膠質(zhì)氣體泡沫CGA穩(wěn)定性實驗研究*

羅建洪，李軍，朱新華，李星，代爽

（四川大學(xué)化工學(xué)院，四川成都610065）

膠質(zhì)氣體泡沫CGA穩(wěn)定性實驗研究*

羅建洪，李軍*，朱新華，李星，代爽

（四川大學(xué)化工學(xué)院，四川成都610065）

膠質(zhì)氣體泡沫（CGA）浮選技術(shù)是一種新型的分離手段，而日益受到學(xué)者關(guān)注，本文采用十六烷基三甲基溴化銨（HTAB）作為表面活性劑，制備CGA，為了研究膠質(zhì)氣體泡沫CGA特性優(yōu)化實驗，本文主要考察了表面活性劑濃度、溫度、攪拌速度、鹽度以及攪拌時間對CGA半衰期的影響，研究結(jié)果對膠質(zhì)氣體泡沫CGA的應(yīng)用具有重要的理論指導(dǎo)意義。

膠質(zhì)氣體泡沫（CGA）；穩(wěn)定性；半衰期

F.Sebba最先提出CGA的概念，其全稱為膠質(zhì)氣體泡沫（colloidal gas aphrons，CGA）。膠質(zhì)氣體泡沫是含有表面活性劑水溶液在高速攪拌（n＞5000r/min）下混合生成的直徑10～100μm的微細氣泡。

F.Sebba認為CGA的結(jié)構(gòu)見圖1[1]。

圖1 膠體泡沫結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic diagram of colloidal gas aphron

CGA由氣泡內(nèi)核和一層包封氣相的皂膜組成，皂膜有內(nèi)外二個表面，表面均吸附了表面活性劑單分子層，它們的親水基團朝內(nèi)，疏水基團朝外，而在該相與體相水之間的界面上，親水基團朝向體相水，疏水基團朝向皂膜層，并有雙電層存在。

CGA［1］的特點：（1）氣泡微細；（2）含氣率高，達75%左右；（3）比表面積大；（4）具有良好的聚結(jié)穩(wěn)定性與動力穩(wěn)定性，CGA所具有的與水相似的流動性使得可用泵對其進行管道輸送而不用擔心破裂，與一般泡沫相比，CGA的殼層要厚得多，而且其表面活性劑的帶電特性使得CGA即使發(fā)生碰撞也難以聚并。

CGA的發(fā)現(xiàn)及其穩(wěn)定特性使得泡沫分離技術(shù)的應(yīng)用進入一個嶄新的階段，因而在分離工程中得到了越來越多的重視和應(yīng)用。

開展對CGA穩(wěn)定性動力學(xué)研究，（1）有助于探索CGA奇特的內(nèi)部結(jié)構(gòu);（2）CGA在分離過程中的需要。普通泡沫的穩(wěn)定性是由液膜排液速率和泡沫破裂速率兩個不同的過程來決定。而對于CGA來說，由于液膜厚度較厚，因此，在大部分的液體排出之前，氣泡破裂現(xiàn)象并不十分明顯，主要發(fā)生的是液膜排液現(xiàn)象［2］，因此，液膜排液過程速率是決定CGA穩(wěn)定性的主要因素。

國內(nèi)外對于開展CGA液膜排液過程的研究文獻并不是太多，羅建洪［3］等人做了膠質(zhì)氣體泡沫排液動力學(xué)的實驗研究；燕永利［4］等人研究了用單一非離子表面活性劑制備的膠質(zhì)氣體泡沫的穩(wěn)定性；王曉燕［2］等人進行了膠質(zhì)氣體泡沫特性優(yōu)化實驗研究；Valsaraj［5］對于影響CLA與CGA的粒徑及穩(wěn)定性的各種因素進行了較全面的研究；Chaphalkar［6］利用粒徑分析儀研究了表面活性劑的類型與濃度對CLA的粒徑及聚并的影響；王運東［7］等人做了膠質(zhì)氣體泡沫的制備及性質(zhì)的研究；燕永利［8］等人研究了膠質(zhì)氣體泡沫的排液動力學(xué)；史勝龍［9］研究了膠質(zhì)氣體泡沫的起泡性能及封堵能力。

本文嘗試以CGA的半衰期t為研究對象，對影響CGA的半衰期t的相關(guān)參數(shù)進行研究，研究結(jié)果為CGA泡沫懸浮應(yīng)用提供重要理論指導(dǎo)。

1 實驗部分

1.1 原料、試劑及儀器

選用十六烷基三甲基溴化銨（HTAB）（A.R.成都科龍化工有限公司）;NaCl（A.R.成都科龍化工有限公司）；實驗采用二次蒸餾水。

FLUKO儀表式剪切乳化攪拌器（上海新浦儀表廠）;COIC倒置顯微鏡（重慶光學(xué)儀器廠）。

1.2 實驗過程

以HTAB為表面活性劑，加入二級純水配置一定濃度的HTAB溶液，取一定量配置好的HTAB溶液加入到帶1000mL的發(fā)生器中。采用FLUKO儀表式剪切乳化攪拌器來產(chǎn)生膠質(zhì)氣體泡沫，開動攪拌，控制攪拌速度在5000r·min-1左右，液體體積迅速膨脹，產(chǎn)生大量氣泡，攪拌3min產(chǎn)生穩(wěn)定泡沫，停止攪拌，將制備好的CGA用泵快速地輸送至自制帶刻度的泡沫測量儀中見圖2，然后用電子秒表開始計時，測量泡沫液面上升速度隨時間的變化，最終可以得半衰期。

圖2 CGA半衰期研究過程示意圖Fig．2 Schematic diagram of the experimental setup for time for half of liquid to collapse of CGAs

2 結(jié)果與討論

半衰期t（Time forhalfofliquid to collapse）CGA的穩(wěn)定性用半衰期t來表示，表面活性劑溶液經(jīng)攪拌全部生成CGA見圖3，攪拌停止，氣泡聚并破滅又重新恢復(fù)為液體。半衰期t定義為從液體全部生成CGA攪拌停止開始到液體又恢復(fù)為起始液體的一半時所用的時間。

圖3 顯微鏡下氣體泡沫的照片F(xiàn)ig.3 Samples of CGAs generated from HTAB in water are examined by a microscopic camera.

2.1 表面活性劑HTAB濃度對半衰期的影響

表面活性劑濃度對CGA排液過程的影響見圖4。

由圖4中可看，出隨著表面活性劑濃度的增加，半衰期t依次增加，CGA穩(wěn)定性依次增強。這是因為CGA泡沫的粒徑與表面活性劑濃度顯反線性關(guān)系［7，8］，隨著表面活性劑濃度的增加，CGA泡沫的粒徑減少，因此，隨著表面活性劑濃度的增加，CGA穩(wěn)定性增強。

圖4 表面活性劑濃度對半衰期t的影響Fig.4 Concentration of HTAB versus the time for half of liquid to collapse

2.2 攪拌速度對半衰期的影響

隨著攪拌速度的增加，半衰期t依次增加，見圖5。

圖5 攪拌速度對半衰期t的影響Fig.5 Stirring speed versus the time for half of liquid to collapse

這是因為[10]隨著攪拌速度的增加，CGA比表面積增大，CGA的粒徑減少，CGA的穩(wěn)定性增強，但當攪拌速度太快，體系溫度增加，反而使得CGA的穩(wěn)定性減弱。

2.3 反應(yīng)溫度的影響

溫度對半衰期t影響見圖6。

圖6 溫度對半衰期t的影響Fig.6 Temperature versus the time for half of liquid to collapse

由圖6可見，隨著溫度的增加，促使流體的黏度減少，并使CGA泡沫厚度變薄，穩(wěn)定性減弱。

2.4 鹽度的影響（圖7）

圖7 鹽度對半衰期t的影響Fig.7 Concentration versus the time forhalfofliquid to collapse

鹽度能降低CGA泡沫的穩(wěn)定性，從圖7可知，隨著鹽度的增加，半衰期t值依次降低，該實驗結(jié)果與增加NaCl鹽度是相反的［10，11］。

3 結(jié)論

（1）隨著表面活性劑濃度的增加，半衰期t依次增加，適宜的HTAB濃度為1.5g·L-1；

（2）隨著攪拌速度的增加，半衰期t先增加后減少，適宜的攪拌速度為6000r·min-1；

（3）隨著溫度的增加，半衰期t依次減少，適宜的溫度為293.15K；

（4）隨著鹽度的增加，半衰期t值依次降低，因此，以不加鹽為宜。

［1］戴玉杰,鄧彤,王靜,等,膠體池沫和從液泡沫體系中其在分離中的應(yīng)用［J］.現(xiàn)代化工，2003,23（11）：60-62

［2］王曉燕，劉莉君,膠質(zhì)氣體泡沫（CGA）特性優(yōu)化試驗研究［J］.環(huán)境科學(xué)與技術(shù)，2006,29（1）：37-37

［3］LUO Jianhong，LI Jun，HUANG Ping et al.Chinese Journal of Chemical Engineering，2009,17（6）：955-959.

［4］燕永利，何飛，張家明，等，單一非離子表面活性劑制備膠質(zhì)氣體泡沫的穩(wěn)定性［J］.高等學(xué)校化學(xué)學(xué)報,2008，2044-2048.

［5］Zhang C.,Valsaraj K.T.,Constant W.D.,Roy D..Studies in Solvent Extraction Using Polyaphrons.I.Size Distribution,Stability,and Flotation of Polyaphrons［J］.Sep.Sci.Technol，1996,31：1059.

［6］Charphalkar P G.A study of the size distribution and stability of colloidalgas aphron using a particle sizeanalyzer［J］.Sep SciTechnol, 1993,28（6）：1287-1302.

［7］王運東，陳敏，徐麗蓮，等，膠質(zhì)液體和氣體泡沫的制備及其性質(zhì)的研究［J］,清華大學(xué)學(xué)報，1998，38（6）：42-45.

［8］燕永利，張寧生，屈撐囤，等，膠質(zhì)液體泡沫的微觀結(jié)構(gòu)研究［J］.化學(xué)學(xué)報，2005，63（18）：1686-1692.

［9］史勝龍，王業(yè)飛，陽建平，膠質(zhì)氣體泡沫的起泡性能及封堵能力研究［J］.油田化學(xué)，2016,33（3）：451-453

［10］Chaphalkar P.G.,Valsaraj K.T.,RoyD..A study of the size distribution and stability of colloidal gas aphrons using a particle size analyzer［J］.Sep.Sci.Technol.,1993,28（6）：1287-1302.

［11］Dai Y.J.,Deng T..Stabilization and characterization ofcolloidalgas aphron dispersions［J］.Journal of Colloid and Interface Science, 2003,261：360-365.

Study on the stability of colloidal gas aphrons*

LOU Jian-hong，LI Jun*,ZHU Xin-hua,LI Xing,DAI Shuang
（Dep.of Chemical Engineering，Sichuan University，Chengdu 610065，China）

Colloidal gas aphrons（CGA）is a new method for separating solutes from aqueous solution.In many separation processes,the effectiveness of CGA is related to its stability.Therefore,investigation on the stability of CGAs presents much importance for characterization of CGA dispersions and for applications in separation technology.In this paper,In order to study the stability of the colloidal gas aphrons（CGAs）,the effect of concentrations of dodecyl trimethylammonium bromide（HTAB）,temperature,stirring speed and various kinds of salts on the time for half of liquid to collapse of CGAs are further investigated.The obtained experimental result can provides the essential theory instruction for the CGA stable mechanism research and separation project application.

colloidal gas aphrons(CGA);stability;the time for half of liquid to collapse of CGAs

O648.2

A

10.16247/j.cnki.23-1171/tq.20170104

2016-10-17

四川省基礎(chǔ)應(yīng)用研究項目（2014JY0079）

羅建洪（1980-），男，副教授，2010年畢業(yè)于四川大學(xué)化學(xué)工藝專業(yè)，博士，現(xiàn)從事分離與純化技術(shù)科研研究。