液体静电
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流体在流动、搅拌、沉降、过滤、摇晃、喷射、飞溅、冲刷、灌注等过程中都可能产生静电。这种静电常常能引起易燃液体和可燃液体的火灾和爆炸。因此，研究液体的静电是非常重要的。 1.在液体介质中产生静电的几种形式 （1）流动带电 液体在流动中的摩擦带电是工业生产中 颇为常见的一种静电带电形式。如汽油、航空煤油等低电导率的轻质油品在管线中输送时，又如苯通过有滤网的漏斗倒入试瓶时，甚至在用蘸有汽油的棉纱洗涤金属或衣物时都有静电发生。 （2）喷射带电 当液体从管口喷出后在与空气接触时，它将被分散成许许多多的小液滴。较大的液滴很快地沉降，而另外一些微小的液滴停滞在空气中形成雾状的小液滴云，带有大量的电荷。例如水或甲醇在高压喷出后形成的雾状小液滴就带大量电荷而形成电荷云。 （3）冲击带电 当液体从管口喷出后遇到器壁或挡板的阻碍时，飞溅起的小液滴同样会在空间形成电荷云。例如汽油经过顶部管口注入到储油或罐或油槽车的过程中，油柱下落时对器壁发生冲击，引起飞沫、雾滴而带电。 （4）沉降带电 当在绝缘液体中，例如在轻质油品中含有固体颗粒杂质或水分，且这些颗粒或凝聚成的大水滴向下沉降时，也有静电产生。 2.液体介质静电起电机理 （1）液体与固体界面偶电层的形成 液体与固体界面处偶电层的形成是一个相当复杂的化学过程。形成偶电层的直接原因是正、负离子的转移。偶电层上的电位差通常称为电动电位或 ζ 电位。一般认为，液体在固体表面的电荷层由两部分组成：一部分是紧贴在固体表面的电荷层称为紧密层，该层厚度只相当于一个分子直径的数量级，其所带电荷与界面上固体一侧的电荷符号相反；另一部分的电荷与紧密层电荷符号相反，其厚度则为分子直径的几十倍至几百倍，称为扩散层。 如图 1所示为液体在管道内流动时静电荷的分布情况。固体界面上是一层正电荷，在液体中紧密层内是负电荷，而在扩散层内也是正电荷。如图所示，正电荷随着液体流动形成液流电流（或冲流电流）。冲流电流的大小在数值上等于单位时间内通过管道横截面的电量。在图 1所示的情况下，冲流电流与液体的流动方向相同。如果管道是接地，在冲流电流流动过程中，接地的途径上也有相应的电流流过。如果管道是由绝缘材料制成或者是对地绝缘，则在管道上会积累大量的静电。 图 1 液体在管道内流动时静电荷的分布情况 进一步研究表明：在液体层内除按电荷分布情况可将液体层分为紧密层和扩散层外，还可根据液体层的流速分布情况将其划分为固定层及流动液层两部分，如图 2所示。
图 2 偶电层的模型 上述的偶电层所形成的电场方向是由固体表面指向扩散层。从固体表面至扩散层末端的电位差在化学中称为热力学电位，用 φi表示φi= ε ζ 式中 ε———固定层电位； ζ———流动液层电位。 偶电层电位变化曲线如图 3所示。 图 3 偶电层电位变化曲线 （2）液体-气体界面的起电 水和其他液体在喷雾和发泡时能产生大量的静电和较高的电动电位。它的起电原理和液体在管道中流动产生的静电不完全一样。 ① 液、气间的偶电层都位于接近气体的液体表面之下。 ② 带电是由于从表面剥出的微小液滴而产生的，这些带电粒子产生于很薄的表面层里。 ③ 当水滴破碎时，大小不等的水滴相比较，小水滴带负电，大水滴带正电。 ④ 利用喷雾法得到半径数量级大约为微米级的小液滴，对这些小液滴进行测量后发现：同样大小的液滴带正电和带负电的数目，就平均而言是相等的，即所谓的小液滴对称带电。对小液滴的对称带电可以这样解释：最初，离子均匀地分布在液体中，如果液体分裂成无规则的小液滴而进到气体中后，就形成了具有相同数目的正、负离子。表 1给出了使水溶液喷雾所得到的正、负总电荷量。 表 1 使水溶液喷雾所得到的正、负总电荷量 单位：相对量
在生产过程中，因液体喷雾造成重大事故的案例是很多的。如由于针形阀开度较小，汽油就曾因喷雾而发生过引燃事故。液体在高压下由喷嘴喷出时，静电不仅会产生在喷嘴处的固-液偶电层上，同时也会由于分裂液体而产生在汽油雾中。另外如用高压水冲洗油轮油舱时，在国外曾发生过多起油轮爆炸事故。在这些事例中，将因液体与固体快速接触、分离而产生静电外，液体在与容器壁碰撞而使其分裂、雾化过程中产生的静电也是重要原因之一。 3.影响液体静电产生的几个因素 （1）液体所含杂质对静电产生量的影响 实验结果表明，非常纯净的高度精炼的石油产品在管道内流动时是不容易带电的。这是因为液体之所以带电是因为在液体内存在着已离解的正、负离子，而一般的石油轻油制品的分子是无极分子，因此，这类分子一般都不能直接电离。液体中的离子主要来源于 其中所含的杂质，当这些杂质离解时就产生了正、负离子。如果在轻油中存在胶体杂质，例如水分子，它就可以吸附自由离子而成为带电质点。在生产中常见到这样的现象，当油品中含有少量水时，水在沉降过程中很容易带电，甚至能引起静电事故。由表2中可以看出，往 JP-5燃油中加入不同量的沥青杂质会明显改变其带电状态。 表 2 加入沥青杂质对带电的影响
通过实验还发现在液体中加入杂质过多时，液体也不容易产生静电，这是由于随着杂质的增多，液体电导率较大，静电容易泄漏的缘故。杂质除可改变液体的带电程度外，有时甚至可以改变带电的极性，如有时在往油槽车装油的过程中会发现数次静电极性的改变。 （2）液体电阻率对静电产生量的影响 在一定范围内静电产生量随电阻率的增加而增大，但达到某一数值后，它又随着电阻率值的增加而减小，实验结果指出，电阻率为 1011Ω·m 的液体最容易产生静电；而电阻率小到 108Ω·m 的液体由于其静电泄漏较强，因此不容易积累静电；若电阻率大到超过1013Ω·m 时，又由于所含离子少，所以带电也很难。由于石油制品和苯的电阻率多数在 1010～ 1012Ω·m 之间，故其静电危险性很大。从图 4可以清楚地看出电阻率对油品带电的影响。 如果在石油成品中加入化学药剂，则可改变其电阻率，并测得电阻率对在管道中流动的油品的冲流电流值也有明显的影响。如图 5所示为在喷气燃料 JP-4中加入药剂后测得的电阻率与冲流电流的函数关系曲线。 （3）管道材料和管道内壁状况对液流电流的影响 管线材质对管线中流动的液体所产生的液流电流的影响是不可忽略的。实验指出，同种液体流过金、银、钯、硼酸玻璃、玻璃钢等管道时，其静电的产生量仅有微小差别，但由于上述材质的电阻率差异很大，因此对其静电的消散却有显著的影响，从而 明显影响液流电流的大小。图 6给出了某液体流经不同材质管道时所产生的液流电流情况。除管道材质的影响外，管道内壁的粗糙程度对液流电流也有影响。实验结果表明，内壁越粗糙，静电产生量越大。 （4）水分的影响 如前所述，当高阻的油品中含有水分时，水虽然不会与油品直接作用使静电增加，但是会与油品中的杂质起作用从而间接影响油品的带电量。 实验结果表明，当油品中混入水分在 1% ～ 5% 时，其静电产生量最多，静电危险性也越大。 （5）管路几何形状及容器尺寸的影响 注油管（鹤管）管口形状对静电产生有很大影响。例如，45°斜口圆筒管头比平圆筒管头产生的静电量要少得多。这主要是因为液体流经平圆筒管头处时，同斜口管头相比，液体被分散的程度要强烈得多。容器的尺寸对静电产生量也有影响。一般说来，在其他条件相同的情况下，大容器的液面静电电压较高。 （6）过滤器的影响 过滤器会大大增加接触和分离的强度，更换不同的过滤器，可使液体静电的电压增加十几倍甚至近百倍，有时还可以改变静电电荷的极性。 （7）流速和管径的影响 流速和管径对液体静电有很大影响。饱和的液流电流 I∞ 可写成如下形式I∞=KvαDβ 式中 K———决定于液体及管道性质的系数； v———液体流速； D———管道内径； α———流速影响系数； β———管径影响系数。 其中 α、β 之值不是常量，它是与管径大小，流体材质等 多种因素有关的量。 （8）流体流动状态的影响 实验指出，流动的液体由层流变为湍流时，其带电量会有显著的增加。其理由是，当液体 图 7 不同流动状态下流速的分布 处于湍流状态时，一方面是由于增大了液体分子热运动和相互碰撞，可能产生新的空间电荷；另一方面因速度梯度的变化，使得在偶电层的扩散层处流速变大，因此会使液流中带有更多的电量。层流与湍流的液体在管道内的速度分布规律有着明显的差别，如图 7所示。层流时速度分布曲线呈抛物线形；湍流时管线中靠近管壁处有较大的速度梯度。 |
