以Span80為乳化劑制備煤油包水乳狀液的實(shí)驗(yàn)研究

姚志坤，阮 達(dá)，楊定邦，陳 韜，陳 曉

(西南民族大學(xué)化學(xué)與環(huán)境保護(hù)工程學(xué)院，四川 成都 610041)

以Span80為乳化劑制備煤油包水乳狀液的實(shí)驗(yàn)研究

姚志坤，阮 達(dá)，楊定邦，陳 韜，陳 曉

(西南民族大學(xué)化學(xué)與環(huán)境保護(hù)工程學(xué)院，四川 成都 610041)

為了制備能夠模擬乳狀液膜分離過程中使用的模型乳狀液，以Span80作為乳化劑利用高速攪拌乳化法制備了含有內(nèi)水相化合物的煤油包水乳狀液.考察了內(nèi)水相化合物種類及濃度、攪拌轉(zhuǎn)速、攪拌時(shí)間、乳化劑濃度、含水率等因素對(duì)乳狀液的靜置沉降穩(wěn)定性的影響，同時(shí)確定了內(nèi)水相化合物為NaOH時(shí)乳狀液的相轉(zhuǎn)變點(diǎn).實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:以NaOH作為內(nèi)水相化合物時(shí)，最佳乳化條件為:NaOH濃度0.25 mol·L-1，Span80濃度3 g·L-1，含水率45%，攪拌轉(zhuǎn)速14000 rpm，攪拌時(shí)間2 min，所得乳狀液在2 h內(nèi)的靜置沉降穩(wěn)定性可達(dá)88%以上；控制其他條件不變，當(dāng)NaOH濃度為0.25 mol·L-1時(shí)，相應(yīng)的其相轉(zhuǎn)變點(diǎn)含水率為55%，而當(dāng)NaOH濃度為下降到0.02 mol·L-1時(shí)，相應(yīng)的其相轉(zhuǎn)變點(diǎn)含水率變?yōu)?5%；增加乳化劑濃度，提高攪拌轉(zhuǎn)速，增加攪拌時(shí)間，降低NaOH濃度有利于增強(qiáng)乳狀液的穩(wěn)定性.

水/油乳狀液；Span80；穩(wěn)定性；液膜分離

乳狀液膜分離技術(shù)最早在1968年由美籍華人N.N.Li正式提出[1]，該技術(shù)在處理工業(yè)廢水中具有節(jié)能、高效和快速分離的特點(diǎn)，在環(huán)境保護(hù)方面也有非常廣泛的應(yīng)用前景[2-3].但是，由于乳化液液膜的穩(wěn)定性等關(guān)鍵性問題仍未徹底解決，現(xiàn)已成為制約該技術(shù)工業(yè)化的重要瓶頸[4].

山梨糖醇酐油酸脂(Span80)是一種典型的低分子非離子型表面活性劑，具有很好的乳化作用.本文以Span80為乳化劑，利用高速攪拌乳化法制備了水/煤油乳狀液.考察了六個(gè)工藝參數(shù):內(nèi)水相化合物(NaOH、C6H12O6、NaCl、H2SO4、MgSO4)種類、內(nèi)水相化合物(NaOH)濃度、攪拌轉(zhuǎn)速、攪拌時(shí)間、Span80濃度、含水率、對(duì)乳狀液靜置沉降穩(wěn)定性的影響以及乳狀液的相轉(zhuǎn)變條件，并得到了制備較穩(wěn)定乳狀液的參數(shù)條件，以及相轉(zhuǎn)變時(shí)乳液的含水率和內(nèi)水相化合物濃度.

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 試劑與儀器

Span80(分析純，長(zhǎng)征化學(xué)試劑)，煤油(市售，過濾備用)，NaOH(分析純，成都市科龍化工試劑廠)，C6H12O6(分析純，成都化學(xué)試劑廠)，NaCl(分析純，天津市科密歐化學(xué)試劑有限公司)，H2SO4(分析純，成都市科龍化工試劑廠)，MgSO4(分析純，天津博迪化工股份有限公司)，蒸餾水(艾柯DZG-303A純水機(jī)制得).

FJ-200型高速分散均質(zhì)機(jī)(江蘇金壇金城國(guó)勝實(shí)驗(yàn)儀器廠)，DDS-11A電導(dǎo)率儀(方舟科技).

1.2 油包水乳狀液的制備

首先將一定量的表面活性劑Span80溶解在煤油中配制成100 g·L-1的乳化劑，再將一定比例的NaOH溶液和煤油以及定量的乳化劑加入到乳化器內(nèi)，最后利用高速分散均質(zhì)機(jī)攪拌一定時(shí)間后，配制成所需的乳狀液，并通過電導(dǎo)法[5-6]檢測(cè)乳狀液的類型.

1.3 油包水乳狀液的靜置沉降穩(wěn)定性

乳狀液本質(zhì)上是熱力學(xué)不穩(wěn)定體系[7]，會(huì)隨著時(shí)間的推移而逐漸失穩(wěn)，乳液靜置一段時(shí)間后，由于乳液滴的聚結(jié)從而使乳液的油相和水相分別析出.取一定量新配制的乳液于量筒中，間隔10min，30min，60min和120min后分別測(cè)量乳狀液中析出的油相及水相體積，按照下式[8]計(jì)算其靜置沉降穩(wěn)定性.

1.4 乳狀液的相轉(zhuǎn)變條件

在室溫(26oC)下，當(dāng)配制乳液的條件為Span80濃度3 g·L-1，攪拌轉(zhuǎn)速14000 rpm，攪拌時(shí)間2 min時(shí)，分別改變?nèi)闋钜旱挠退w積比以及內(nèi)水相化合物濃度，通過稀釋法從而確定乳狀液相轉(zhuǎn)變時(shí)的油水比及NaOH濃度.

2 結(jié)果與討論

2.1 內(nèi)水相化合物對(duì)乳狀液穩(wěn)定性的影響

內(nèi)水相化合物的選擇是乳狀液的穩(wěn)定性和液膜分離法去除雜質(zhì)效率的關(guān)鍵因素[9].當(dāng)Span80濃度3g·L-1，含水率為45%，攪拌轉(zhuǎn)速為14000 rpm，攪拌時(shí)間2 min時(shí)，分別配制內(nèi)水相濃度為0.25 mol·L-1的NaOH、C6H12O6、NaCl、H2SO4、MgSO4水/煤油乳狀液，考察其靜置穩(wěn)定性，結(jié)果如圖1所示.

圖1 內(nèi)水相化合物對(duì)乳狀液穩(wěn)定性的影響Fig 1 Inner water phase compounds impactedon the stability of emulsions

由圖1結(jié)果可知，在同等濃度(0.25 mol·L-1)下，利用六種內(nèi)水相化合物制備得到的乳狀液在靜置2小時(shí)后的穩(wěn)定性均在88～93%，所以化合物種類的改變對(duì)于乳狀液的穩(wěn)定性影響差別較小.我們綜合考慮內(nèi)水相(NaOH)在液膜分離技術(shù)實(shí)際生產(chǎn)中更廣泛的應(yīng)用以及其乳狀液穩(wěn)定性對(duì)破乳率的影響，本實(shí)驗(yàn)選擇內(nèi)水相為NaOH水溶液的乳狀液進(jìn)行研究.

2.2 NaOH濃度對(duì)乳狀液穩(wěn)定性的影響

在Span80濃度3 g·L-1，攪拌轉(zhuǎn)速為14000rpm，攪拌時(shí)間為2 min，含水率45%條件下，分別配制NaOH濃度為0.0625 mol·L-1，0.125 mol·L-1，0.25 mol·L-1，0.5 mol·L-1，0.75 mol·L-1的水/煤油乳狀液，考察其靜置穩(wěn)定性，結(jié)果如圖2所示.

圖2 NaOH濃度對(duì)乳狀液穩(wěn)定性的影響Fig.2 NaOH concentration impacted on the stability of emulsions

由圖2可知，隨著NaOH濃度的增加，乳狀液的靜置沉降穩(wěn)定性降低.由于隨著NaOH濃度的增加，容易引起乳化劑Span80分子中脂鍵水解，使乳狀液的界面膜中的乳化劑量降低，從而界面膜的熱穩(wěn)定性與機(jī)械強(qiáng)度降低[10-11]，以致乳狀液的穩(wěn)定性降低.

當(dāng)NaOH濃度為0.25 mol·L-1時(shí)，乳狀液在靜置2 h內(nèi)的穩(wěn)定性仍然達(dá)到了88%以上，具有較好的穩(wěn)定性.當(dāng)NaOH濃度為0.5 mol·L-1時(shí)，乳狀液在2 h內(nèi)完全分離，綜合考慮乳狀液的穩(wěn)定性以及NaOH濃度對(duì)于液膜分離技術(shù)在工業(yè)當(dāng)中更有效的利用，選擇NaOH濃度為0.25 mol·L-1時(shí)為最佳條件.

2.3 攪拌轉(zhuǎn)速對(duì)乳狀液穩(wěn)定性的影響

在NaOH濃度0.25 mol·L-1，Span80濃度3 g· L-1，攪拌時(shí)間為2 min，含水率45%條件下，分別制備攪拌轉(zhuǎn)速為10000、12000、14000、16000、18000 rpm的水/煤油乳狀液，考察其靜置沉降穩(wěn)定性，結(jié)果如圖3所示.

由圖3可知，隨著攪拌轉(zhuǎn)速的增加，乳狀液的靜置沉降穩(wěn)定性增強(qiáng)，當(dāng)攪拌轉(zhuǎn)速為14000 rpm時(shí)，乳狀液在2 h內(nèi)的靜置沉降穩(wěn)定性達(dá)到了88%以上，具有較好的穩(wěn)定性.

圖3 攪拌轉(zhuǎn)速對(duì)乳狀液穩(wěn)定性的影響Fig.3 Stirring rate impacted on the stability of emulsions

高速攪拌乳化法是制備乳狀液常用的技術(shù)，該方法是在高速剪切速率下將分散相破碎為小液滴分散于連續(xù)相中，從而制備穩(wěn)定的乳狀液[12].由于隨著轉(zhuǎn)速的增加，對(duì)乳狀液的剪切力增強(qiáng)，將其乳化時(shí)所做的功以表面能的形式貯存在水/油界面上，從而使乳狀液的體系總能量增加.因此隨著攪拌轉(zhuǎn)速的增加，乳液滴聚結(jié)沉降的阻力逐漸增大，從而乳狀液的穩(wěn)定性增強(qiáng).

2.4 攪拌時(shí)間對(duì)乳狀液穩(wěn)定性的影響

在NaOH濃度0.25 mol·L-1，Span80濃度3 g· L-1，攪拌轉(zhuǎn)速為14000 rpm，含水率45%條件下，分別配制攪拌時(shí)間為0.5 min、1 min、2 min、3 min、4 min的水/煤油乳狀液，考察其靜置穩(wěn)定性，結(jié)果如圖4所示.

圖4 攪拌時(shí)間對(duì)乳狀液穩(wěn)定性的影響Fig.4 Stirring time impacted on the stability of emulsions

由圖4可知，隨著攪拌時(shí)間的延長(zhǎng)，乳狀液的靜置沉降穩(wěn)定性增強(qiáng).由于隨著攪拌時(shí)間延長(zhǎng)，水滴在連續(xù)油相中粒徑分布的均勻化程度逐漸升高，從而使乳狀液更加穩(wěn)定[13].當(dāng)攪拌時(shí)間為2 min時(shí)，乳狀液在靜置2 h內(nèi)的穩(wěn)定性已經(jīng)達(dá)到了88%以上，具有較好的穩(wěn)定性.

2.5 Span80濃度對(duì)乳狀液穩(wěn)定性的影響

在NaOH濃度0.25 mol·L-1，攪拌轉(zhuǎn)速為14000 rpm，攪拌時(shí)間為2 min，含水率45%條件下，分別配制乳化劑Span80濃度為1 g·L-1、2 g·L-1、3 g· L-1、4 g·L-1、5 g·L-1的水/煤油乳狀液，考察其靜置穩(wěn)定性，結(jié)果如圖5所示.

圖5 Span80濃度對(duì)乳狀液穩(wěn)定性的影響Fig.5 Span80 concentration impacted on the stability of emulsions

由圖5可知，隨著乳化劑Span80濃度的增加，乳狀液的靜置沉降穩(wěn)定性增強(qiáng).這是由于山梨糖醇酐油酸脂(Span80)是一種典型的低分子非離子型表面活性劑，隨著乳化劑量的增加，其油水兩相間的界面膜熱穩(wěn)定性與機(jī)械強(qiáng)度增強(qiáng)[14-15]，所以形成的乳狀液的穩(wěn)定性逐漸增加.

但在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn):如果乳化劑加入量過大(＞4g· L-1)，雖然得到的乳狀液更加穩(wěn)定，但所得乳狀液的質(zhì)量下降，出現(xiàn)如泡沫增多、過于粘稠等現(xiàn)象，且制乳成本增加.當(dāng)乳化劑的濃度為1 g·L-1時(shí)，乳狀液在兩小時(shí)內(nèi)會(huì)完全油水分離，不利于工業(yè)實(shí)際中的應(yīng)用.當(dāng)乳化劑的濃度為3 g·L-1時(shí)，乳狀液在靜置2 h內(nèi)的穩(wěn)定性已經(jīng)達(dá)到了88%以上，具有較好的穩(wěn)定性.綜合考慮實(shí)際工業(yè)應(yīng)用中的經(jīng)濟(jì)效應(yīng)與所得乳狀液的穩(wěn)定性能，我們選擇乳化劑Span80的濃度為3 g·L-1.

2.6 含水率對(duì)乳狀液穩(wěn)定性的影響

在NaOH濃度0.25 mol·L-1，Span80濃度3 g· L-1，攪拌轉(zhuǎn)速為14000 rpm，攪拌時(shí)間為2 min條件下，分別配制含水率為30%、35%、40%、45%、50%的水/煤油乳狀液，考察其靜置穩(wěn)定性，結(jié)果如圖6所示.

由圖6可知:隨著乳液含水率的升高，乳狀液的靜置沉降穩(wěn)定性逐漸增強(qiáng).當(dāng)含水率為45%時(shí)，乳狀液在靜置2 h內(nèi)的穩(wěn)定性已經(jīng)達(dá)到了88%以上，具有較好的穩(wěn)定性.

圖6 含水率對(duì)乳狀液穩(wěn)定性的影響Fig.6 Water content impacted on the stability of emulsions

油包水乳狀液中的分散相為水，隨著含水率的增加，乳狀液中水滴的數(shù)密度增加.在本實(shí)驗(yàn)中，乳化劑的加入量較大，所形成的乳狀液液膜強(qiáng)度大、液滴不易破裂聚并，所以當(dāng)液滴數(shù)密度增加時(shí)，在液滴空間堆積作用下，油水兩相由密度差所導(dǎo)致的兩相分離作用(creaming)較慢，故油包水乳狀液的靜置沉降穩(wěn)定性隨著含水率的增加而增加.

2.7 含水率對(duì)乳狀液相轉(zhuǎn)變的影響

在室溫(26oC)下，當(dāng)配制乳液的條件為Span80濃度3 g·L-1，NaOH濃度0.25 mol·L-1，攪拌轉(zhuǎn)速14000 rpm，攪拌時(shí)間2 min時(shí)，通過改變配制乳液時(shí)油水的體積比發(fā)現(xiàn)，當(dāng)含水率升到55%時(shí)，乳液性質(zhì)從油包水變相為水包油，如圖7所示.

圖7 含水率對(duì)乳狀液相轉(zhuǎn)變的影響Fig.7 Water content impacted on the phase inversion of emulsions

根據(jù)立體幾何的最佳密堆積原理，隨著乳狀液內(nèi)相體積分?jǐn)?shù)的提高，當(dāng)內(nèi)相體積分?jǐn)?shù)達(dá)到球形顆粒的密堆積分?jǐn)?shù)時(shí)，乳狀液發(fā)生相轉(zhuǎn)變[16].所以當(dāng)該乳狀液內(nèi)相NaOH水溶液的體積分?jǐn)?shù)增加到55%時(shí)，乳液性質(zhì)從油包水變相為水包油.

2.8 NaOH濃度對(duì)乳狀液相轉(zhuǎn)變的影響

在制備油包水乳狀液的實(shí)驗(yàn)過程中，發(fā)現(xiàn)NaOH濃度對(duì)乳狀液的類型(O/W和W/O)影響很大，所以實(shí)驗(yàn)中考察了NaOH濃度對(duì)乳狀液相轉(zhuǎn)變過程的影響.

在室溫(26oC)下，當(dāng)配制乳液的條件為Span80濃度3 g·L-1，含水率45%，攪拌轉(zhuǎn)速14000 rpm，攪拌時(shí)間2 min時(shí)，考察了NaOH濃度在0～0.5mol· L-1范圍內(nèi)變化時(shí)對(duì)乳狀液相轉(zhuǎn)變的影響，當(dāng)NaOH濃度升高至0.02 mol·L-1時(shí)，乳狀液性質(zhì)從水包油變相為油包水如圖8所示.這是由于隨著NaOH濃度的升高，非離子表面活性劑Span80的水化程度不斷升高，從而導(dǎo)致乳液從水包油變?yōu)橛桶?

圖8 NaOH濃度對(duì)乳狀液相轉(zhuǎn)變的影響Fig.8 NaOH concentration impacted on the phase inversion of emulsions

3 結(jié)論

1)制備含水率45%的水/煤油乳狀液時(shí)，當(dāng)攪拌轉(zhuǎn)速為14000 rpm、攪拌時(shí)間為2 min、Span80濃度為3 g·L-1、NaOH濃度為0.25 mol·L-1時(shí)，其靜置沉降穩(wěn)定性可以在2 h內(nèi)始終保持在88%以上.

2)在室溫26oC，含水率為45%，Span80濃度3 g ·L-1，攪拌轉(zhuǎn)速為14000 rpm，攪拌時(shí)間2 min條件下，當(dāng)含水率為45%時(shí)，相應(yīng)的其相轉(zhuǎn)變點(diǎn)NaOH濃度為0.02 mol·L-1，當(dāng)NaOH濃度為0.25 mol·L-1時(shí)，相應(yīng)的其相轉(zhuǎn)變點(diǎn)含水率為55%.

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(責(zé)任編輯:李建忠，付強(qiáng)，張陽(yáng)，羅敏；英文編輯:周序林，鄭玉才)

Preparation of water/kerosene emulsions with Span80 as emulsifier

YAO Zhi-kun，RUAN Da，YANG Ding-bang，CHEN Tao，CHEN Xiao
(School of Chemistry＆Environmental Protection Engineering，Southwest University for Nationalities，Chengdu 610041，P.R.C.)

To prepare the model emulsion used in the liquid membrane separation processes，the water/kerosene emulsions containing inner water phase compounds were made by high-speed shear method，with Span80 as emulsifier.The effect of the kinds and concentration of inner water phase compounds，stirring rate and time，concentration of emulsifier and water content of the emulsion stability were investigated.The emulsion phase transition points were determined with NaOH as inner water phase compound.The experiment results indicated that using NaOH as inner water phase compound，a stable emulsion could be prepared with water content of the emulsion 45%，NaOH concentration 0.25 mol·L-1，Span80 concentration 3 g·L-1，stirring rate 14000 rpm，and stirring time 2 minutes，whose stability was above 88%within 2 h.With other conditions unchanged，when the NaOH concentration was 0.25 mol·L-1，the corresponding phase inversion point of the water content was 55%and when the NaOH concentration was decreased to 0.02 mol·L-1，the corresponding phase inversion point of water content of the emulsion was 45%；Increasing the concentration of emulsifier，increasing the stirring speed and stirring time，decreasing the concentration of NaOH were conducive to enhancing the stability of emulsion.

W/O emulsions；Span80；stability；liquid membrane separation

O647.2

A

2095-4271(2015)04-0417-06

10.11920/xnmdzk.2015.04.005

2015-05-22

陳曉(1981-)，男，漢族，河南焦作人，副教授，博士，研究方向:綠色化工新工藝.Email:chenxiao＠swun.edu.cn.

國(guó)家自然科學(xué)基金青年基金項(xiàng)目(21406183)；中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金項(xiàng)目(2015NYB06)；西南民族大學(xué)研究生創(chuàng)新型科研項(xiàng)目(CX2014SZ54)