超声波辐照下W/O乳状液中水滴的聚并特性

罗小明，王洪萍，何利民，闫海鹏

(中国石油大学 储运与建筑工程学院，山东 青岛 266580)

超声波辐照下W/O乳状液中水滴的聚并特性

罗小明，王洪萍，何利民，闫海鹏

(中国石油大学 储运与建筑工程学院，山东 青岛 266580)

超声波辐照使W/O乳状液中水滴产生位移效应，水滴向波腹或波节运动、聚集，并发生碰撞及聚并。采用显微高速摄像系统结合图像处理技术对水滴的聚并行为进行了拍摄和分析。结果表明，超声波的机械振动削减W/O乳状液的油-水界面膜强度，促进水滴聚并。水滴在聚并前作类正弦振荡运动，在超声波声强4.89 W/cm2、频率20 kHz、油-水界面张力13.62 mN/m的实验条件下，W/O乳状液中粒径200～400 μm的水滴振荡剧烈，聚并效果最好。超声波声强、频率，W/O乳状液的水滴粒径、油相黏度、油-水界面张力显著影响W/O乳状液中水滴的振荡频率和聚并时间。随着超声波声强的增大，水滴聚并时间减小；随着超声波频率的增大，水滴聚并时间增大；随着水滴粒径、油相黏度的减小，水滴振荡频率增大，聚并时间减小；随着油-水界面张力的减小，水滴振荡频率先增大后减小，聚并时间先减小后增大。

超声波辐照；油中水滴；聚并；界面膜强度

原油中的天然乳化剂和开采时加入的表面活性剂吸附在油-水界面，形成具有一定强度的黏弹性膜，增大了油-水界面能，给分散水滴的聚并造成了动力学障碍[1]。超声波破乳主要是利用超声波的机械振动和热作用，强化油中水滴的碰撞与聚并，从而加速油、水两相分离[2]。目前，对液滴聚并的研究在电场领域较为活跃。在油-水乳状液中，界面膜是影响聚结的主要因素，其强度越高，对液滴聚结的阻力就越大，越不利于聚结[3]。Eow等[4]认为，膜破裂的临界厚度小于0.1 μm，重力和边界层的抽吸作用加速液膜排出。Lukyanets等[5]研究表明，界面膜的存在时间与电场力成反比，并由液滴变形和液膜排液两个过程决定。液滴在电场中的聚结方式有偶极聚结、电泳聚结、振荡聚结、介电泳聚结等，Williams等[6]认为，电场作用下液滴聚结是电泳与偶极聚结共同作用的结果。Eow等[7]认为，偶极聚结是交流电场与直流电场中液滴发生静电聚结的根本原因。而对液滴在超声波辐照下的聚并特性的研究相对较少，对超声波破乳的研究主要集中在参数优化以及破乳效果评价等方面。Schoeppel等[8]研究了超声波辐照对原油乳状液絮凝和分离的作用，发现长时间低强度和短时间高强度的超声波辐照对乳状液絮凝均有较好的效果。Nii等[9]对超声波破乳过程进行了微观研究，通过观察乳状液絮凝物的形成及浮升过程来研究其分离机制，并定量分析了超声波功率和辐照时间对破乳效果的影响。孙宝江等[10-11]指出，超声波的破乳效果主要取决于水滴的位移效应，并考察了声强、频率、辐照时间对破乳效果的影响，认为破乳声强应控制在空化阈值以下，最佳破乳频率应控制在21～41 kHz。韩萍芳等[12-13]、Ye等[14-15]考察了超声波频率、声强、辐照时间等对破乳效果的影响，指出声强是最重要的影响因素。在本研究中，笔者采用微观实验研究了超声波参数和油、水物性对水滴聚并的影响规律，为超声波破乳的机理研究奠定了基础。

1 W/O乳状液中水滴运动聚并理论

超声波破乳主要是利用位移效应和碰撞效应，促使水滴不断向波腹或波节运动、碰撞，进而聚并为大粒径水滴，并在重力作用下与油相分离，如图1所示[11]。

在W/O乳状物中，水滴间界面膜的强度是影响聚结的重要因素。这层膜的存在时间由变薄和破裂2个过程决定。通常情况下，连续相膜在重力作用下排液、变薄。当界面膜的厚度减小到大约0.1 μm时，其他界面作用力会影响排液过程；范德华力加速排液过程，而双电层斥力减小排液速度。界面膜进一步变薄会导致其呈亚稳态，此时来自外部的干扰，如温度波动、机械振动，会导致界面膜失稳，甚至破裂[16]。较高的乳化剂含量也会导致较低的破乳速率，乳状液中液滴表面排液过程如图2所示。超声波的机械振动作用一方面可以使油中的石蜡、胶质、沥青质等天然乳化剂分散均匀，增加其溶解度；另一方面又可降低油-水界面膜强度，加速液膜排液过程，从而促进水滴的聚并。

图2 液滴表面排液示意图

2 超声波破乳的实验系统与实验介质

实验系统由超声波发生器、透明实验样槽、显微高速摄像系统、LED冷光源以及数据采集系统组成，如图3所示。超声波发生器的功率范围为0～0.44 kW，对应的声强在0～5.87 W/cm2范围，超声波振子频率有20、28、40 kHz。实验样槽由透明有机玻璃制造，超声波振子粘合在实验样槽侧面，在样槽中产生水平驻波场。显微高速摄像系统由高速摄像仪(NAC Hotshot 1280)与显微镜头(放大比100)组成，拍摄帧数为1000 f/s，可精确记录微米级液滴的运动聚并过程。LED冷光源提供微观高速摄像所需的高强光线，同时可减小光源发热导致的液滴布朗运动。

图3 超声波破乳的实验系统

以2种不同黏度的白油作为连续相，其油相物性参数见表1；以蒸馏水为分散相，通过添加表面活性剂(十二烷基苯磺酸钠)来改变油-水界面张力。实验温度恒定为20.0℃。实验时在样槽中加入油品，用微量移液器将蒸馏水注入油相中，使水分散成微米级水滴，施加超声波，采用显微高速摄像系统进行同步拍摄记录，利用图像处理软件处理并分析水滴的聚并特性。水滴运动坐标轴如图3(a)所示，其原点位于样槽中心位置，x方向为坐标轴水平方向，y方向为坐标轴竖直方向。

表1 制备油包水乳状液用的油相的物性参数(20℃)

3 超声波辐照下W/O乳状液中水滴的聚并特性

图4为频率20 kHz、声强1.96 W/cm2超声波辐照下，拍摄的1#白油-蒸馏水制备的W/O乳状液中粒径450、400 μm水滴对的聚并过程。将左水滴命名为水滴1，右水滴命名为水滴2。将两水滴之间液膜破裂的时刻定义为聚并开始时刻，两水滴聚并为1个正圆形水滴的时刻定义为聚并结束的时刻，两时刻的差值为聚并时间。在0 ms时刻，两水滴相互接触；至4945 ms，其相对位置没有发生明显变化；4946 ms时刻，两水滴间的液膜发生破裂，水滴开始聚并；至5006 ms，聚并为1个正圆形水滴，聚并结束，聚并时间为60 ms。

图4 超声波辐照下W/O乳状液中水滴对的聚并过程

图5为频率20 kHz、声强1.96 W/cm2超声波辐照下该W/O乳状液中粒径450、400 μm水滴对聚并过程x、y方向的位移。两水滴x方向位移之差为两水滴x方向中心间距lx，两水滴y方向位移之差为两水滴y方向中心间距ly。从图5可以看出，水滴x、y方向均作线性运动，伴随小幅度的振动；x方向相互吸引靠近，y方向在自身重力的作用下竖直向下运动，x、y方向中心间距呈线性减小。

图5 1.96 W/cm2超声波辐照下W/O乳状液中水滴对聚并过程的位移

4 超声波辐照下W/O乳状液中水滴聚并的影响因素

4.1 超声波声强的影响

图6 4.89 W/cm2超声辐照下W/O乳状液中水滴对聚并过程的位移

图7 不同声强超声波辐照下W/O乳状液中水滴聚并过程中中心间距的变化

图8为频率20 kHz、不同声强超声波辐照下该W/O乳状液中不同粒径水滴的聚并时间。从图8可以看出，随着声强的增大，水滴的聚并时间逐渐减小。这是由于声强越大，超声波辐照产生的作用力越大，水滴振荡越剧烈，超声波对油-水界面膜强度的削减程度越大，从而使得水滴更容易聚并，聚并时间缩短。另外，随着水滴粒径的增大，水滴聚并时间增加。

图8 不同声强超声波辐照下W/O 乳状液中不同粒径水滴的聚并时间

4.2 超声波频率的影响

图9为声强4.89 W/cm2、不同频率超声波辐照下该W/O乳状液中粒径400 μm水滴聚并过程的中心间距变化。从图9可以看出，超声波频率为20 kHz时，水滴中心间距呈类正弦变化；超声波频率为28 kHz、40 kHz时，水滴中心间距呈线性变化。由此可见，超声波对水滴作用的最佳频率为20 kHz。

图9 不同频率超声波辐照下W/O乳状液中水滴聚并过程的中心间距变化

图10为声强4.89 W/cm2、不同频率超声波辐照下该W/O乳状液中粒径400 μm水滴的聚并时间。从图10可以看出，随着超声波频率的增大，水滴的聚并时间增大。这是由于超声波频率越高，对水滴正负压间歇作用的时间间隔越短，水滴所受超声波振荡作用越小，水滴变形度越小，从而越不容易聚结。且随着油-水界面张力的减小，水滴聚并时间先减小后增大。当油-水界面张力为13.62 mN/m时，水滴聚并时间最短，聚并效果最好。

图10 不同频率超声波辐照下W/O乳状液中水滴的聚并时间

4.3 水滴粒径的影响

图11为频率20 kHz超声波辐照下该乳状液中不同粒径水滴的振荡频率和聚并时间，图11(a)中采用的超声波声强为4.89 W/cm2。从图11可以看出，水滴粒径在200～400 μm范围时，随着粒径的减小，水滴的振荡频率逐渐增大，聚并时间逐渐减小。这是由于随着粒径的减小，水滴受到的超声波正负压间歇作用越显著，水滴的伸缩振荡越剧烈，水滴变形度大，从而越容易聚并。

图11 不同声强超声波辐照下W/O乳状液中不同粒径水滴的振荡频率和聚并时间

4.4 油相黏度的影响

图12为频率20 kHz、声强4.89 W/cm2的超声辐照下不同黏度油相形成的W/O乳状液中水滴的振荡频率和聚并时间。从图12可以看出，随油相黏度的减小，水滴的振荡频率增大，聚并时间减小。这是由于油相黏度越小，水滴运动过程所受的黏滞阻力越小，水滴振荡越剧烈，界面膜强度的削减程度越大，从而导致水滴振荡频率增大，聚并时间减小。

图12 超声波辐照下不同黏度油相形成的W/O乳状液中水滴的振荡频率和聚并时间

4.5 油-水界面张力的影响

图13为频率20 kHz、声强4.89 W/cm2的超声波辐照下不同油-水界面张力W/O乳状液中粒径400 μm水滴聚并过程的中心间距。从图13可以看出，油-水界面张力为13.62 mN/m时，水滴聚并过程的中心间距变化显著，呈类正弦规律。

图14为频率20 kHz、声强4.89 W/cm2的超声波辐照下不同油-水界面张力W/O乳状液中粒径400 μm水滴的振荡频率和聚并时间。从图14可以看出，随着油-水界面张力的减小，水滴的振荡频率增大，聚并时间减小。油-水界面张力为13.62 mN/m时，水滴振荡频率最大，聚并时间最短；油-水界面张力继续减小，水滴振荡频率减小，聚并时间增大。这是由于较小的油-水界面张力有利于水滴聚并，当油-水界面张力减小到一定值时，体系能量显著下降，水滴达到稳定状态。而且，随着表面活性剂含量的增加，水滴吸附在油-水界面上形成界面膜，当界面膜强度很大时，反而不利于水滴的聚并。由此可见，油-水界面张力为13.62 mN/m时，水滴聚并效果最好。

图13 超声波辐照下不同油-水界面张力W/O乳状液中水滴聚并过程中的中心间距

图14 超声波辐照下不同油-水界面张力W/O乳状液中水滴的振荡频率和聚并时间

5 结 论

(1) 超声波的机械振动削减了W/O乳状液的油-水界面膜强度，促进水滴聚并。水滴在聚并前作类正弦振荡运动，在超声波声强4.89 W/cm2、频率20 kHz、油-水界面张力13.62 mN/m的实验条件下，粒径在200～400 μm范围的水滴振荡剧烈，聚并效果最好。

(2) 超声波声强、频率，W/O乳状液中水滴粒径，油相黏度，油-水界面张力显著影响W/O乳状液中水滴的振荡频率和聚并时间。随着超声波声强的增大，水滴聚并时间减小；随着超声波频率的增大，水滴聚并时间增大；随着水滴粒径、油相黏度的减小，水滴振荡频率增大，聚并时间减小；随着油-水界面张力的减小，水滴振荡频率先增大后减小，聚并时间先减小后增大。

符号说明：

D——水滴粒径，μm；t——水滴聚并时间，ms；

f——水滴振荡频率，Hz；x——水滴水平方向位移，μm；

f0——超声波频率，kHz;xc——水平方向偏移量，ms；

I——超声波场强度，W/cm2；y——水滴竖直方向位移，μm；

l——水滴中心间距，μm；y0——竖直方向偏移量，μm；

lx——水滴水平方向中心间距，μm；σ——油水界面张力，mN/m。

ly——水滴竖直方向中心间距，μm；

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Ei 对中英文摘要的要求

摘要应包含正文的要点，一般来说，应该包含研究目的、研究方法、得到的结果和最后的结论4部分。写英文摘要时，不能因为某些内容不好翻译就弃掉要点；摘要应尽量简洁，尽可能删掉课题研究的背景信息；摘要中出现的数据应该是最重要、最关键的数据；不需要自己标榜自己的研究结果；二次文献信息将脱离原文而独立存在，因此摘要中不能出现图表数据；摘要中的内容应在正文中出现，摘要不能对原文进行补充和修改；摘要中的缩写名称在第1次出现时要有全称；摘要中的句子应尽量简短，主谓语要搭配。

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

国家自然科学基金项目(51274233)和山东省自然科学基金项目(ZR2014EEM045)资助

罗小明，男，副教授，博士，从事多相流动与多相分离技术研究；E-mail：luo-xiaoming@163.com

1001-8719(2015)03-0803-09

TE624

A

10.3969/j.issn.1001-8719.2015.03.028