2.3　施加电场的影响

在系统中出现主要结聚的机理也依赖于电场的类型。交流电场是使用最久远也是最普遍的结构，被广泛地应用于原油的破乳处理，而直流电场被应用于低含水量的精炼产品，直流脉冲电场加上绝缘电极被用于高含水量的乳化液中^［42］。

在电场中，水滴间的诱导电场力大概与水滴间距离的四次方成反比^［18］。当水滴间的距离减小时，其电场力急剧增加，直至距离很近时，范德华力才占有主要的地位。然而，电场力随水滴尺寸的平方的增加而增加。因此在大水滴结聚时，范德华力不是很明显^［28］。同时，在水滴内部的电场对于结聚不是很明显。结聚效率随着场强的增加而增加。

一般情况下，施加的场强为100V/mm^［44］。如果场强过高，各种水滴就会产生破裂现象^［25］。可确定的四种现象中有三种是归咎于电场力学，另一种属于流体力学。水滴可以在电场中变形成一条细线，在高电场下，当电场力大于表面张力所产生回复力时水滴便破裂成更小的水滴。上述结论被Nishiwaki^［52］等所支持，他们研究在60Hz的交变电场下聚乙烯（环氧丙烷）和水滴在二甲基硅氧烷中的变形。水滴稳定性条件由式（2.30）所示^［18］，

　　（2.30）

式中，E_c为水滴表面临界电场；为比例常数；λ为油/水界面张力。

液滴破裂的临界场强如式（2.31）所示^［42］，

　　（2.31）

如果超出临界电场E_c，界面变得不稳定，散布现象出现，产生很多适当的水滴，给出的E_c如式（2.32）所示^［16］。

　　（2.32）

这些方程基本相同，但在比例常数上存在差异。根据Miksis^［53］等的研究，水滴的形状由介电常数决定并给出无尺寸参数γ₀，如式（2.33）所示，

　　（2.33）

式中，ρ为质量密度；E₁为水滴内部电场；F为两表面间的吸引力。

对于足够大的γ₀，水滴基本呈球形。当其从无穷大减小时，水滴向场强方向伸展。首先，它变成一个扁平的椭球回转体。当其减得更小时，在ε₁＜ε_c时，它依然拉长并保持扁平椭圆回转体，ε_c是特定临界值。可是当ε₁＞ε_c时，水滴将生成两个相互指向钝角圆锥点，被称为Taylor圆锥^［54］。在实际的电介质中，电导率对于连续相和离散相的电荷分配影响很大。在低的应用频率时，电导率更为重要，因为电荷在电场变化区间里能够响应。在水滴表面偶极子的建立速度依赖于离散相的松弛时间。连续相的松弛时间反映水滴电荷的保持能力。根据电极间导电粒子的运动得出外部电路电流的表达式^［55］，表明把杂质颗粒从连续相中分离使用一个更小的电流是可行的。

在原油的脱盐脱水中，可以联合使用不同的电场形式^{［56，57］}，一般情况下，提高电场强度可提高分离效率^［58］。不过，结聚在过高的电场情况下会出现反作用。水滴的破裂，依赖于系统的物理及表面性质，如表面张力和流变能力。此外，系统作用的影响也不是一成不变的，因为粒子种类的变化、溶剂和使用不同的表面活性剂^［59］。因此，在有机溶液中水滴由电解质并被表面活性剂包裹，其结聚动力学必须系统地研究。

Hanai方程^［60］给出在低频下乳化液的介电常数与连续相的介电常数和分散相体积分数的关系。

　　（2.34）

当激励频率趋于零时，式（2.34）是一个限制条件。它也需要C_d≫C_c和C_d≫C_m。

式中，C_d为分散相的电导率；C_c为连续相的电导率；C_m为在低频下乳化液的有效电导率。这些条件对W/O型乳化液有效。在上述电导率条件下（C_d≫C_c，C_d≫C_m），如果介电常数被电导率替换，在低频条件下对于乳化液的电导率也有相同的表达式。

2.3.1　脉冲直流电场

Bailes和Larkai^［3，4］运用绝缘电极的脉冲直流电场得出结论，直流脉冲电场比交直流电场脱水更有效率。因此，便有了最佳频率的概念，最佳频率取决于电极封装层和连续相的介电特性。Bailes和Dowling^［61］得出具有绝缘电极直流脉冲电场对于液相分离是一种有效方法，结聚速度不仅由脉冲幅值而且还由它的形状和频率决定，它们都有一个最佳值。脉冲形式（方波、半波和三角波）的影响并不能被明确地表达出来，因为电极的绝缘性将直接影响着波形。实际上，当半波和三角波变为相同的形状时，电极也较大地削弱了这三种波形间的差异。对于给定的电压值，方波能产生最大的场强。通过分散相的场强可估算为^［11］：

　　（2.35）

式中，V_p 为有机玻璃表面诱导的电势；L_e为电极间距。

由碰撞产生的破裂和水链结构的变化速度由频率决定^{［3，4，62］}。Figueroa和Wagner^［12］在交流电场和直流电场中也得出不同的结果。在脉冲调制的直流电场中，分离速度和施加电场间是一个线性函数，尽管这个函数只适用于高频交流电场。利用显微镜，Taylor^［42］发现在0.1Hz低频脉冲下的一些重要影响，包括四个阶段：上升阶段（上升时间为t_r），在“on”的阶段（时间为t_on），下降阶段（时间为t_f），“off”阶段（时间为t_off）。方波脉冲有独立频率，并有确定的占空比^［41］（t_on与t_off的比值）。

在上升时间t_r过程中，水滴会立即响应，在结聚接触前，向临近的水滴靠拢^［42］。在保持得电的阶段（t_on），没有进一步的结聚被发现。但是当下降阶段运动和结聚又开始了。在“off”阶段，没有其他变化影响^［40］。

2.3.2　直流电场

用5～25kV的直流电场施加在裸露电极上，Hirato等^［63］发现破乳效率会随时间而线性增加，直到它达到60%～70%，而且破乳的初始速率和最大百分比会随施加电压的增大而增大。Bailes和Larkai^［3］认为稳定直流电场低效率分离源于通过绝缘油的电场和电流的泄漏。这个问题由界面极化引起的，并由Galvin^［19］详细描述。

2.3.3　交流电场

Hauertmann等^［64］认为绝缘电极下结聚效率的增加随场强和频率的增加而增加。然而，Abou-Nemeh等^［65］确定在1kHz的区域里在裸露电极下有一个理想电场电压。Taylor^［66］认为高压交流电场对离散相水滴的主要影响是由于水滴的极化导致水滴的变形、吸引。当施加直流电场时，会有不同的电泳方式，这些方式会促进水滴的碰撞率。此外，在交流电场中，这些乳化液的性质主要取决于原油的类型和化学添加剂。当水滴结聚有效时水链是不会建立的。