超聲波輻照下W/O乳狀液中水滴的聚并特性

羅小明，王洪萍，何利民，閆海鵬

(中國石油大學 儲運與建筑工程學院，山東 青島 266580)

超聲波輻照下W/O乳狀液中水滴的聚并特性

羅小明，王洪萍，何利民，閆海鵬

(中國石油大學 儲運與建筑工程學院，山東 青島 266580)

超聲波輻照使W/O乳狀液中水滴產(chǎn)生位移效應，水滴向波腹或波節(jié)運動、聚集，并發(fā)生碰撞及聚并。采用顯微高速攝像系統(tǒng)結合圖像處理技術對水滴的聚并行為進行了拍攝和分析。結果表明，超聲波的機械振動削減W/O乳狀液的油-水界面膜強度，促進水滴聚并。水滴在聚并前作類正弦振蕩運動，在超聲波聲強4.89 W/cm2、頻率20 kHz、油-水界面張力13.62 mN/m的實驗條件下，W/O乳狀液中粒徑200～400 μm的水滴振蕩劇烈，聚并效果最好。超聲波聲強、頻率，W/O乳狀液的水滴粒徑、油相黏度、油-水界面張力顯著影響W/O乳狀液中水滴的振蕩頻率和聚并時間。隨著超聲波聲強的增大，水滴聚并時間減小；隨著超聲波頻率的增大，水滴聚并時間增大；隨著水滴粒徑、油相黏度的減小，水滴振蕩頻率增大，聚并時間減小；隨著油-水界面張力的減小，水滴振蕩頻率先增大后減小，聚并時間先減小后增大。

超聲波輻照；油中水滴；聚并；界面膜強度

原油中的天然乳化劑和開采時加入的表面活性劑吸附在油-水界面，形成具有一定強度的黏彈性膜，增大了油-水界面能，給分散水滴的聚并造成了動力學障礙[1]。超聲波破乳主要是利用超聲波的機械振動和熱作用，強化油中水滴的碰撞與聚并，從而加速油、水兩相分離[2]。目前，對液滴聚并的研究在電場領域較為活躍。在油-水乳狀液中，界面膜是影響聚結的主要因素，其強度越高，對液滴聚結的阻力就越大，越不利于聚結[3]。Eow等[4]認為，膜破裂的臨界厚度小于0.1 μm，重力和邊界層的抽吸作用加速液膜排出。Lukyanets等[5]研究表明，界面膜的存在時間與電場力成反比，并由液滴變形和液膜排液兩個過程決定。液滴在電場中的聚結方式有偶極聚結、電泳聚結、振蕩聚結、介電泳聚結等，Williams等[6]認為，電場作用下液滴聚結是電泳與偶極聚結共同作用的結果。Eow等[7]認為，偶極聚結是交流電場與直流電場中液滴發(fā)生靜電聚結的根本原因。而對液滴在超聲波輻照下的聚并特性的研究相對較少，對超聲波破乳的研究主要集中在參數(shù)優(yōu)化以及破乳效果評價等方面。Schoeppel等[8]研究了超聲波輻照對原油乳狀液絮凝和分離的作用，發(fā)現(xiàn)長時間低強度和短時間高強度的超聲波輻照對乳狀液絮凝均有較好的效果。Nii等[9]對超聲波破乳過程進行了微觀研究，通過觀察乳狀液絮凝物的形成及浮升過程來研究其分離機制，并定量分析了超聲波功率和輻照時間對破乳效果的影響。孫寶江等[10-11]指出，超聲波的破乳效果主要取決于水滴的位移效應，并考察了聲強、頻率、輻照時間對破乳效果的影響，認為破乳聲強應控制在空化閾值以下，最佳破乳頻率應控制在21～41 kHz。韓萍芳等[12-13]、Ye等[14-15]考察了超聲波頻率、聲強、輻照時間等對破乳效果的影響，指出聲強是最重要的影響因素。在本研究中，筆者采用微觀實驗研究了超聲波參數(shù)和油、水物性對水滴聚并的影響規(guī)律，為超聲波破乳的機理研究奠定了基礎。

1 W/O乳狀液中水滴運動聚并理論

超聲波破乳主要是利用位移效應和碰撞效應，促使水滴不斷向波腹或波節(jié)運動、碰撞，進而聚并為大粒徑水滴，并在重力作用下與油相分離，如圖1所示[11]。

在W/O乳狀物中，水滴間界面膜的強度是影響聚結的重要因素。這層膜的存在時間由變薄和破裂2個過程決定。通常情況下，連續(xù)相膜在重力作用下排液、變薄。當界面膜的厚度減小到大約0.1 μm時，其他界面作用力會影響排液過程；范德華力加速排液過程，而雙電層斥力減小排液速度。界面膜進一步變薄會導致其呈亞穩(wěn)態(tài)，此時來自外部的干擾，如溫度波動、機械振動，會導致界面膜失穩(wěn)，甚至破裂[16]。較高的乳化劑含量也會導致較低的破乳速率，乳狀液中液滴表面排液過程如圖2所示。超聲波的機械振動作用一方面可以使油中的石蠟、膠質(zhì)、瀝青質(zhì)等天然乳化劑分散均勻，增加其溶解度；另一方面又可降低油-水界面膜強度，加速液膜排液過程，從而促進水滴的聚并。

圖2 液滴表面排液示意圖

2 超聲波破乳的實驗系統(tǒng)與實驗介質(zhì)

實驗系統(tǒng)由超聲波發(fā)生器、透明實驗樣槽、顯微高速攝像系統(tǒng)、LED冷光源以及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)組成，如圖3所示。超聲波發(fā)生器的功率范圍為0～0.44 kW，對應的聲強在0～5.87 W/cm2范圍，超聲波振子頻率有20、28、40 kHz。實驗樣槽由透明有機玻璃制造，超聲波振子粘合在實驗樣槽側面，在樣槽中產(chǎn)生水平駐波場。顯微高速攝像系統(tǒng)由高速攝像儀(NAC Hotshot 1280)與顯微鏡頭(放大比100)組成，拍攝幀數(shù)為1000 f/s，可精確記錄微米級液滴的運動聚并過程。LED冷光源提供微觀高速攝像所需的高強光線，同時可減小光源發(fā)熱導致的液滴布朗運動。

圖3 超聲波破乳的實驗系統(tǒng)

以2種不同黏度的白油作為連續(xù)相，其油相物性參數(shù)見表1；以蒸餾水為分散相，通過添加表面活性劑(十二烷基苯磺酸鈉)來改變油-水界面張力。實驗溫度恒定為20.0℃。實驗時在樣槽中加入油品，用微量移液器將蒸餾水注入油相中，使水分散成微米級水滴，施加超聲波，采用顯微高速攝像系統(tǒng)進行同步拍攝記錄，利用圖像處理軟件處理并分析水滴的聚并特性。水滴運動坐標軸如圖3(a)所示，其原點位于樣槽中心位置，x方向為坐標軸水平方向，y方向為坐標軸豎直方向。

表1 制備油包水乳狀液用的油相的物性參數(shù)(20℃)

3 超聲波輻照下W/O乳狀液中水滴的聚并特性

圖4為頻率20 kHz、聲強1.96 W/cm2超聲波輻照下，拍攝的1#白油-蒸餾水制備的W/O乳狀液中粒徑450、400 μm水滴對的聚并過程。將左水滴命名為水滴1，右水滴命名為水滴2。將兩水滴之間液膜破裂的時刻定義為聚并開始時刻，兩水滴聚并為1個正圓形水滴的時刻定義為聚并結束的時刻，兩時刻的差值為聚并時間。在0 ms時刻，兩水滴相互接觸；至4945 ms，其相對位置沒有發(fā)生明顯變化；4946 ms時刻，兩水滴間的液膜發(fā)生破裂，水滴開始聚并；至5006 ms，聚并為1個正圓形水滴，聚并結束，聚并時間為60 ms。

圖4 超聲波輻照下W/O乳狀液中水滴對的聚并過程

圖5為頻率20 kHz、聲強1.96 W/cm2超聲波輻照下該W/O乳狀液中粒徑450、400 μm水滴對聚并過程x、y方向的位移。兩水滴x方向位移之差為兩水滴x方向中心間距l(xiāng)x，兩水滴y方向位移之差為兩水滴y方向中心間距l(xiāng)y。從圖5可以看出，水滴x、y方向均作線性運動，伴隨小幅度的振動；x方向相互吸引靠近，y方向在自身重力的作用下豎直向下運動，x、y方向中心間距呈線性減小。

圖5 1.96 W/cm2超聲波輻照下W/O乳狀液中水滴對聚并過程的位移

4 超聲波輻照下W/O乳狀液中水滴聚并的影響因素

4.1 超聲波聲強的影響

圖6 4.89 W/cm2超聲輻照下W/O乳狀液中水滴對聚并過程的位移

圖7 不同聲強超聲波輻照下W/O乳狀液中水滴聚并過程中中心間距的變化

圖8為頻率20 kHz、不同聲強超聲波輻照下該W/O乳狀液中不同粒徑水滴的聚并時間。從圖8可以看出，隨著聲強的增大，水滴的聚并時間逐漸減小。這是由于聲強越大，超聲波輻照產(chǎn)生的作用力越大，水滴振蕩越劇烈，超聲波對油-水界面膜強度的削減程度越大，從而使得水滴更容易聚并，聚并時間縮短。另外，隨著水滴粒徑的增大，水滴聚并時間增加。

圖8 不同聲強超聲波輻照下W/O 乳狀液中不同粒徑水滴的聚并時間

4.2 超聲波頻率的影響

圖9為聲強4.89 W/cm2、不同頻率超聲波輻照下該W/O乳狀液中粒徑400 μm水滴聚并過程的中心間距變化。從圖9可以看出，超聲波頻率為20 kHz時，水滴中心間距呈類正弦變化；超聲波頻率為28 kHz、40 kHz時，水滴中心間距呈線性變化。由此可見，超聲波對水滴作用的最佳頻率為20 kHz。

圖9 不同頻率超聲波輻照下W/O乳狀液中水滴聚并過程的中心間距變化

圖10為聲強4.89 W/cm2、不同頻率超聲波輻照下該W/O乳狀液中粒徑400 μm水滴的聚并時間。從圖10可以看出，隨著超聲波頻率的增大，水滴的聚并時間增大。這是由于超聲波頻率越高，對水滴正負壓間歇作用的時間間隔越短，水滴所受超聲波振蕩作用越小，水滴變形度越小，從而越不容易聚結。且隨著油-水界面張力的減小，水滴聚并時間先減小后增大。當油-水界面張力為13.62 mN/m時，水滴聚并時間最短，聚并效果最好。

圖10 不同頻率超聲波輻照下W/O乳狀液中水滴的聚并時間

4.3 水滴粒徑的影響

圖11為頻率20 kHz超聲波輻照下該乳狀液中不同粒徑水滴的振蕩頻率和聚并時間，圖11(a)中采用的超聲波聲強為4.89 W/cm2。從圖11可以看出，水滴粒徑在200～400 μm范圍時，隨著粒徑的減小，水滴的振蕩頻率逐漸增大，聚并時間逐漸減小。這是由于隨著粒徑的減小，水滴受到的超聲波正負壓間歇作用越顯著，水滴的伸縮振蕩越劇烈，水滴變形度大，從而越容易聚并。

圖11 不同聲強超聲波輻照下W/O乳狀液中不同粒徑水滴的振蕩頻率和聚并時間

4.4 油相黏度的影響

圖12為頻率20 kHz、聲強4.89 W/cm2的超聲輻照下不同黏度油相形成的W/O乳狀液中水滴的振蕩頻率和聚并時間。從圖12可以看出，隨油相黏度的減小，水滴的振蕩頻率增大，聚并時間減小。這是由于油相黏度越小，水滴運動過程所受的黏滯阻力越小，水滴振蕩越劇烈，界面膜強度的削減程度越大，從而導致水滴振蕩頻率增大，聚并時間減小。

圖12 超聲波輻照下不同黏度油相形成的W/O乳狀液中水滴的振蕩頻率和聚并時間

4.5 油-水界面張力的影響

圖13為頻率20 kHz、聲強4.89 W/cm2的超聲波輻照下不同油-水界面張力W/O乳狀液中粒徑400 μm水滴聚并過程的中心間距。從圖13可以看出，油-水界面張力為13.62 mN/m時，水滴聚并過程的中心間距變化顯著，呈類正弦規(guī)律。

圖14為頻率20 kHz、聲強4.89 W/cm2的超聲波輻照下不同油-水界面張力W/O乳狀液中粒徑400 μm水滴的振蕩頻率和聚并時間。從圖14可以看出，隨著油-水界面張力的減小，水滴的振蕩頻率增大，聚并時間減小。油-水界面張力為13.62 mN/m時，水滴振蕩頻率最大，聚并時間最短；油-水界面張力繼續(xù)減小，水滴振蕩頻率減小，聚并時間增大。這是由于較小的油-水界面張力有利于水滴聚并，當油-水界面張力減小到一定值時，體系能量顯著下降，水滴達到穩(wěn)定狀態(tài)。而且，隨著表面活性劑含量的增加，水滴吸附在油-水界面上形成界面膜，當界面膜強度很大時，反而不利于水滴的聚并。由此可見，油-水界面張力為13.62 mN/m時，水滴聚并效果最好。

圖13 超聲波輻照下不同油-水界面張力W/O乳狀液中水滴聚并過程中的中心間距

圖14 超聲波輻照下不同油-水界面張力W/O乳狀液中水滴的振蕩頻率和聚并時間

5 結 論

(1) 超聲波的機械振動削減了W/O乳狀液的油-水界面膜強度，促進水滴聚并。水滴在聚并前作類正弦振蕩運動，在超聲波聲強4.89 W/cm2、頻率20 kHz、油-水界面張力13.62 mN/m的實驗條件下，粒徑在200～400 μm范圍的水滴振蕩劇烈，聚并效果最好。

(2) 超聲波聲強、頻率，W/O乳狀液中水滴粒徑，油相黏度，油-水界面張力顯著影響W/O乳狀液中水滴的振蕩頻率和聚并時間。隨著超聲波聲強的增大，水滴聚并時間減小；隨著超聲波頻率的增大，水滴聚并時間增大；隨著水滴粒徑、油相黏度的減小，水滴振蕩頻率增大，聚并時間減小；隨著油-水界面張力的減小，水滴振蕩頻率先增大后減小，聚并時間先減小后增大。

符號說明：

D——水滴粒徑，μm；t——水滴聚并時間，ms；

f——水滴振蕩頻率，Hz；x——水滴水平方向位移，μm；

f0——超聲波頻率，kHz;xc——水平方向偏移量，ms；

I——超聲波場強度，W/cm2；y——水滴豎直方向位移，μm；

l——水滴中心間距，μm；y0——豎直方向偏移量，μm；

lx——水滴水平方向中心間距，μm；σ——油水界面張力，mN/m。

ly——水滴豎直方向中心間距，μm；

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Ei 對中英文摘要的要求

摘要應包含正文的要點，一般來說，應該包含研究目的、研究方法、得到的結果和最后的結論4部分。寫英文摘要時，不能因為某些內(nèi)容不好翻譯就棄掉要點；摘要應盡量簡潔，盡可能刪掉課題研究的背景信息；摘要中出現(xiàn)的數(shù)據(jù)應該是最重要、最關鍵的數(shù)據(jù)；不需要自己標榜自己的研究結果；二次文獻信息將脫離原文而獨立存在，因此摘要中不能出現(xiàn)圖表數(shù)據(jù)；摘要中的內(nèi)容應在正文中出現(xiàn)，摘要不能對原文進行補充和修改；摘要中的縮寫名稱在第1次出現(xiàn)時要有全稱；摘要中的句子應盡量簡短，主謂語要搭配。

Coalescence Characteristics of Water Droplets in W/O Emulsion Under Ultrasonic Irradiation

LUO Xiaoming，WANG Hongping，HE Limin，YAN Haipeng

(CollegeofPipelineandCivilEngineering,ChinaUniversityofPetroleum，Qingdao266580，China)

Under ultrasonic irradiation, the displacement effect of water droplets in W/O emulsion occurred. The water droplets moved to the wave loop or wave node, then gathered and collided into one. The coalescence characteristics of water droplets in W/O emulsion under ultrasonic irradiation were analyzed by using microscopic high-speed camera system combined with image processing technology. The results indicated that ultrasonic mechanical vibration could reduce the oil-water interfacial film strength, thus promoted the coalescence of droplets in W/O emulsion, and the water droplets took the similar sine oscillation movement before coalescence. Under ultrasonic intensity of 4.89 W/cm2and ultrasonic frequency of 20 kHz, the water droplets with 200-400 μm diameters in the W/O emulsion with 13.62 mN/m interfacial tension took severe oscillation movement with the best coalescence effect. The oscillation frequency and coalescence time of water droplets were mainly affected by ultrasonic intensity, ultrasonic frequency, droplet size, oil viscosity and oil-water interfacial tension. With the increase of ultrasonic intensity, the coalescence time of water droplets decreased. With the increase of ultrasonic frequency, the coalescence time of water droplets increased. With the decrease of droplet size and oil viscosity, the oscillation frequency of water droplets increased and the coalescence time decreased. With the decrease of oil-water interfacial tension, the oscillation frequency of water droplets increased to the maximum and then decreased, while the change of coalescence time was inverse.

ultrasonic irradiation; water droplet in oil; coalescence; interfacial film strength

2014-01-17

國家自然科學基金項目(51274233)和山東省自然科學基金項目(ZR2014EEM045)資助

羅小明，男，副教授，博士，從事多相流動與多相分離技術研究；E-mail：luo-xiaoming@163.com

1001-8719(2015)03-0803-09

TE624

A

10.3969/j.issn.1001-8719.2015.03.028