重力沉降法測定水-柴油乳化液粒徑分布

劉　森，楊　強，盧　浩，許　蕭

（華東理工大學化學工程聯(lián)合國家實驗室，上海 200237）

重力沉降法測定水-柴油乳化液粒徑分布

劉森，楊強，盧浩，許蕭

（華東理工大學化學工程聯(lián)合國家實驗室，上海 200237）

針對目前油包水乳化液粒徑分布測試困難的問題，采用經(jīng)流變系數(shù)修正后的重力沉降法對入口濃度5000mg/L、乳化泵轉速1800r/min的油包水乳化液進行粒徑分布測試，并利用顯微鏡觀測法進行結果驗證。對比兩種方法的測試結果，重力沉降法測試結果中位粒徑13 μm，粒徑分布范圍5～40 μm，顯微鏡觀測法測試結果為中位直徑15μm，粒徑分布范圍為5～40μm，兩種方法的結果一致性較高。實驗結果證明：經(jīng)流變系數(shù)修正后的重力沉降法可以準確測試油包水乳化液粒徑分布，且該方法測試原理簡單、操作簡單、測試成本小，在工業(yè)現(xiàn)場測試上有一定的優(yōu)勢。

油包水乳液；粒徑分布；重力沉降法；流變系數(shù)

0　引　言

粒徑分布［1］，又稱粒度分布，是指一定尺寸范圍的顆粒量占顆粒群總量的百分數(shù)。顆粒群粒徑的分布狀態(tài)可用簡單的表格、圖形表示，也可用函數(shù)的形式表示，常用的圖形表示方法有累計分布（積分曲線圖）與頻率分布（微分曲線圖）。粒徑分布測試可以詳細了解顆粒體系的組成，現(xiàn)代研究表明即使兩個顆粒體系的平均粒徑相同，可能也有著極不一樣的粒徑分布，粒徑分布對于后續(xù)操作有著重要的指導意義。在液體-固體顆粒體系（懸浮液）中，粒徑分布的測試方法主要是顯微鏡觀察法、篩分法、重力沉降法、激光粒度儀等［2］。激光粒度儀測試方法對于固體顆粒粒徑分布的測試比較有效，在對乳化液粒徑分布測試中，因為油包水乳化液中水含量較低，且在測試過程中水滴會溶在分散劑中，因而難以用激光粒度儀對油包水乳化液中水滴粒徑分布進行準確測試。一般情況下，采用顯微鏡觀察法對乳化液液滴粒徑分布進行測試，通過對乳化液中不同粒徑的液滴個數(shù)統(tǒng)計，可以得到乳化液液滴的粒子個數(shù)分布，然而此法無法得到乳化液中不同粒徑液滴的體積分布。顯微鏡觀察法測量方法具有代表性和可重復性，是一種較為理想實用的測量方法，故本文利用顯微鏡觀察法對重力沉降法進行可行性驗證；但顯微鏡觀察法對于待測樣品的制作要求很高，且需要對大量的液滴進行實驗觀察才能確保測試結果有意義，同時對于測試的條件要求較高，不適用于現(xiàn)場測試［3］。因此，急需一種測量準確、操作簡便、適用于工業(yè)現(xiàn)場的測試方法。由于重力沉降法在液體-固體顆粒體系（懸浮液）中的良好應用，故而將其擴展到液體-液滴體系（乳化液）。Prashant［4］認為由乳化液中分散相液滴的粒徑分布情況可以推算出乳化液中分散相的濃度，即乳化液中分散相液滴粒徑分布與分散液滴的濃度存在一種函數(shù)關系，從側面也證明了重力沉降法可用于乳化液液滴粒徑分布的測試。重力沉降法的原理為測量某一標高處的濃度變化來推算出粒徑分布［5］，由于其分析原理簡單，測定范圍較寬，測量結果的統(tǒng)計性和再現(xiàn)性高等優(yōu)點，得到了廣泛使用。在工業(yè)現(xiàn)場利用修正后的重力沉降法可以大致判斷出油水乳化液的粒徑分布情況，對于后續(xù)分離油水乳化液有著一定的指導作用。本文進行了重力沉降法測定乳化液體系粒徑分布的實驗研究，并用顯微鏡觀察法對重力沉降法進行可行性驗證。

1　實驗部分

1.1實驗原理

重力沉降法是通過測定分散相微小粒子在連續(xù)相介質中的沉降速度來計算粒子的尺寸［6］。在乳化液體系中，直接測定微小液滴的沉降速度難度很大，均勻分散在靜止乳化液中的分散相液滴在自由沉降過程中會引起分散相的濃度變化，通過測定固定標高處的濃度-時間的函數(shù)，結合Stokes定律計算出乳化液中分散相液滴的粒徑大小及其分布。此法要求質量濃度≤5000mg/L，以保證分散相液滴間互不干擾，防止器壁對液滴運動產(chǎn)生影響，避免干涉沉降［7］。

Stokes直徑［8］有可測粒度范圍的限制，顆粒越小，布朗運動影響越大，因此存在最小粒度限制，也稱為極限沉降粒徑（下臨界粒徑）；當Re＞0.2時，與Stokes定律的偏差就越大，因此存在最大粒度限制，即重力沉降法適用的上臨界粒徑。重力沉降法的測量范圍要根據(jù)其所測的體系計算，本文采用的是柴油-水滴（乳化柴油）的體系，柴油為連續(xù)相，水滴為分散相，實驗溫度在常溫20℃，極限沉降粒徑為

式中：T——熱力學溫度293K；

k——玻爾茲曼常數(shù)1.3807×10-23J/K；

Δρ——兩相的密度差，柴油密度為850 kg/m3，

水的密度為1000kg/m3；

g——重力加速度9.8m/s2。

計算得出極限沉降粒徑為dmin=2μm。

當顆粒層流沉降條件為Re≤0.2，此時的沉降過程適用于Stokes定律，由雷諾數(shù)公式和沉降速度公式可以計算上臨界粒徑，雷諾數(shù)公式為

用Stokes公式計算液滴的自由沉降速度：

式中：ψ——流變系數(shù)；

d——水滴Stoke直徑。

自由沉降液滴變形速度修正系數(shù)ψ的計算公式［9］為

式中：μd——分散相粘度；

μc——連續(xù)相粘度。

由式（2）和式（3）可以推到出上臨界粒徑計算公式為

式中：d——水滴粒徑；

ρm——連續(xù)相密度，850kg/m3；

μc——連續(xù)相（柴油）20℃的動力粘度，由粘度計測得為3.87×10-3Pa·s；

μd——水在20℃下的動力粘度，1.005×10-3Pa·s。

由式（5）計算得d=316μm。為保證充分的響應時間，對于實際測試而言最大粒徑不超過計算值的1/3～2/3，且本文中采樣處為界面下200 mm，選用100μm作為其上臨界粒徑，本文中的重力沉降法的測量范圍是2～100μm。在實際生產(chǎn)中非常關心的粒徑為5，10，20，30，50，90 μm等粒徑所占的百分比，以此為實驗預期研究對象，每一粒徑都會對應一個沉降時間，以此為時間點進行采樣。

為了繪制準確的曲線圖，在這些關鍵點之間插入許多其他的時間點，取得盡可能多的數(shù)據(jù)點，從而繪制出準確的曲線圖。

重力沉降法測試粒徑分布的分析流程，以柴油-水滴體系為例說明，取含水量≤5000mg/L的乳化柴油于2L的量筒靜止，假設乳化柴油為均勻分散的體系，在距上表面200mm處，按照預設時間點來取樣，測得每一時刻的200mm處的水含量，繪制出200mm處的含水量C0與時間t的函數(shù)關系圖，由于：

將式（6）與式（3）聯(lián)立求解，可以得到時間t與粒徑d的關系：

代入到含水量與時間t的關系曲線中，可以得到含水量C0與水滴粒徑d的關系曲線，即粒徑的累計分布曲線圖，對曲線求偏導，得到粒徑的頻率分布圖。

1.2實驗裝置及步驟

1.2.1實驗儀器與試劑

試劑：柴油（市售）、自來水、span80（分析純）。

儀器：SP1000系列臥式管線式單級乳化泵，乳化效果可達2μm，用于油水的乳化；水分測定儀，用于測量油中水含量；針筒以及長度為200mm針頭，用于取樣；2L量筒，用于沉降乳化液；光學顯微鏡以及50倍物鏡與10倍目鏡。

1.2.2實驗步驟

1）利用計量泵和蠕動泵，將油和水分別泵入乳化泵中，蠕動泵流量10 mL/h，乳化泵的出口流量為94L/h，經(jīng)過乳化泵乳化后的樣品從出口處接出，置于2L量筒內靜止分析，一部分樣品取出后用span80乳化劑制備乳化液，以備顯微鏡觀測。

2）按預定時間間隔，在距離液體上表面200 mm處取樣，并測出水含量。

3）利用顯微鏡對樣品進行觀測并拍照分析。

4）記錄每一時刻對應的水含量。

5）數(shù)據(jù)處理及分析，得到粒徑-濃度累積分布函數(shù)和頻率分布函數(shù)；以及照片分析。

2　結果與討論

2.1重力沉降法的實驗結果分析

將入口處濃度為5 000 mg/L的油水混合物，經(jīng)1800r/min乳化泵得到乳化液；放入2L量筒中靜置，按照預設時間在200mm處取樣，測得每一時刻對應水含量，實驗數(shù)據(jù)記錄如表1所示。

表1　原始實驗數(shù)據(jù)

圖1　C0-t關系曲線圖

由實驗數(shù)據(jù)可以繪制出圖1所示的水含量C0與時間t的曲線圖，以及水含量C0與粒徑d的曲線圖，如圖2所示。

圖2　C0-d關系曲線圖

圖3　粒徑分布圖

從圖中可以可以得知，油包水乳化液中水滴的中位粒徑為13 μm，水滴主要分布在5～40 μm的粒徑范圍之內。

2.2顯微鏡觀察法測試結果分析

利用顯微鏡觀察法對油包水乳化液進行粒徑分析，如圖4所示。由照片分析得，油包水乳化液中位粒徑為15 μm，水滴主要分布在5～40 μm的粒徑范圍內，與重力沉降法得到的粒徑分布結果基本一致，證明經(jīng)流變系數(shù)修正后的重力沉降法可以準確測試油包水乳化液粒徑分布。

圖4　顯微鏡觀測圖

3　結束語

入口濃度5000mg/L、乳化泵轉速1800r/min的油包水乳化液采用兩種方法進行粒徑分布測試，重力沉降法測試結果為中位粒徑13μm，粒徑分布范圍5～40μm，顯微鏡觀測法測試結果為中位直徑15μm，粒徑分布范圍5～40μm，兩種方法的結果一致性較高。

結果表明重力沉降法在測定油包水乳化液中微小水滴的粒徑及粒徑分布有著良好的適用性，其測量原理簡單，物理意義明確，操作方便，測試成本低廉，尤其適用于工業(yè)現(xiàn)場情況初步測定乳化液粒徑分布，對下一步的工業(yè)處理操作有很好的指導意義。重力沉降法適用于連續(xù)相與分散相存在密度差的乳化液，若分散相為重相，則通過測量距上表面固定標高處乳化液濃度隨時間的變化來測試分散相粒徑分布；若分散相為輕相，則通過測量距下表面固定標高處濃度隨時間變化的關系來測試分散相粒徑分布。不足之處，如需準確測試，其測定時間較長。隨著工業(yè)中對乳化液粒徑分布關注度的提升，重力沉降法因其良好的工業(yè)現(xiàn)場適應性、操作簡單、成本低等優(yōu)點而具備較好的應用前景。

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（編輯：徐柳）

Determination of water-diesel emulsion particle size distribution by gravity sedimentation method

LIU Sen，YANG Qiang，LU Hao，XU Xiao
（State Key Laboratory of Chemical Engineering，East China University of Science and Technology，Shanghai 200237，China）

The paper aims to discuss the issue of water-oil emulsion particle size distribution determination.Rheology-corrected gravity sedimentation method is used to test the particle size distribution of water-oil emulsion with entrance concentration of 5 000 mg/L and emulsion pump speed of 1 800 r/min，and the results are verified through microscope observation.Compared to the results of two methods，gravity sedimentation method gives the result for median diameter of 13 μm and particle size distribution range of 5-40 μm；whereas microscope observation method shows the median diameter of 15 μm and particle size distribution range of 5-40 μm.Since the results of bothmethodsareconsistenttoeachother， itprovesthattherheology-correctedgravity sedimentation method is able to accurately determinate water-oil emulsion particle size distribution. However，the gravity sedimentation method also has some benefits for industrial application since it is easy to understand and operate and costs less.

water-diesel emulsion；particle size distribution；gravity sedimentation method；rheological coefficient

A

1674-5124（2016）06-0050-04

10.11857/j.issn.1674-5124.2016.06.012

2015-10-04；

2015-12-21

國家自然科學基金（51208200）；基本科研業(yè)務費交叉學科與重大項目培訓基金（222201313001）；上海市晨光計劃（13CG26）

劉森（1992-），男，江蘇泰州市人，碩士研究生，專業(yè)方向為污水處理與資源化。