1.3　脉冲电场破乳机理

国内外学者对脉冲电场结聚脱水的机理有比较一致的看法：由于连续相（油）和分散相（水）的电导率相差很大，液滴被外电场极化，极化液滴通过碰撞在短时间内完成结聚。脉冲电场对液滴既有偶极结聚又有振荡结聚，这也是近些年来研究的热点。

（1）偶极结聚

Fernandez等根据静电场动力学理论，通过研究认为乳化液中的液滴被极化沿电场方向排列，液滴中的正负离子分别移向液滴的两端，液滴在外电场中被极化，形成偶极子，产生偶极矩，计算出电偶极矩方向在同一直线上的两电偶极子间的吸引力，并得出结论：两液滴间的吸引力与其半径的6次方成正比，与电场强度的平方成正比，与间距的4次方成反比，在吸引力的作用下发生偶极结聚^［34］。阎军等人通过建立二维“二分子”平面圆模型研究脉冲电场中两液滴偶极结聚的运动特性^［35］。Williams也是在二维“二分子”平面圆模型的基础上得出两偶极子在任意平面夹角状态下的引力方程，并通过理论分析得出结论：当两液滴的中心连线与电场方向夹角在0°～54.7°和125.3°～180°范围内，液滴是相互吸引的；当夹角为0°和180°时，吸引力最大；当夹角在54.7°～125.3°范围内，两液滴是相互排斥的^［36］。Eow 等人通过实验验证了Williams所得出的结论，并给出两球形液滴的二维相吸、排斥区域分布图^［37］。

众多学者对两极化液滴间的电场力及相互作用关注较多，尝试用数学模型对偶极结聚的电场力进行计算，并得到相关的结论，但作者认为存在以下问题。

①研究对象缺乏客观性。上述研究者在建立模型时，均假设油中的液滴是圆球形，而在实际的油液中，液滴除在一些特殊情况下不可能呈圆球形，一般是呈椭圆形^［38］。在场强不大时，圆球的假设带来的误差不大，但当场强很大时，液滴被拉长，那么，此时圆球的假设与实际的情况就相差甚远了。

②研究范围存在局限性。圆球偶极子模型分析双乳胶粒子的相互作用时，当两粒子的几何中心距离较远时，模型是适用的，但是当中心距离较小时，由于粒子表面极化电荷分布的变化，偶极子模型将不能满足问题的求解。

（2）振荡结聚

①场强对振荡结聚的影响。脉冲电场的场强作为影响液滴振荡结聚的一项重要的电场参数，众多学者也给予了更多关注。周文俊等通过研究电场中偶极子吸引力，得出结论：吸引力与场强的平方成正比，即场强越高，吸引力越大，越有利于液滴碰撞，结聚效果越好^［25］。但是，Taylor 在研究诱导电荷内部电场理论时，通过实验发现经诱导带电的液滴在场强达到某一值后，液滴的结聚效果明显下降，大液滴发生发散现象^［39］。甘琴容等通过实验发现当液滴在较强的脉冲电场下会发生形变，一端呈椭球状，另一端为尖端，并得出结论：场强越大，液滴的变形也就越大^［40］。Eow和Ghadiri通过实验观察了液滴在脉冲电场中的变化情况，发现油中的液滴随场强的增大逐渐被拉长，当场强越过某值时，液滴被拉裂，形成两个液滴，这与Taylor的实验是一致的，并从理论上定义电场力学术语We（韦伯数），也是度量液滴稳定性的电场参数，同时给出了液滴破裂时长短轴比值的临界范围^［41］。Woo-Taeg Kwon等通过实验得到，提高电场强度会提高破乳效率^［42］。Nishiwaki等认为，在高电场下当电场力大于表面张力所产生的回复力时液滴便破裂成更小的液滴^［43］。从上述的研究情况来看，目前主要是通过实验观察的方式进行研究，从理论角度探讨电场强度对振荡结聚影响的研究较少。

②脉冲频率对振荡结聚的影响。电场的脉冲频率对液滴振荡结聚有着重要的影响。我国的学者和油田研究人员对脉冲电场脱水做了大量的工作，具有代表性的理论为：复合驱乳状液在高压电场下会发生短路，电场消失短路就消失，不同含水量的乳状液短路形成时间和短路消失时间也不同。通过调整高频脉冲的频率和占空比，使高频脉冲输出时间小于短路形成时间，脉冲的间隔时间大于短路消失的时间^{［44，45］}。Bailes和Larkai的介电松弛理论认为当脉冲处最佳频率时，液滴在电场峰值完全被极化，液滴间的力最大，有最大数量的碰撞，结聚显著，且Bailes 通过实验提出最佳脉冲电场频率与最大平均界面电荷密度具有一致性^［46］。Charles与Mason提出了“过渡效应理论”，并在实验中也观察到最佳频率使液滴结聚更容易发生^［47］。刘百军等对方波电场、窄脉冲电场进行破乳研究，得出宏观结论：绝缘电极等效于RC电路，与RC串联电路有相同的规律，频率增加时，破乳效果下降是由于乳状液上电压下降的结果，这是脉冲电场破乳脱水具有最佳频率的原因^［48］。王连成等在P J Bailes 研究的基础上进一步提出对于使用绝缘电极的情况，乳状液和绝缘材料实际上构成了一个复合电介质，并认为在外电场作用下，作用力与外电场的频率有关，频率过低，由电容分配电压，电压与电容成反比，因乳状液的电容很大，所以分配的结果是作用在其上的电压很小，电场强度较小，作用力也小，不利于液滴的结聚；当频率过高时，液滴不能很好地响应外电场的变化，即极化效果不好，诱导电荷的带电量很小，电场力小，也不利于液滴的结聚，因此破乳存在最佳频率^［44］。T J Williams指出液滴在脉冲电场中随着脉冲频率“振动”，并具有一定的振幅，振幅随场强的增大而增大，“振动”的强度取决于电场频率，在某个的频率段，液滴“振动”最强烈，也最有利于液滴的结聚，所以，存在结聚最佳频率^［36］。此外，Ole-Morten Midtgård 等人采用静电场理论和电路分析的方法，通过模型数值计算分析出脉冲电场破乳器存在一个最佳开关频率和最佳占空比^［49］。

存在问题：

①尽管对液滴破裂的临界场强有研究，但对于液滴稳态变形动力学机理以及变形量的计算没有充分而深入地研究。

②对于液滴结聚频率有宏观上意义上的解释，但缺乏从动力学角度考察结聚的最佳频率的解释，对脉冲电场中乳胶粒子的振动特性及规律缺乏研究。

③在研究结聚场强和频率时均不可孤立地看待这两个电场参数，它们对最佳结聚都有重要的贡献，两者必定存在某种平衡，那么这种平衡关系是什么？故对于液滴结聚最佳场强和最佳频率认识不够深入。

④对于液滴结聚的最佳场强和最佳频率的控制缺乏研究。