石油大学 化学工程学院 重质油国家重点实验室，山东 青岛266555；2.华陆工程科技有限责任公司，陕西 西安710065）

电脱水方法以其高效、快速、处理量大等优点，被广泛应用于原油乳状液的脱水处理［1］。在传统的高压交流、直流电场中，当原油中水含量超过30%，由于极化作用生成水链，极易发生短路，从而无法建立稳定的破乳电场［2］。20世纪80年代，Bailes教授［3］提出的脉冲电破乳技术可有效避免这一问题，因此受到了极大的关注［4-7］。然而，随着中国原油的重质化、劣质化，特别是老化、乳化问题日益严重，现有的脉冲电脱水设备出现了分离效果差、操作不稳定、中间层厚度增大、垮电场甚至极板击穿等问题，导致装置能耗增加、切水含油增多，直接影响到污水处理的效果乃至装置长周期高效安全运行［8-9］。

近年来，国内外学者针对脉冲电脱水技术进行了一系列研究，相关实验多集中于脱水宏观效果影响因素的研究，而对于脉冲电场作用下水滴的极化、变形、聚并、破碎等微观破乳机理的显微研究非常匮乏［10-13］。基于此，笔者从微观角度出发，采用显微实验方法，全面探讨电场强度、占空比和频率对分散相水滴相互靠近速率的影响规律，并考察脉冲电场下水滴融合时间以及水滴过度极化现象，为高压高频脉冲静电破乳机理的深入探讨以及高效紧凑脉冲电脱盐脱水设备的研发奠定基础。

1 静电聚结原理

W／O乳状液体系中，分散相水滴与连续油相之间存在静电性质差异。当高压电场施加于 W／O乳状液时，水滴在高强电场下会发生极化作用，水滴之间由于极化作用力不断靠近、聚并、融合成大粒径水滴，由于油、水两相存在密度差，大水滴在重力作用下下沉，最终并入底部水相，从而实现油、水分离。

电场作用下，两球形水滴的偶极聚结力可由偶极-诱导-偶极（DID）模型推导得到［2］，见式（1）、（2）。

式（1）、（2）中，εc和εd分别是连续相和分散相的介电常数，C2／（N·m2）；E是施加于乳状液的电场强度，V／m；r1和r2分别是两水滴的半径，m；δ是两水滴中心距，m；β为Clausius-Mossotti；K为静电聚结系数。

同时，水滴在连续油相中的沉降速率遵循Stokes定律［14］，如式（3）所示。

式（3）中，vw为水滴在连续油相中的沉降速率，m／s；g为重力加速度，m／s2；dw为水滴的直径，m；ρo、ρw分别为油相和水相的密度，kg／m3；μo、μw分别为油相和水相的动力黏度，kg／（m·s）。

由式（3）可知，水滴直径是影响水滴沉降的最主要因素，而静电脱水目的就是利用高强电场对小水滴产生偶极作用力，使其相互靠近、聚结为大粒径的水滴，提高水滴在油相中的沉降速率。

2 脉冲电场下油中水滴聚并行为可视化实验装置与方法

采用电压、频率和占空比连续可调的高压高频矩形波脉冲脱水电源，其电压幅值调节范围为1200～7000V，脉冲频率调节范围为1.8～6.3kHz，占空比调节范围为0.1～0.875。采用85mm×11mm×11mm的双绝缘平板电聚结单元，配有铜制平板电极，聚结单元上部不封口，其主体材质和绝缘材料为玻璃。显微成像系统由凤凰光学集团有限公司生产的PH50型数码显微镜、计算机以及PHMIAS2008显微图像处理分析软件组成，用以记录实验过程中的图像信息，并通过后处理软件量化实验结果，实验装置如图1所示。

图1 脉冲电场下油中水滴聚并行为可视化实验装置示意图Fig.1 Experimental set-up for visualization investigation on coalescence behavior of the water droplets in oil under pulsed electric field

实验前，将油品置于实验单元内，并通过医用注射器向聚结单元内油相中置入水滴。将实验单元置于PH50数码显微镜的载物台上，调好物镜焦距，开启数字摄像头，将其与计算机相连。调节电源各参数，利用PHMIAS2008显微图像处理分析软件观察实验现象并记录实验过程中所需要的图片。实验结束，利用显微图像处理分析软件进行数据后处理。为保证实验精度，控制水滴在油相中的老化时间为10min。实验中采用上海方瑞仪器有限公司生产的QBZY-1型全自动表-界面张力仪测量油-水界面张力。该表面张力仪的测量原理：感测白金板浸入到被测液体后形成弧形液面，白金板周围受到界面张力作用产生向下的拉力下移，并与重力、浮力等其他相关力达到平衡。此时，平衡感应器将测量白金板的浸入深度，并转化为表面张力值显示出来，实验测量精度和重复性均可达±0.2mN／m。

3 结果与讨论

3.1 W／O乳状液中水滴相互靠近速率

采用含50mg／L NaCl的蒸馏水作为分散相，机油作为连续相，考察不同电场参数下 W／O乳状液中水滴的相互靠近速率。实验时分散相水滴粒径控制在（600±25）μm，初始中心距1000μm，实验温度20℃。W／O乳状液中水滴在电场作用下的聚并过程示意图如图2所示。

图2 W／O乳状液中水滴在电场作用下的聚并过程示意图Fig.2 Flow diagram of coalescence process of water droplets in W／O emulsion under electric field

为了便于分析实验结果，定义电场施加时间（t）与水滴从初始施加电场到即将发生融合所需时间（tk）的比为聚并时刻比；在电场施加时间内，两水滴近端距离的变化率为水滴相互靠近速率（v），μm／s。

图3为不同电场强度（E）下W／O乳状液中水滴的相互靠近速率随聚并时刻比（t／tk）的变化。由图3可知，在相同电场强度下，随着t／tk的增大，相互靠近速率加快；当t／tk＞0.8时，相互靠近速率迅速升高，最高可达28μm／s。由式（1）可知，水滴之间的极化作用力与其间距的4次方成反比，随着间距的减小，水滴间极化引力增大，水滴的聚并加速度变大，相互靠近速率迅速增加。

由图3还可知，当保持占空比（n）为0.5、电场频率（f）为3kHz时，依次增加电场强度，相互靠近速率相应增加。这是由于随着电场强度增加，单个水滴的偶极极化变形效应和振荡极化效应均有所增加，由式（1）可知，水滴间的偶极聚结作用力显著增大，从而产生较大的加速度，增加了水滴的相互靠近速率，缩短了靠近时间。

图3 不同电场强度（E）下W／O乳状液中水滴的相互靠近速率（ν）随聚并时刻比（t／tk）的变化Fig.3 Droplets approaching velocity（ν）vs coalescing time ratio（t／tk）in W／O emulsion under different electric intensities（E）

图4为不同占空比下W／O乳状液中水滴的相互靠近速率随聚并时刻比的变化。由图4可知，当电场强度为1.01kV／cm、电场频率为3kHz时，逐渐增加占空比，相互靠近速率随之小幅增加。这是由于随着占空比的增加，同一脉冲周期内电场导通时间延长，作用于水滴的电场能增大，水滴的极化变形效应增强，水滴间的偶极作用力增大，从而加快了水滴的靠近速率。综合图3和图4可见，静电聚结过程中，作用于 W／O乳状液的静电势能转化成为分散相水滴的动能，并有效利用其动能完成水滴间的碰撞聚结。实验范围内，随电场强度和占空比的增加，作用于 W／O乳状液的电势能增大，水滴的相互靠近速率随之增大。

图4 不同占空比（n）下W／O乳状液中水滴的靠近速率（ν）随聚并时刻比（t／tk）的变化Fig.4 Droplets approaching velocity（ν）vs coalescing time ratio（t／tk）in W／O emulsion under different duty ratios（n）

图5 不同电场频率（f）下W／O乳状液中水滴的靠近速率（ν）随聚并时刻比（t／tk）的变化Fig.5 Droplets approaching velocity（ν）vs coalescing time ratio（t／tk）in W／O emulsion under different electric frequencies（f）

图5为不同电场频率下 W／O乳状液中水滴的相互靠近速率随聚并时刻比的变化。当电场强度为1.01kV／cm、占空比为0.5时，随着电场频率的增加，相互靠近速率增大。这是由于脉冲初始阶段W／O乳状液呈电容性负载，当电场频率较低时，W／O乳状液的电容较大，作用于其上的电压较小，故水滴极化程度较低；随着电场频率的增加，水滴受到的极化效应增强，极化作用力变大，水滴靠近时间随之降低。此外，电场频率也影响到水滴的振荡幅度，当电场频率接近水滴的固有频率时，水滴的振荡幅度显著增加、极化效应增强，水滴的聚并破乳效果提升。

3.2 W／O乳状液中水滴的融合时间

水滴在电场作用下自开始融合到聚并为大水滴并恢复成椭球体所需要的时间为水滴融合时间（tr）。

采用含50mg／L NaCl的水溶液作为分散相时，无论怎样改变电场强度、占空比和电场频率，W／O乳状液中水滴的融合时间均维持在0.1s左右，可见融合时间与电场参数间并无直接关系。为考察融合时间的影响因素，向原有的分散相水溶液中加入不同剂量聚乙二醇辛基苯基醚（Triton X-100），将其分散在油相中，通过改变分散相物性来考察W／O乳状液在电场中融合时间的变化规律。

分散相加入不同质量浓度Ttriton X-100时，W／O乳状液的油-水界面张力（σ）和水滴融合时间示于图6。由图6可知，随着分散相中Triton X-100质量浓度的增加，油-水界面张力减小，而融合时间逐渐变长，二者呈反比关系。

图6 分散相中加入不同质量浓度Triton X-100时W／O乳状液油-水界面张力（σ）和水滴融合时间（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

为了验证上述结论，向油相中加入不同剂量的Span-80，通过改变油相中Span-80的质量浓度，考察W／O乳状液的油-水界面张力和融合时间的变化，结果示于图7。由图7可知，随着油相中Span-80质量浓度的增加，W／O乳状液的油-水界面张力减小，而融合时间小幅延长，与图6所得结果相一致，只是Span-80的浓度变化对油-水界面张力的影响不及Triton X-100明显。

图7 油相中加入不同质量浓度Span-80时W／O乳状液的油-水界面张力（σ）和水滴融合时间（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（见式（4））可知，W／O乳状液中水滴融合时的内外压差与油-水界面张力成正比，而水滴的内外压差正是水滴由偏离球形回复至球形的驱动力。实验结果结合理论分析表明，水滴在电场中的融合时间与电场参数间并无直接关系，而与油-水界面张力紧密相关，油-水界面张力越大，水滴融合速率越快，界面张力大小是水滴相互靠近、碰撞后发生聚结并快速回复到球状的能力体现。

式（4）中，Δp为水滴内外压差，Pa；σ为油-水界面张力，mN／m；R1、R2分别为水滴的第1、第2曲率半径，m。

3.3 W／O乳状液中水滴的过度极化

W／O乳状液中的水滴在静电聚结过程中，并非电场强度越大聚并效果越好。当电场增加到一定程度，会出现电分散现象，水滴发生尖端破碎，自破碎尖端喷射出一连串微小水滴，导致水滴无法聚并、融合［6-7］。然而，实验中还存在另一个阻止水滴融合的过度极化的临界电场强度，当施加的电场强度低于该临界电场强度，水滴相互靠近、融合；高于该临界电场强度，水滴靠近后相互弹开，其过程示意图如图8所示。

图8 在外加电场中两液滴因过度极化而相互弹开过程的示意图Fig.8 Flow diagram of springback of two droplets by excessive polarization in electric field

采用含50mg／L NaCl的水溶液作为分散相，机油作为连续相，分散相粒径（dp）为550μm，初始中心距（δ）为900μm，占空比为0.5，电场频率为3kHz，由小到大提高作用于水滴的电场强度，进行多组实验，考察水滴融合情况，结果列于表1。表1结果表明，当电场强度小于3.09kV／cm时，含NaCl的 W／O乳状液中的水滴靠近后均发生融合，当电场强度达到并超过3.09kV／cm时，由于水滴的极化电荷电量较大，极化作用较强，在两水滴即将发生接触前，水滴近端电荷击穿油相，形成部分电荷中和；中和后两水滴近端仍带有少量的等量异性电荷，在电场力的作用下，水滴间距有所增大，并最终达到平衡状态，发生过度极化现象。

表1 在不同电场强度（E）下含NaCl的W／O乳状液中的水滴融合情况Table 1 Water droplets coalescing status in W／O emulsion with NaCl under different electric intensities（E）

静电聚结过程中，过度极化临界电场强度通常小于电分散时的电场强度。当作用于水滴的电场强度达到或超过过度极化临界电场强度时，水滴靠近后相互弹开，不发生聚并。工业生产中，电脱盐脱水设备施加于W／O乳状液的电场强度应小于过度极化临界电场强度，否则将显著降低乳状液破乳脱水效果。

4 结 论

（1）脉冲静电聚结过程中，W／O乳状液中的水滴间距的减少，水滴间极化引力随之增大，水滴的聚并加速度变大，相互靠近速率迅速增加。

（2）实验范围内，随着脉冲电场强度、占空比和电场频率的增加，W／O乳状液中的水滴的靠近速率相应增大；当聚并时刻比大于0.8时，水滴的靠近速率迅速增加。

（3）在脉冲电场中，W／O乳状液中的水滴融合时间与电场参数间并无直接关系，而与油-水界面张力紧密相关，油-水界面张力越大，水滴融合速率越快。

（4）静电脱水过程中，施加于W／O乳状液的电场强度应小于过度极化临界电场强度，否则将显著降低乳状液破乳脱水效果。

［1］白志山，汪华林，唐良瑞.原油脱盐脱水技术评述［J］.化工 机 械，2004，31（6）：384-387.（BAI Zhishan，WANG Hualin， TANG Liangrui. Review of the dewatering and desalting technologies of crude oil［J］.Chemical Engineering ＆ Machinery，2004，31（6）：384-387.）

［2］CHRISTINE N， CHEN J Q， CHRISTINE D.Electrostatic demulsification on crude oil：A state-of-theart review［R］.SPE 103808：1-12.

［3］BAILES P J.An experimental investigation into the use of high voltage DC fields for liquid phase separation［J］.Trans I Chem E，1981，59（A）：229-237.

［4］SCOTT T C，SISSON W G.Droplet size characteristics and energy input requirements of emulsions formed using high-intensity-pulsed electric fields ［J］.Separation Science and Technology，1988，23（12＆13）：1541-1550.

［5］朱岳麟，冯利利，张艳丽，等.原油高频电脱盐机理研究［J］.石油学报（石油加工），2006，22（4）：61-65.（ZHU Yuelin，FENG Lili，ZHANG Yanli，et al.Study on mechanism of crude oil desalting under high-frequency electric field［J］. Acta Petrolei Sinica （Petroleum Processing Section），2006，22（4）：61-65.）

［6］丁艺，陈家庆.高压脉冲DC电场破乳技术研究 ［J］.北京石油化工学院学报，2010，18（2）：27-34.（DING Yi，CHEN Jiaqing.Emulsion separation in high voltage electrostatic coalescer［J］.Journal of Beijing Institute of Petro-chemical Technology，2010，18（2）：27-34.）

［7］JOHN S E，MOJTABA G.Electrostatic enhancement of coalescence of water droplets in oil：A review of the technology［J］.Chemical Engineering Journal，2002，85：357-368.

［8］SUNIL K，SAUDI A.Crude oil emulsions：A state-ofthe-art review［R］.SPE 77497：1-9.

［9］刘建兴，袁国清.油田采出水处理技术现状及发展趋势［J］.工业 用水与 废水，2007，38（5）：20-23.（LIU Jianxing， YUAN Guoqing. Current status and development trend of oilfield produced water treatment techniques［J］.Industrial Water ＆ Wastewater，2007，38（5）：20-23.）

［10］张黎明，张凯，李晓帆，等.高强电场中液滴静电运动特性［J］.石油学报，2011，32（3）：524-528.（ZHANG Liming，ZHANG Kai，LI Xiaofan，et al.Electrostatic movement characteristics of droplets in a highly electric field［J］.Acta Petrolei Sinica，2011，32（3）：524-528.）

［11］JOHN S E，MOJTABA G.Drop-drop coalescence in an electric field：the effects of applied electric field and electrode geometry ［J］.Colloids and Surfaces A：Physicochem Eng，2003，219：253-279.

［12］金有海，胡佳宁，孙治谦，等.高压高频脉冲电脱水性能影响因素的实验研究［J］.高校化学工程学报，2010，24（6）：917-922.（JIN Youhai，HU Jianing，SUN Zhiqian，et al.Experimental study of factors acting on the performance of high-voltage and high-frequency pulse electrostatic dewatering process［J］.J Chem Eng of Chinese Univ，2010，24（6）：917-922.）

［13］SIMONE L， ANDREAS H， JOHAN S. An electrorheological study on the behavior of water-incrude oil emulsions under influence of a DC electric field and different flow conditions［J］.Journal of Dispersion Science and Technology，2008，29：106-114.

［14］JOHN S E，MOJTABA G.Deformation and break-up of aqueous drops in oils under high electric field strengths［J］.Chemical Engineering and Processing，2003，42：268.