工業用油靜電凈化技術研究

孫墨杰，趙 威，張振業，邵志君，劉建軍，宋曉晨

（1.東北電力大學化學工程學院，吉林 吉林 132000；2.吉林省一機分離機械制造股份有限公司，吉林 吉林 132000；3.東北電力大學機械工程學院，吉林 吉林 132000）

隨著我國工業的迅猛發展，石油產品的消耗量逐漸上升，無論是大部分機械的潤滑裝置與液壓傳動系統，還是充油電氣設備，都要使用相對應的石油產品[1-2]。油品質量直接影響到設備的安全運行，而油液在運輸、儲存和加入系統時往往已被污染[3]，并且隨著系統的運行，純凈的油品也會逐漸劣化，造成設備故障，危害安全運行。為了在注入設備前或運行后凈化油品，開發了各種類型的凈油機。由于一些設備對油液品質要求嚴格，因此須使用較高精度的凈油儀器。目前，越來越流行使用精度為3 μm 和1 μm 的精細過濾器[4]，然而污染問題仍層出不窮。這是因為聚合油氧化產物和固體顆粒一樣有害，并且聚合油氧化產物粒徑是分子量級的，不能被機械移除[5-6]。為了有效解決這個問題，油液的靜電凈化法應運而生，并成為近年來國內外的研究熱點。

1 單一高壓直流電場靜電凈油技術

利用高壓靜電場吸附空氣中的粉塵已有百余年的歷史。基于靜電吸附原理，將靜電場應用于油液的凈化逐漸走到人們的視野中。早期靜電凈油機一般由2 塊平行極板和固定在極板上的集塵體構成[7-8]，利用靜電發生器在極板間產生高壓靜電場，使油中因碰撞、摩擦等原因帶電的污染物顆粒，朝與自身帶相反電性的極板方向移動，最終被集塵體吸附，從而克服常規濾芯難以去除1 μm 以下顆粒的缺點，達到深度凈化的目的。當施加1 個高壓靜電場時，由于油中帶電粒子在液體中的優先吸附及可解離基團在粒子表面的解離，液體中的粒子通常帶正電或負電，可在電場作用下運動[9]。油中帶電粒子在均勻電場的運動如圖1所示。

圖1 均勻電場中粒子運動Fig.1 Motions of particles in a uniform electric field

油中帶電粒子運動速度Vp[8]為

式中：α為油品介電常數與顆粒表面電荷的乘積；E為電場強度；η為油品黏度。

由公式(1)可以看出，油中帶電粒子的運動速度與所施加的電場強度呈正比，因此采用均勻電場工作模式的凈油機對油中帶電顆粒雜質有一定的去除效果，且可通過增加電場強度的方式提高顆粒運動速度及吸附效率。但油中也存在很多中性粒子，在均勻電場作用下會極化，粒子內部正負電荷中心分離，但正負電荷中心受到方向相反大小相同的電場力，不會發生電泳運動。因此，對于中性雜質粒子而言，平行極板構造的均勻電場對其去除效果有限，對凈油不利。而當凈油機采用梯度電場時，極化后正負電荷中心受到大小不同的電場力，粒子朝電場強度、梯度更大的方向移動（圖2），更有利于凈油。

圖2 中性粒子受到的梯度力Fig.2 The gradient force working on neutral particles

基于上述分析，研究人員開始利用電場分布非均勻的梯度電場，使中性粒子在電場中定向移動，進而被集塵體吸附。這個現象被稱為介電電泳（DEP），特指微粒在非均勻電場中的遷移[10-13]。DEP 是由微粒中感應的偶極子與電場之間的相互作用引起的。“正DEP”對應于遷移進入強電場，而“負DEP”則相反[14]。微粒所受介電電泳力的大小和方向取決于微粒和介質的介電性能。假設中性雜質粒子是1 個球體，它在非均勻電場中受到的電場力[15]為

式中：Fe為顆粒所受梯度電場力；R為顆粒半徑；ε1為油的相對介電常數；ε2為顆粒的相對介電常數；E為外加直流電場強度；為顆粒所處位置的電場強度幾何梯度。

從式(2)可知，對于油中某特定待去除的中性雜質顆粒，所受介電電泳力只與電場強度和梯度有關，提高兩者的數值均可使介電電泳力增大[16-17]。在靜電吸附系統中，集塵體在吸附污染物雜質中還起著產生電位梯度場、提高雜質吸附效率的重要作用，因此其材質要求具有疏松多孔且納污容量大、極化率高、機械強度大等特點[18]。

由電動力學原理，根據泊松方程得：

式中：ε1為油液的相對介電常數；ρ為電場中電荷密度；∑4πε1ρEP2為雜質顆粒帶電密度。

電場中的電荷密度ρ呈隨機分布，所以上式所得到的電場也是隨機分布的，在非均勻的梯度電場中，會加劇這種不均勻性。在該電場的作用下，污染物雜質會受到多種力的疊加作用。油中帶電顆粒在非均勻電場中的受力分析如圖3所示。

圖3 帶電粒子在電場中的受力分析模型Fig.3 The force analysis model for charged particles in electric field

各力的表達式如下：庫侖力F1為

鏡像力F2為

梯度力F3為

黏滯阻力F4為

粒子所受合力為

式中：k1、k2為常系數；μ為廢油的動力黏度；v為垂直x方向的速度。

由式(8)可知，由于電場在與油流方向的垂直方向上梯度較大，顆粒所受合力增大，使其移動持續加速，吸附效率較均勻電場有大幅提升。

對于油中中性極性粒子，與帶電粒子不同的是其在非均勻電場中僅受梯度力F3與黏滯阻力F4的共同作用，所受合力為

由式(9)可知，當施加一定的電場梯度與強度時，也能使中性雜質顆粒在油液中發生定向移動，從而被吸附去除。

基于上述對油中帶電、中性極性雜質在非均勻電場中的受力分析，為了高效凈化油液，在設置靜電場時要使用梯度較大的非均勻電場。已有眾多學者利用不同方法設計構造出非均勻電場靜電吸附凈油裝置，論證發現有2 種構建非均勻電場的思路平行極板間填充絕緣集塵體和利用一定形狀的電極。

1.1 平行極板間填充絕緣集塵體

由于集塵體的介電常數與油類不同，在凈油時，將集塵體放置于均勻電場中，就能產生較大電場梯度。目前，集塵體由“W”折紙型逐漸發展成纖維或泡沫填充型，凈化效率得到了提高[19]。凈化效率表達式為

式中：N0為凈化前100 mL 油中顆粒數；N為凈化后100 mL 油中顆粒數。

日本KLEENTEK 工業公司對凈油反應器進行了設計，其電極和集塵體結構如圖4所示。該裝置內用2 個平行極板做容器，并在其中填充絕緣折疊型集塵體，集塵體在電場中發生極化，使周圍電場畸變，產生一定的梯度，這對帶電或中性雜質顆粒都有去除作用。使用該凈油裝置對工作了3年的注塑機內的抗磨型液壓油進行凈化處理后發現，該方法甚至可以去除亞微米級的雜質顆粒[4]。

圖4 電極和集塵體結構示意Fig.4 Structral diagram of the electrode and dust collector

楊晉夫等[20]利用帶1 對平行極板的油盒研究了油中各種顆粒在電場中的運動，認為顆粒因碰撞而帶電，在梯度電場力的作用下，產生足夠的動量，被集塵體吸附。通過使用ZYF-A20 型靜電凈油機處理每百毫升15～25 μm 尺寸顆粒數為2×105的變壓器油，凈化1 h 后該范圍顆粒數降至1×105，證實該靜電凈油機可有效降低油中雜質含量、去除微量水分、降低油品酸值、降低灰分百分比，在不影響油品抗老化等添加劑作用的同時提升油質。李太連[21]給絕緣油施加1 個均勻電場，并在其中放入1 個長直圓柱狀電介質，柱外電場因此發生畸變，介質表面電場梯度與柱直徑成反比，證明采用小尺寸纖維可以獲得高梯度電場。通過理論推算，介電常數大于油的污染物迅速泳向電場梯度更大的電介質纖維，從而被吸附去除。試驗表明，梯度電場靜電凈油技術對任意尺寸的污染物均有較好的吸附作用，是去除直徑小于濾膜孔徑雜質的有效方式，對于顆粒尺寸大于5 μm 的污染物，凈化效率可達95%。賴曉燕[22]結合實際應用從靜電凈油機和平衡電荷式濾油機的原理和特點出發，探討了2 種濾油機在水電站液壓油站、火電廠透平系統潤滑油上的應用，并介紹了2 種濾油機在實際應用中存在的問題，所用靜電凈油機內部結構如圖5所示。使用靜電凈油機1 個月后，污染度由NAS10 級降到NAS5 級，證實其能有效去除油液中的亞微米級顆粒物，對設備內油泥、漆膜及膠質狀污垢清洗剝離效果良好。

圖5 靜電凈油機內部結構Fig.5 Inner structure of the electrostatic oil purifier

魏海俠等[23]利用靜電凈油器凈化透平油，流程如圖6所示，實際運行發現靜電凈油器可提高油壓閥、油泵的運行可靠性，極大地提高了汽輪機及燃機的發電量和設備的運轉周期。劉永松[24]通過對SJ-80 靜電凈油裝置（圖7）的分析，認為靜電凈油技術具有納垢量大、處理雜質范圍寬、過濾精度高等優點，尤其是該技術對微小顆粒的凈化作用尤為明顯，可凈化顆粒直徑達到0.1 mm，且通過靜電凈油能降低油液的酸值。

圖6 油液凈化流程Fig.6 The oil purification process

圖7 SJ-80 靜電凈油裝置示意Fig.7 Schematic diagram of SJ-80 electrostatic oil purifier

1.2 利用一定形狀的電極

通過在具有不同形狀和分布的電極陣列上施加電壓，可以構造出空間上不均勻的電場[7]，從而使雜質顆粒在電泳及介電電泳力的作用下運動被吸附到集塵體脫除。

日本KLEENTEK 工業公司基于易制造和空間利用的角度，設計出圓筒形靜電凈油機，其中EOC-R 系列靜電凈油機廣泛應用于液壓油和潤滑油的凈化處理[25]。對于圓筒形凈油機，如果絕緣液體本身（例如潤滑油）包含促進電流產生的添加劑或部分水分，但為了提升效率，采用高強電場，極板間隔較小，易在極板間產生電流形成短路。對此，Kawasaki等人[26]設計的圓柱形凈油機，在容器內以同軸關系布置多個圓柱形正負電極板（圖8），從而形成了由最內電極板包圍的最內室和在各個電極板之間形成的外室構成的多電場區域，以及分別布置在最內室和外室中的絕緣集塵體。集塵體分別成波紋狀“之”字形布置。另外，在每個相鄰的2 個極板元件之間等距設置了可拆卸的絕緣隔板。這種結構可在避免短路的同時提高收集效率，其凈化效率是單一電場區域的2 倍。

圖8 防短路圓筒形靜電凈油機內部示意Fig.8 Schematic diagram of internal structure of a shortcircuit-proof cylindrical electrostatic oil purifier

何海峰等[27]基于非均勻電場產生的原理，將靜電凈油裝置的平板電極改造為“城垛”型電極（圖9），并引入鈦酸鍶鋇電介質瓷粉，采用固相法制得微結構、電性能適于凈油的Ba0.7Sr0.3TiO3陶瓷，在此基礎上研究了電場強度和凈化時間對靜電凈油效果的影響。結果表明：Ba0.7Sr0.3TiO3瓷粉平均粒徑為40 μm，在常溫下介電常數約為10 000，遠遠超過油液，適于用作靜電凈油的電介質材料。可見，Ba0.7Sr0.3TiO3瓷粉的引入改善了凈油環境和非均勻電場梯度，從而增強了凈油裝置對油液中Fe2O3的吸附，凈化效率最高可達91.08%。

圖9 “城垛”型電極靜電凈油裝置示意Fig.9 Schematic diagram of the electrostatic oil cleaning equipment with a “battlement” type electrode

張德勝等[28]通過自主設計靜電吸附體，將金屬電極和纖維介質層層重疊，卷曲成柱狀（圖10），集塵介質選取相對介電常數小于油的高分子聚丙烯纖維，使纖維內部電場強度大于油相，利于雜質的吸附。凈化處理廢潤滑油時，發現處理效果隨電壓增加而增強，但電壓過大時，會對凈油效果起反作用。這是由于電壓過大時，電場會迅速增強，使雜質污物的內部電子產生碰撞，從而帶上與之前相反電性電荷，部分被中和后會產生顆粒飛散現象。但在最佳工況（一定溫度、時間、流速、電壓）下，該裝置處理效果明顯，可將油液污染等級從NAS10級降至NAS6 級。

圖10 交替疊加柱型靜電反應裝置示意Fig.10 Schematic diagram of the alternately stacked column type electrostatic reaction device

張晞等[19]從電磁場理論出發，分析了新型纖維集塵體在電場中的狀況，指出纖維在電場中產生的梯度遠高于“圓筒狀”電極產生的梯度，因此對單根和多根纖維在電場中的影響進行電場特征理論分析，并通過正交試驗得到了油液流速、電場強度、纖維填充量、纖維直徑對凈化效果的影響規律，得出電場強度和纖維填充率是影響凈化效果的顯著因素。

2 交流脈沖電場配合靜電凈油技術

工業用油中膠體雜質的尺寸小，且因其易吸附油分子而呈溶解于油中的現象[29]。故僅使用直流電場不能破壞吸附狀態，膠體與油分子緊緊粘連，凈油效果受到制約。隨著電凝結技術在原油破乳領域的積極研究[30-33]，對于含水量較大的油品，采用直流電場破乳往往會由于水滴的鏈式排列而造成短路。為此，嘗試使用交流電場進行電凝結，此時絕緣層上的電勢損失較直流電場大幅降低，且由于分散于水中的離子沒有足夠的時間向電極移動，從而減少了電極腐蝕[34]。膠體雜質微粒多為極性物質，且往往帶有一定的電荷，與油分子以多種構型方式吸附在一起。而工業用油是非極性分子，因此在雜質松弛極化[35-37]（建立時間約為10–2～10–9s）頻率范圍內，油分子不會發生明顯的松弛極化。當膠體物質受到交流脈沖電場的作用時會產生轉向極化[38]（極化時間約為10–10～10–2s），膠體物質沿電場方向轉動，借此脫離油分子，結束吸附狀態[39]。因此，交流脈沖電場在靜電吸附凈油領域也具有廣闊前景。

假設交流電場中的中性雜質粒子是1 個球體，介質中的微粒受到的時均介電泳力為[40]：

式中：α為粒子的極化率；V為粒子體積；εp、εm分別為雜質顆粒和介質的介電常數；σp、σm分別為雜質顆粒和介質的電導率；fMW為區分電導率和介電常數的臨界頻率，表達式為

Alinezhad 等人[40]利用“線-筒”式反應器（圖11）產生非均勻電場，利用帶有尼龍涂層的電極（圖7）研究了交流電下原油中水分的分離，分離效率最高可達87%，發現由于靜電力的增加，水分離效率隨電場強度增加而增加。這是因為“線-筒”式反應器中心處的電壓梯度和電通量積聚更大，有效地提高了分離效率。此外，溫度、水分含量和API 度的增加，均能使分離效率得到提升，這是因為溫度升高降低了油品黏度，電場中液滴的極化增強和瀝青質的數目減少使得油膜更易破碎。

圖11 “線-筒”式靜電反應器示意Fig.11 Schematic diagram of the “wire-cylinder”electrostatic reactor

經過交流脈沖電場的作用，膠體微粒與油分子雖能脫離吸附的狀態，但仍與油混合在一起，沒有達到空間上的分離。楊寧等[39]通過對臟污變壓器油的分析，首次提出對臟污變壓器油利用直流疊加高頻交流脈沖放電的方式進行凈化。高壓直流電場的參與，使脫離吸附狀態的膠體微粒在電場作用下向極板運動。平行板式反應裝置上的試驗表明，此方法能將變壓器油介質損耗因數從凈化前的3.50%降至0.49%，適用于過濾難以凈化的膠體微粒。米彥等[41]通過分析臟污變壓器油，在直流脈沖復合電場的基礎上利用實驗和理論計算的方式確定了凈油的理想脈沖波形，證明了處于松弛極化頻率范圍內的雙極性時變電場可以將溶油膠體雜質和油分子分離，提升了靜電凈油的效果及品質。周龍翔等[42]根據凈油實驗的需要設計了直流脈沖疊加電路，選擇將集塵體置于板-板電場的中間位置，設計了可循環反應器，該工作模式反應器凈化臟污變壓器油的實驗效果較好。雙極性微秒指數衰減脈沖能使油中的膠體雜質粒子與變壓器油分子，因極化反應不同而脫離吸附狀態，同時在直流電場的作用下朝梯度更大的集塵體遷移從而被吸附去除，處理后的變壓器絕緣油的介質損耗、酸值和擊穿電壓等指數均有效降低，適用范圍更廣。

3 結論與展望

1）本文綜述了靜電凈油技術的最新研究進展，根據現有研究，使用靜電吸附技術進行油液凈化具有其獨特的優勢。靜電吸附技術可以去除油中粒徑1 μm 以下的顆粒污染物，甚至可以清除粒徑0.05 μm的微小顆粒，收集效率基本上不受尺寸的影響；可以分離出油中的水和氣泡，并能有效去除膠體氧化物。

2）本文簡單介紹了靜電凈油系統中發生的電泳和介電電泳反應，并著重描述了這些反應對凈油的影響。利用非均勻電場和具有吸附能力的集塵體，不僅大大增加了油品的凈化程度，同時也為多工序分級分類處理廢油提供了新的手段和思路。然而，由于其特有的電路結構，對油中水分的含量有較高的要求，需與其他凈油方式聯用，且由于是側流吸附，油液流經速度較慢。這些特點限制了靜電凈油的使用條件。

3）為提高凈油設備的性能，應使其具有高穩定性、高凈化率、快速吸附和寬使用范圍。同時，低成本、高性能、高自動化的靜電凈油機可作為凈油工序的重要組成部分。集塵體材料的吸脫附性能，以及產生高電場梯度的性質也需進一步研究。此外，對非均勻電場的構造設計及直流、交流脈沖電場結合使用，將進一步拓寬其使用條件。