工业用油静电净化技术研究

孙墨杰，赵 威，张振业，邵志君，刘建军，宋晓晨

（1.东北电力大学化学工程学院，吉林 吉林 132000；2.吉林省一机分离机械制造股份有限公司，吉林 吉林 132000；3.东北电力大学机械工程学院，吉林 吉林 132000）

随着我国工业的迅猛发展，石油产品的消耗量逐渐上升，无论是大部分机械的润滑装置与液压传动系统，还是充油电气设备，都要使用相对应的石油产品[1-2]。油品质量直接影响到设备的安全运行，而油液在运输、储存和加入系统时往往已被污染[3]，并且随着系统的运行，纯净的油品也会逐渐劣化，造成设备故障，危害安全运行。为了在注入设备前或运行后净化油品，开发了各种类型的净油机。由于一些设备对油液品质要求严格，因此须使用较高精度的净油仪器。目前，越来越流行使用精度为3 μm 和1 μm 的精细过滤器[4]，然而污染问题仍层出不穷。这是因为聚合油氧化产物和固体颗粒一样有害，并且聚合油氧化产物粒径是分子量级的，不能被机械移除[5-6]。为了有效解决这个问题，油液的静电净化法应运而生，并成为近年来国内外的研究热点。

1 单一高压直流电场静电净油技术

利用高压静电场吸附空气中的粉尘已有百余年的历史。基于静电吸附原理，将静电场应用于油液的净化逐渐走到人们的视野中。早期静电净油机一般由2 块平行极板和固定在极板上的集尘体构成[7-8]，利用静电发生器在极板间产生高压静电场，使油中因碰撞、摩擦等原因带电的污染物颗粒，朝与自身带相反电性的极板方向移动，最终被集尘体吸附，从而克服常规滤芯难以去除1 μm 以下颗粒的缺点，达到深度净化的目的。当施加1 个高压静电场时，由于油中带电粒子在液体中的优先吸附及可解离基团在粒子表面的解离，液体中的粒子通常带正电或负电，可在电场作用下运动[9]。油中带电粒子在均匀电场的运动如图1所示。

图1 均匀电场中粒子运动Fig.1 Motions of particles in a uniform electric field

油中带电粒子运动速度Vp[8]为

式中：α为油品介电常数与颗粒表面电荷的乘积；E为电场强度；η为油品黏度。

由公式(1)可以看出，油中带电粒子的运动速度与所施加的电场强度呈正比，因此采用均匀电场工作模式的净油机对油中带电颗粒杂质有一定的去除效果，且可通过增加电场强度的方式提高颗粒运动速度及吸附效率。但油中也存在很多中性粒子，在均匀电场作用下会极化，粒子内部正负电荷中心分离，但正负电荷中心受到方向相反大小相同的电场力，不会发生电泳运动。因此，对于中性杂质粒子而言，平行极板构造的均匀电场对其去除效果有限，对净油不利。而当净油机采用梯度电场时，极化后正负电荷中心受到大小不同的电场力，粒子朝电场强度、梯度更大的方向移动（图2），更有利于净油。

图2 中性粒子受到的梯度力Fig.2 The gradient force working on neutral particles

基于上述分析，研究人员开始利用电场分布非均匀的梯度电场，使中性粒子在电场中定向移动，进而被集尘体吸附。这个现象被称为介电电泳（DEP），特指微粒在非均匀电场中的迁移[10-13]。DEP 是由微粒中感应的偶极子与电场之间的相互作用引起的。“正DEP”对应于迁移进入强电场，而“负DEP”则相反[14]。微粒所受介电电泳力的大小和方向取决于微粒和介质的介电性能。假设中性杂质粒子是1 个球体，它在非均匀电场中受到的电场力[15]为

式中：Fe为颗粒所受梯度电场力；R为颗粒半径；ε1为油的相对介电常数；ε2为颗粒的相对介电常数；E为外加直流电场强度；为颗粒所处位置的电场强度几何梯度。

从式(2)可知，对于油中某特定待去除的中性杂质颗粒，所受介电电泳力只与电场强度和梯度有关，提高两者的数值均可使介电电泳力增大[16-17]。在静电吸附系统中，集尘体在吸附污染物杂质中还起着产生电位梯度场、提高杂质吸附效率的重要作用，因此其材质要求具有疏松多孔且纳污容量大、极化率高、机械强度大等特点[18]。

由电动力学原理，根据泊松方程得：

式中：ε1为油液的相对介电常数；ρ为电场中电荷密度；∑4πε1ρEP2为杂质颗粒带电密度。

电场中的电荷密度ρ呈随机分布，所以上式所得到的电场也是随机分布的，在非均匀的梯度电场中，会加剧这种不均匀性。在该电场的作用下，污染物杂质会受到多种力的叠加作用。油中带电颗粒在非均匀电场中的受力分析如图3所示。

图3 带电粒子在电场中的受力分析模型Fig.3 The force analysis model for charged particles in electric field

各力的表达式如下：库仑力F1为

镜像力F2为

梯度力F3为

黏滞阻力F4为

粒子所受合力为

式中：k1、k2为常系数；μ为废油的动力黏度；v为垂直x方向的速度。

由式(8)可知，由于电场在与油流方向的垂直方向上梯度较大，颗粒所受合力增大，使其移动持续加速，吸附效率较均匀电场有大幅提升。

对于油中中性极性粒子，与带电粒子不同的是其在非均匀电场中仅受梯度力F3与黏滞阻力F4的共同作用，所受合力为

由式(9)可知，当施加一定的电场梯度与强度时，也能使中性杂质颗粒在油液中发生定向移动，从而被吸附去除。

基于上述对油中带电、中性极性杂质在非均匀电场中的受力分析，为了高效净化油液，在设置静电场时要使用梯度较大的非均匀电场。已有众多学者利用不同方法设计构造出非均匀电场静电吸附净油装置，论证发现有2 种构建非均匀电场的思路平行极板间填充绝缘集尘体和利用一定形状的电极。

1.1 平行极板间填充绝缘集尘体

由于集尘体的介电常数与油类不同，在净油时，将集尘体放置于均匀电场中，就能产生较大电场梯度。目前，集尘体由“W”折纸型逐渐发展成纤维或泡沫填充型，净化效率得到了提高[19]。净化效率表达式为

式中：N0为净化前100 mL 油中颗粒数；N为净化后100 mL 油中颗粒数。

日本KLEENTEK 工业公司对净油反应器进行了设计，其电极和集尘体结构如图4所示。该装置内用2 个平行极板做容器，并在其中填充绝缘折叠型集尘体，集尘体在电场中发生极化，使周围电场畸变，产生一定的梯度，这对带电或中性杂质颗粒都有去除作用。使用该净油装置对工作了3年的注塑机内的抗磨型液压油进行净化处理后发现，该方法甚至可以去除亚微米级的杂质颗粒[4]。

图4 电极和集尘体结构示意Fig.4 Structral diagram of the electrode and dust collector

杨晋夫等[20]利用带1 对平行极板的油盒研究了油中各种颗粒在电场中的运动，认为颗粒因碰撞而带电，在梯度电场力的作用下，产生足够的动量，被集尘体吸附。通过使用ZYF-A20 型静电净油机处理每百毫升15～25 μm 尺寸颗粒数为2×105的变压器油，净化1 h 后该范围颗粒数降至1×105，证实该静电净油机可有效降低油中杂质含量、去除微量水分、降低油品酸值、降低灰分百分比，在不影响油品抗老化等添加剂作用的同时提升油质。李太连[21]给绝缘油施加1 个均匀电场，并在其中放入1 个长直圆柱状电介质，柱外电场因此发生畸变，介质表面电场梯度与柱直径成反比，证明采用小尺寸纤维可以获得高梯度电场。通过理论推算，介电常数大于油的污染物迅速泳向电场梯度更大的电介质纤维，从而被吸附去除。试验表明，梯度电场静电净油技术对任意尺寸的污染物均有较好的吸附作用，是去除直径小于滤膜孔径杂质的有效方式，对于颗粒尺寸大于5 μm 的污染物，净化效率可达95%。赖晓燕[22]结合实际应用从静电净油机和平衡电荷式滤油机的原理和特点出发，探讨了2 种滤油机在水电站液压油站、火电厂透平系统润滑油上的应用，并介绍了2 种滤油机在实际应用中存在的问题，所用静电净油机内部结构如图5所示。使用静电净油机1 个月后，污染度由NAS10 级降到NAS5 级，证实其能有效去除油液中的亚微米级颗粒物，对设备内油泥、漆膜及胶质状污垢清洗剥离效果良好。

图5 静电净油机内部结构Fig.5 Inner structure of the electrostatic oil purifier

魏海侠等[23]利用静电净油器净化透平油，流程如图6所示，实际运行发现静电净油器可提高油压阀、油泵的运行可靠性，极大地提高了汽轮机及燃机的发电量和设备的运转周期。刘永松[24]通过对SJ-80 静电净油装置（图7）的分析，认为静电净油技术具有纳垢量大、处理杂质范围宽、过滤精度高等优点，尤其是该技术对微小颗粒的净化作用尤为明显，可净化颗粒直径达到0.1 mm，且通过静电净油能降低油液的酸值。

图6 油液净化流程Fig.6 The oil purification process

图7 SJ-80 静电净油装置示意Fig.7 Schematic diagram of SJ-80 electrostatic oil purifier

1.2 利用一定形状的电极

通过在具有不同形状和分布的电极阵列上施加电压，可以构造出空间上不均匀的电场[7]，从而使杂质颗粒在电泳及介电电泳力的作用下运动被吸附到集尘体脱除。

日本KLEENTEK 工业公司基于易制造和空间利用的角度，设计出圆筒形静电净油机，其中EOC-R 系列静电净油机广泛应用于液压油和润滑油的净化处理[25]。对于圆筒形净油机，如果绝缘液体本身（例如润滑油）包含促进电流产生的添加剂或部分水分，但为了提升效率，采用高强电场，极板间隔较小，易在极板间产生电流形成短路。对此，Kawasaki等人[26]设计的圆柱形净油机，在容器内以同轴关系布置多个圆柱形正负电极板（图8），从而形成了由最内电极板包围的最内室和在各个电极板之间形成的外室构成的多电场区域，以及分别布置在最内室和外室中的绝缘集尘体。集尘体分别成波纹状“之”字形布置。另外，在每个相邻的2 个极板元件之间等距设置了可拆卸的绝缘隔板。这种结构可在避免短路的同时提高收集效率，其净化效率是单一电场区域的2 倍。

图8 防短路圆筒形静电净油机内部示意Fig.8 Schematic diagram of internal structure of a shortcircuit-proof cylindrical electrostatic oil purifier

何海峰等[27]基于非均匀电场产生的原理，将静电净油装置的平板电极改造为“城垛”型电极（图9），并引入钛酸锶钡电介质瓷粉，采用固相法制得微结构、电性能适于净油的Ba0.7Sr0.3TiO3陶瓷，在此基础上研究了电场强度和净化时间对静电净油效果的影响。结果表明：Ba0.7Sr0.3TiO3瓷粉平均粒径为40 μm，在常温下介电常数约为10 000，远远超过油液，适于用作静电净油的电介质材料。可见，Ba0.7Sr0.3TiO3瓷粉的引入改善了净油环境和非均匀电场梯度，从而增强了净油装置对油液中Fe2O3的吸附，净化效率最高可达91.08%。

图9 “城垛”型电极静电净油装置示意Fig.9 Schematic diagram of the electrostatic oil cleaning equipment with a “battlement” type electrode

张德胜等[28]通过自主设计静电吸附体，将金属电极和纤维介质层层重叠，卷曲成柱状（图10），集尘介质选取相对介电常数小于油的高分子聚丙烯纤维，使纤维内部电场强度大于油相，利于杂质的吸附。净化处理废润滑油时，发现处理效果随电压增加而增强，但电压过大时，会对净油效果起反作用。这是由于电压过大时，电场会迅速增强，使杂质污物的内部电子产生碰撞，从而带上与之前相反电性电荷，部分被中和后会产生颗粒飞散现象。但在最佳工况（一定温度、时间、流速、电压）下，该装置处理效果明显，可将油液污染等级从NAS10级降至NAS6 级。

图10 交替叠加柱型静电反应装置示意Fig.10 Schematic diagram of the alternately stacked column type electrostatic reaction device

张晞等[19]从电磁场理论出发，分析了新型纤维集尘体在电场中的状况，指出纤维在电场中产生的梯度远高于“圆筒状”电极产生的梯度，因此对单根和多根纤维在电场中的影响进行电场特征理论分析，并通过正交试验得到了油液流速、电场强度、纤维填充量、纤维直径对净化效果的影响规律，得出电场强度和纤维填充率是影响净化效果的显著因素。

2 交流脉冲电场配合静电净油技术

工业用油中胶体杂质的尺寸小，且因其易吸附油分子而呈溶解于油中的现象[29]。故仅使用直流电场不能破坏吸附状态，胶体与油分子紧紧粘连，净油效果受到制约。随着电凝结技术在原油破乳领域的积极研究[30-33]，对于含水量较大的油品，采用直流电场破乳往往会由于水滴的链式排列而造成短路。为此，尝试使用交流电场进行电凝结，此时绝缘层上的电势损失较直流电场大幅降低，且由于分散于水中的离子没有足够的时间向电极移动，从而减少了电极腐蚀[34]。胶体杂质微粒多为极性物质，且往往带有一定的电荷，与油分子以多种构型方式吸附在一起。而工业用油是非极性分子，因此在杂质松弛极化[35-37]（建立时间约为10–2～10–9s）频率范围内，油分子不会发生明显的松弛极化。当胶体物质受到交流脉冲电场的作用时会产生转向极化[38]（极化时间约为10–10～10–2s），胶体物质沿电场方向转动，借此脱离油分子，结束吸附状态[39]。因此，交流脉冲电场在静电吸附净油领域也具有广阔前景。

假设交流电场中的中性杂质粒子是1 个球体，介质中的微粒受到的时均介电泳力为[40]：

式中：α为粒子的极化率；V为粒子体积；εp、εm分别为杂质颗粒和介质的介电常数；σp、σm分别为杂质颗粒和介质的电导率；fMW为区分电导率和介电常数的临界频率，表达式为

Alinezhad 等人[40]利用“线-筒”式反应器（图11）产生非均匀电场，利用带有尼龙涂层的电极（图7）研究了交流电下原油中水分的分离，分离效率最高可达87%，发现由于静电力的增加，水分离效率随电场强度增加而增加。这是因为“线-筒”式反应器中心处的电压梯度和电通量积聚更大，有效地提高了分离效率。此外，温度、水分含量和API 度的增加，均能使分离效率得到提升，这是因为温度升高降低了油品黏度，电场中液滴的极化增强和沥青质的数目减少使得油膜更易破碎。

图11 “线-筒”式静电反应器示意Fig.11 Schematic diagram of the “wire-cylinder”electrostatic reactor

经过交流脉冲电场的作用，胶体微粒与油分子虽能脱离吸附的状态，但仍与油混合在一起，没有达到空间上的分离。杨宁等[39]通过对脏污变压器油的分析，首次提出对脏污变压器油利用直流叠加高频交流脉冲放电的方式进行净化。高压直流电场的参与，使脱离吸附状态的胶体微粒在电场作用下向极板运动。平行板式反应装置上的试验表明，此方法能将变压器油介质损耗因数从净化前的3.50%降至0.49%，适用于过滤难以净化的胶体微粒。米彦等[41]通过分析脏污变压器油，在直流脉冲复合电场的基础上利用实验和理论计算的方式确定了净油的理想脉冲波形，证明了处于松弛极化频率范围内的双极性时变电场可以将溶油胶体杂质和油分子分离，提升了静电净油的效果及品质。周龙翔等[42]根据净油实验的需要设计了直流脉冲叠加电路，选择将集尘体置于板-板电场的中间位置，设计了可循环反应器，该工作模式反应器净化脏污变压器油的实验效果较好。双极性微秒指数衰减脉冲能使油中的胶体杂质粒子与变压器油分子，因极化反应不同而脱离吸附状态，同时在直流电场的作用下朝梯度更大的集尘体迁移从而被吸附去除，处理后的变压器绝缘油的介质损耗、酸值和击穿电压等指数均有效降低，适用范围更广。

3 结论与展望

1）本文综述了静电净油技术的最新研究进展，根据现有研究，使用静电吸附技术进行油液净化具有其独特的优势。静电吸附技术可以去除油中粒径1 μm 以下的颗粒污染物，甚至可以清除粒径0.05 μm的微小颗粒，收集效率基本上不受尺寸的影响；可以分离出油中的水和气泡，并能有效去除胶体氧化物。

2）本文简单介绍了静电净油系统中发生的电泳和介电电泳反应，并着重描述了这些反应对净油的影响。利用非均匀电场和具有吸附能力的集尘体，不仅大大增加了油品的净化程度，同时也为多工序分级分类处理废油提供了新的手段和思路。然而，由于其特有的电路结构，对油中水分的含量有较高的要求，需与其他净油方式联用，且由于是侧流吸附，油液流经速度较慢。这些特点限制了静电净油的使用条件。

3）为提高净油设备的性能，应使其具有高稳定性、高净化率、快速吸附和宽使用范围。同时，低成本、高性能、高自动化的静电净油机可作为净油工序的重要组成部分。集尘体材料的吸脱附性能，以及产生高电场梯度的性质也需进一步研究。此外，对非均匀电场的构造设计及直流、交流脉冲电场结合使用，将进一步拓宽其使用条件。