乳狀液因其獨特的性質(zhì)在化工､日化等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用,同時乳液作為一種易引起環(huán)境污染的體系也日益得到重視[1]｡因此乳狀液的破乳過程是一個既有理論意義又具有應(yīng)用前景的研究課題｡

傳統(tǒng)的破乳方法一般有化學(xué)破乳和物理破乳兩種,存在能耗高､操作條件苛刻､效果欠佳､容易引起污染以及不具通用性等不足｡隨著膜科學(xué)技術(shù)的發(fā)展,一種新型破乳技術(shù)———微孔膜法得到了國內(nèi)外學(xué)者的關(guān)注,并對其進行了研究,取得了一定成果[2~6]｡前人的研究表明,膜法破乳相對于傳統(tǒng)破乳方法具有分離效率較高,能耗較低,操作費用低,不添加試劑污染原體系,裝置相對簡單,通用性較強等優(yōu)點｡但目前對于膜破乳的影響因素及基本規(guī)律的研究還不夠深入｡本文則是在前人研究工作的基礎(chǔ)上,對各種破乳的影響因素進行深入研究,為乳液的應(yīng)用和環(huán)境保護提供技術(shù)和理論基礎(chǔ)｡

1 實驗裝置及方法

圖1為實驗裝置圖｡實驗采用全透過的操作方式,即在透過壓作用下使乳液作全部透過膜,實現(xiàn)破乳｡

料液和透過液的液滴大小､粒徑分布以及透過液的含油量由Malvein激光粒度分析儀測定,液滴直徑用d_3,2表示｡破乳效果用透過液水相含油量Φ′(%)和透過液通量J[L/(m²·h)]表示｡實驗中定義相比為水相體積比油相體積｡實驗所用的膜是聚四氟乙烯膜(PTFE),膜孔徑分別為0.45μm､1.0μm和3.0μm,厚度為0.15mm,孔隙率為80%｡膜器結(jié)構(gòu)尺寸為5cm×5cm×1.7cm｡實驗所得乳液是以水-正丁醇為實驗體系,以0.1%十二烷基磺酸鈉為表面活性劑,用攪拌法制備得到的｡表面活性劑加在水相中,在2200~2400r/min的攪拌速度下,緩慢將油相倒入水相中,繼續(xù)攪拌15min左右即可制得乳液｡

1-料液罐;2-計量泵;3-壓力計;4-膜器;5,6-閥門;7-透過液貯罐;8-殘余液貯罐

2 實驗結(jié)果及討論

2.1 料液性質(zhì)

圖2為所得乳液的液滴直徑分布及含量圖｡可以看出,液滴平均直徑d_3,2在10μm以內(nèi)且分布很窄｡圖3給出了乳液液滴平均直徑隨時間變化的結(jié)果,由圖可知,在實驗的幾個小時范圍內(nèi),液滴直徑變化很小,這說明水-正丁醇體系制備的乳狀液有較好的穩(wěn)定性,經(jīng)過數(shù)小時也沒有發(fā)生聚合分相,乳狀液破壞的現(xiàn)象｡

2.2 膜通量隨時間的變化

圖4為0.45μm膜通量隨時間的變化曲線,可以看出,在實驗初始的前40min,透過液通量隨時間急劇下降,然后下降趨勢變緩,最后經(jīng)過大約4h后,通量達到穩(wěn)定狀態(tài)｡這是由于在實驗開始階段,在一定透過壓的作用下,料液中的水相以及少量的微小油滴通過膜孔,主要以水相為主,此時膜通量較大;隨著時間推移,逐漸在上腔室內(nèi)聚集油相,隨著油相量的增加更多的油滴被壓入膜孔,由于膜的親油性,油透過膜孔時受到比水大得多的親和力,從而導(dǎo)致通量下降｡同時隨著大量水相不斷透過膜孔,膜上側(cè)的油相逐漸變成主體相,油滴開始在膜表面粘附,潤濕在膜孔周圍及膜孔上｡此外,有些通過膜孔的油滴不斷地被截留在孔內(nèi),形成膜阻,從而使通量進一步降低,但此時降低得比較緩慢｡最后當(dāng)膜器上腔室完全穩(wěn)定,在壓力差作用下被帶走的油滴和被截留下的油滴達到平衡后,通量達到穩(wěn)定｡

2.3 透過壓對破乳效果的影響

圖5和圖6是針對不同油含量的乳液透過液通量隨透過壓的變化曲線｡對于純水,在200kPa范圍內(nèi),通量J與透過壓ΔP幾乎成正比關(guān)系;但壓差很高時,膜孔已經(jīng)是“飽和”透過狀態(tài),隨透過壓增大通量增加有限,從而開始變得緩慢｡對于乳狀液,隨著壓力差的增加,通量也呈增加趨勢,但比純水的通量低得多｡這是由于乳狀液中含有油相,而膜是親油性的,在一定的壓力下,操作穩(wěn)定后,在膜表面上方會形成一定濃度的有機層,導(dǎo)致料液透過膜時受阻｡對于不同相比料液制得的乳液,通量與壓力的關(guān)系基本趨于一致｡圖6是在一定的壓力下膜通量與相比的關(guān)系,從圖6可以看出,隨料液中相比的減小(油含量的增加),穩(wěn)定時膜孔阻力變大,從而通量變小｡

圖7和圖8為透過液下層水相中的含油量與透過壓的關(guān)系｡對于料液含油量不是很大的情況(如20%以內(nèi)),當(dāng)透過壓低于一定壓力(如180kPa)時,可以得到水相含油量小于100×10-6的透過液,達到很好的破乳效果｡其中對于料液含油量較低的情況(如5%以內(nèi)),透過壓不是很大的情況(低于180kPa),透過液水相的含油量小于50×10^-6｡這表明,用膜法破乳技術(shù)處理工業(yè)含油廢水具有很好的效果｡

不同相比的情況比較直觀,隨著相比的降低(即料液含油量的增加),相同壓力下透過液含油量呈增大的趨勢｡對于料液含油量極大的情況(如50%),透過液的含油量很大,遠遠超過100×10^-6,需要進一步的分離才能達到要求｡但可以看出,很穩(wěn)定的乳狀液通過膜以后也出現(xiàn)明顯的分相,有利于進一步分離｡

2.4 膜孔徑對破乳效果的影響

    圖9和圖10分別給出了膜孔徑對于破乳效果的影響｡從實驗結(jié)果可以看出,孔徑越大的膜破乳效果越好,3.0μm的膜在很小的透過壓下就可以達到1000L/(m²·h)以上的通量,并且在其中較小的壓差下,含油量也可以滿足要求｡但對于0.45μm的膜,完全是相反的情況,達到相同透過液含油量,需要的透過壓很大,而且通量上不去｡因此,在本實驗范圍內(nèi),孔徑越大越有利于破乳,宜選用較大孔徑的膜進行乳狀液的破乳,能耗低,分離效果好,而且通量大,易于放大｡