Динамика водомасляной эмульсии в неоднородном высокочастотном электрическом поле

Аннотация

В статье представлены результаты лабораторного и численного моделирования поведения водомасляной эмульсии в неоднородном электрическом поле с целью изучения перспективности использования диэлектрофоретического эффекта для разделения жидких дисперсных сред. Задача рассмотрена в условиях нейтральной плавучести дисперсной фазы, когда динамика капельных включений определяется исключительно действием диэлектрофоретической силы. Неоднородное электрическое поле создавалось системой коаксиальных цилиндрических электродов. Эксперименты проведены в переменном электрическом поле с частотой 10 кГц, что позволило избежать проявления электрофоретических и электрокинетических явлений. В работе исследована как динамика отдельных капель, так и изменение содержания дисперсной фазы от времени в электрическом поле. Обнаружено, что капли воды всегда движутся в направлении градиента напряженности, аккумулируясь, в конечном итоге, на внутреннем электроде. Время достижения отдельной каплей внутреннего электрода существенно зависит от ее размера и начального расстояния до внутреннего электрода, величины действующего напряжения и диэлектрической проницаемости дисперсионной среды. Показано, что при выборе начального расстояния от капли до внутреннего электрода и общего времени движения капли в качестве единиц измерения текущего расстояния и времени, соответственно, результаты всех экспериментов образуют единую зависимость в указанных безразмерных переменных. В экспериментах обнаружено, что скорость разделения эмульсии увеличивается с ростом среднего размера капель, действующего напряжения, диэлектрической проницаемости дисперсионной среды и начальной концентрации капель. Показано, что в последнем случае зависимость обусловлена наличием случаев коалесценции капель, частота которых растет с увеличением концентрации. Результаты, полученные в ходе численного моделирования, находятся в хорошем количественном согласии с экспериментом. В заключение проводится сравнение результатов лабораторного и численного экспериментов, а также обсуждаются преимущества предложенного метода электро-дегидратации по сравнению с существующими подходами.