基于改变油液相对介电常数促进乳化油液滴结聚的方法

摘要

本发明涉及一种基于改变油液相对介电常数促进乳化油液滴结聚的方法，包括：1)根据油包水型乳化油液滴在脉冲电场中的非线性振动动力学模型，得到液滴变形振动振幅函数2)根据函数算式分析：与油液相对介电常数ε2成正比，说明在脉冲电场中液滴变形振动振幅会随着油液相对介电常数的增大而增大；3)在施加脉冲电场对油包水型乳化油进行破乳脱水之前，对油包水型乳化油进行增大油液相对介电常数的处理；4)使用脉冲电场法对油包水型乳化油进行破乳脱水。本发明可在现有脉冲电场破乳基础上进一步加快油包水型乳化油液滴粒径的结聚增大速度，提高破乳脱水效率；无需新设备设施的添置；函数算式提供了理论支持，增加了可实施性。

说明书

技术领域

本发明属于物理测量、测试技术领域，具体涉及一种基于改变油液相对介电常数促进乳化油液滴结聚的方法。

背景技术

目前，电场破乳脱水的方法及相关技术被广泛应用于W/O(油包水)型乳状液破乳脱水净化处理。根据国内外研究现状发现，脉冲电场法作为一种新型破乳脱水的方法，其基于油中乳化液滴一般为微小水滴，为极性介质，而油为非极性介质，在外电场中油中液滴将被极化，外电场对极化液滴产生电场力的原理，能够让油中的液滴相发生周期性伸缩变形振动，液滴界面膜机械强度降低，微小颗粒液滴在变形碰撞过程中发生结聚的机率大为增加，液滴粒度增大，从而易于从混合液中脱除。其中，高压单向脉冲方波电场以其瞬间电压高、结构简单、避免短路等优点而备受关注，通过提高外电场对油中极化液滴的电场力等，使破乳脱水的效果好、效率高，在电场破乳技术领域占有重要地位，但对应的设备设施的投入也较高。本发明是要提供一种有效的便利的促进油包水型乳化油液滴结聚的方法，也能达到提高破乳脱水效率的效果。

发明内容

针对现有技术，本发明要解决的技术问题是提供一种基于改变油液相对介电常数促进乳化油液滴结聚的方法，在现有脉冲电场破乳的基础上，能够进一步加快油包水型乳化油液滴的结聚增大速度，取得提高破乳脱水效率的效果，并通过函数算式提供理论支撑以增加方法的可实施性。

为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：

基于改变油液相对介电常数促进乳化油液滴结聚的方法，实现步骤包括：

1)根据油包水型乳化油液滴在脉冲电场中的非线性振动动力学模型，得到液滴变形振动振幅函数

其中：

ρ为水的密度，μ为油液动力黏度，R为液滴平均粒径，γ为油水界面张力，ε₂为油液相对介电常数，E为电场强度，ε₀为真空介电常数，ω₀为液滴振动固有频率，ω为脉冲电场频率；

2)分析步骤1)得到的液滴变形振动振幅函数得到与油液相对介电常数ε₂成正比的结论；

3)在施加脉冲电场对油包水型乳化油进行破乳脱水之前，对所述油包水型乳化油进行增大油液相对介电常数的处理；

4)使用脉冲电场法对油包水型乳化油进行破乳脱水。

通过本发明的步骤，可在现有脉冲电场破乳基础上进一步加快油包水型乳化油液滴粒径的结聚增大速度，提高破乳脱水的效率；并且该步骤包括函数算式推导，即得到了理论支撑，根据对函数算式分析可得，与油液相对介电常数ε₂成增函数关系，说明在脉冲电场中液滴变形振动振幅会随着油液相对介电常数的增大而增大，因为通过改变油液相对介电常数(电导率)，可提高外电场对油中极化液滴的电场力，根据液滴结聚机理，也就会加剧液滴在脉冲电场中的伸缩变形振动，液滴界面膜机械强度降低，微小颗粒液滴在变形振动过程中发生结聚的机率大为增加，从而提高液滴粒径的结聚增大速度，提高破乳脱水的效率。得到了理论支撑使本发明的可实施性更强，相比通过物理对比试验的方式来证明可实施性，大大减少了对比试验设备设施的投入、试验实施周期的消耗和参试人力的需求，节约了时间，节省了成本。

进一步完善上述技术方案，所述增大油液相对介电常数的处理为加入抗静电剂。

这样，处理方式简单、便利且有效，无需新设备设施的添置，就可在现有脉冲电场破乳基础上进一步提高破乳脱水效率。

进一步地，在所述油包水型乳化油中加入抗静电剂的质量分数为6ppm。用量少，成本低。

相比现有技术，本发明具有如下有益效果：

本发明通过简单、便利的方式，在现有脉冲电场破乳基础上进一步加快了油包水型乳化油液滴粒径的结聚增大速度，提高了破乳脱水的效率；无需新设备设施的添置；并且通过函数算式先证明了增大油液相对介电常数可加快脉冲电场中油包水型乳化油液滴结聚速度的可行性，为具体实施提供了理论支持，增加了可实施性，提高了方法使用人员的信心；相比通过物理对比试验的方式来证明其可行性的方式，大大减少了对比试验设备设施的投入、试验实施周期的消耗和参试人力的需求，节约了时间，节省了成本。

具体实施方式

下面对本发明的具体实施方式作进一步的详细说明。

通过物理对比试验方式的试验判定结果来说明本发明的基于改变油液相对介电常数促进乳化油液滴结聚的方法的可行性、正确性。

试验仪器：高压脉冲电源(可选用天津慧达电子原件厂生产)，电压输出范围为0～20kV，频率输出范围0～2000Hz，脉冲占空比10％～60％可调；Motic系列显微镜，具备四档放大倍数物镜，带有摄像拍照功能的数据采集装置；试验池，规格为48mm×46mm×20mm，材料为透明有机玻璃；纯铜电极，规格为48mm×20mm×2mm，电极间距20mm；数字示波器(可选美国泰克TDS1001C-SC型)，用于校正高压脉冲电源；磁力搅拌器；秒表、玻璃器皿、微量注射器等若干。

试验样品：为增大样本量，选择两种试验油样，分别为抚顺150SN基础油和南充基础油，将上述两种基础油分别准备两组，共四组。每组注入一定量的蒸馏水，加入少量span80(山梨糖醇酐油酸酯)，运用磁力搅拌器充分搅拌30min，配成含水体积百分数φ＝2％的W/O(油包水)型乳化油。含不同基础油的乳化油各选一组分别再加入质量分数为6ppm的抗静电剂(本试验选用Stadis450)，通过PGM-II介电常数测试仪，检测四组试验介质的油液相对对介电常数ε₂，试验介质的相关参数见表1。

表1试验介质的相关参数

可见，加入抗静电剂Stadis450后，对应的油液相对对介电常数ε₂增大为11.7和10.5，通过物理对比试验方式证明了加入抗静电剂可增大对应的油包水型乳化油的油液相对介电常数。

通过微量注射器对四组试验介质分别取样于玻璃器皿内，放入试验池中，在纯铜电极间施加高压脉冲电场，电场强度幅值选取200kV/m，脉冲占空比为50％，施加电场频率为10Hz，电场施加时间为10秒，然后分别利用显微镜随机进行观察(随机捕捉试验介质的若干区域)，并记录每组试验介质中液滴结聚后的平均粒径，得到四组试验介质在施加相同脉冲电场后，其中的液滴平均粒径R值，见表2。

表2四组试验介质的液滴平均粒径R(mm)

可见，未施加脉冲电场前，含相同基础油的乳化油试验介质的液滴平均粒径R值都是相同的，加入抗静电剂Stadis450对其它物理参数没有影响。

施加脉冲电场后，四组试验介质中的液滴平均粒径R值均明显增大，这是说明了脉冲电场法在乳化油破乳脱水中实施的可行性。同时可见，加入了抗静电剂Stadis450的两组试验介质的液滴平均粒径R值明显大于同基础油的另一组试验介质的液滴平均粒径R值，这样就通过物理对比试验方式证明了增大油液相对介电常数可以在脉冲电场破乳脱水的基础上进一步促进油包水型乳化油液滴结聚，在相同时间内液滴平均粒径R值更大，说明加快了油包水型乳化油液滴粒径的结聚增大速度，可有效实施用于提高破乳脱水的效率。

而通过根据油包水型乳化油液滴在脉冲电场中的非线性振动动力学模型，得到的液滴变形振动振幅函数

其中：

ρ为水的密度，μ为油液动力黏度，R为液滴平均粒径，γ为油水界面张力，ε₂为油液相对介电常数，E为电场强度，ε₀为真空介电常数，ω₀为液滴振动固有频率，ω为脉冲电场频率；

经算式分析可得出液滴变形振动振幅与油液相对介电常数成正比；说明在脉冲电场中液滴变形振动振幅会随着油液相对介电常数的增大而增大，这是因为油液相对介电常数(电导率)增大后，可提高外电场对油中极化液滴的电场力，根据液滴结聚机理，液滴变形振动振幅的增大就会使液滴界面膜机械强度进一步降低，微小颗粒液滴发生结聚的机率进一步增加，从而提高液滴粒径的结聚增大速度，提高破乳脱水的效率；这与物理对比试验方式证明的结果是一致的，说明了本发明的函数算式推导的正确性。这在未进行物理对比试验之前，如何有理论证明的支撑，就大大提高了未经物理对比试验而实施的可实施性，如果实施结果良好(与理论相符)，也就省去前期实施物理对比试验所需要投入的成本。本发明的基于改变油液相对介电常数促进乳化油液滴结聚的方法正确、可行。

本实施例的算式分析过程如下：

计算未加入抗静电剂Stadis450的抚顺150SN基础油乳化油的液滴变形振动振幅函数

已知：ρ＝998，μ＝31.94×10^-3，R＝0.30×10^-3，γ＝12×10^-3，ε₂＝3.1，E＝2×10⁵，ε₀＝8.8542×10^-12，ω＝10×2π，

通过算式

求得n＝0.0182，m＝0.0274；

进一步通过算式

求得f₀＝0.0398；

进一步通过算式

求得

对应的计算加入了抗静电剂Stadis450的抚顺150SN基础油乳化油的液滴变形振动振幅函数

已知：ε₂＝11.7，其它参数不变；求得n＝0.0687，m＝0.1034，f₀＝0.1451；并解得

可见，液滴变形振动振幅与油液相对介电常数成正比，液滴变形振动振幅随着油液相对介电常数的增大而增大。

同理，计算未加入抗静电剂Stadis450的南充基础油乳化油的液滴变形振动振幅函数

已知：ρ＝998，μ＝25.19×10^-3，R＝0.29×10^-3，γ＝5×10^-3，ε₂＝2.49，E＝2×10⁵，ε₀＝8.8542×10^-12，ω＝10×2π，

通过算式

求得n＝0.0273，m＝0.0511；

进一步通过算式

求得f₀＝0.0734；

进一步通过算式

求得

对应的计算加入抗静电剂Stadis450的南充基础油乳化油的液滴变形振动振幅函数

已知：ε₂＝10.5，其它参数不变；求得n＝0.1151，m＝0.2155，f₀＝0.2887；并解得

同样可见，液滴变形振动振幅与油液相对介电常数成正比，液滴变形振动振幅随着油液相对介电常数的增大而增大。

上述相关参数在对应的油品上均有介绍说明，另外相关参数除了在对应的油品上有介绍说明、电场强度和频率根据实际施加值确定外，还可以采用计算和设备检测等方式获取。如可采用运动黏度测定仪(可选大连北方分析仪器有限公司BF-03型)和密度测定仪(可选BF-18A型)，分别测定基础油在温度(T)为20℃时的运动黏度(v)和密度(ρ)，再计算其油液动力黏度μ＝v·ρ；采用界面张力仪(可选普惠公司JZY-180型)，可测得油水界面张力(γ)；采用介电常数测定仪(中西公司WRT27-AYJ型)，也可检测油液相对介电常数(ε₂)；可在显微镜下随机多处采点观察记录并计算液滴平均半径(R)。