液-液兩相分離是化工過(guò)程的重要操作單元，相應(yīng)的高效分離設(shè)備是許多重要工藝必不可少的組成部分。破乳是乳狀液去乳化的過(guò)程。傳統(tǒng)的破乳方法，如旋流分離、電破乳、斜板沉降、膜法、生物法、微通道法等，普遍存在著設(shè)備投資大、能耗高、具有二次污染以及對(duì)小液滴分離效率低等問(wèn)題。

隨著“生態(tài)文明建設(shè)”等環(huán)保理念的提出，現(xiàn)代工業(yè)亟需適用范圍廣、環(huán)境友好、分離效率高、能耗低的新型破乳技術(shù)。實(shí)驗(yàn)旨在利用電破乳和微通道破乳的雙重耦合作用強(qiáng)化W/O型乳狀液的破乳過(guò)程。電破乳技術(shù)是20世紀(jì)90年代發(fā)展起來(lái)的破乳方法。電破乳技術(shù)常用于W/O型乳狀液的破乳，破乳時(shí)需要0.83～10kV·cm?1的電場(chǎng)強(qiáng)度，常規(guī)大型電破乳技術(shù)需要6～12kV的超高電壓，且當(dāng)乳狀液的含水量增加時(shí)會(huì)由于電極短路而導(dǎo)致?lián)舸┈F(xiàn)象，危險(xiǎn)性較高。微通道技術(shù)已經(jīng)成為化工領(lǐng)域的一個(gè)重要發(fā)展方向。自20世紀(jì)80年代“微槽”的概念被提出以來(lái)，常規(guī)的化工設(shè)備特征尺度由“毫米”降到“亞微米和亞毫米”的級(jí)別。隨后，微通道逐漸被應(yīng)用于微流控設(shè)備、微反應(yīng)器、微換熱器、微混合器、微分離器（可用于破乳過(guò)程）等方面。日本學(xué)者Okubo等首次將微通道應(yīng)用O/W型乳狀液破乳的研究，實(shí)現(xiàn)了液-液分離。芬蘭的Kolehmainen研究組[17]制作出了與Okubo等相似的微通道設(shè)備進(jìn)行破乳。四川大學(xué)陳曉等設(shè)計(jì)制作了直線型板式微通道實(shí)現(xiàn)對(duì)O/W型乳狀液的連續(xù)破乳，循環(huán)破乳5～20次，破乳率可達(dá)90%。由于流體在微通道中流動(dòng)時(shí)會(huì)產(chǎn)生特殊的流型特性，如壁面滑移、限制流、Dean渦流，能夠顯著降低層流邊界層厚度，減少傳遞阻力，所以在化工生產(chǎn)中具有很好的過(guò)程強(qiáng)化作用。

實(shí)驗(yàn)研究采用了三維螺旋板式微通道，將電破乳與三維螺旋微通道相結(jié)合，利用直流電場(chǎng)與微通道的雙重耦合作用強(qiáng)化微通道對(duì)W/O型乳狀液的油水分離過(guò)程，使破乳電壓大大降低，僅為10～100V，提高了電破乳過(guò)程的安全性。此外，設(shè)備還具有加工簡(jiǎn)單、易拆裝、阻力小、易清洗等諸多優(yōu)點(diǎn)。

1實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)藥品和儀器

煤油（過(guò)濾處理）；硫酸（分析純）、Span80（分析純）、無(wú)水乙醇（分析純）。直流穩(wěn)壓穩(wěn)流電源（MWY-40010）；中壓柱塞泵（Flash100）；高速均質(zhì)分散機(jī)（FJ-200）；電子天平（AR224CN）；接觸角測(cè)量?jī)x（JC2000D1）；顯微鏡（UB200i）。

1.2 實(shí)驗(yàn)裝置

實(shí)驗(yàn)裝置圖如圖1所示，它由儲(chǔ)液燒瓶、中壓柱塞泵、直流穩(wěn)流穩(wěn)壓電源、三維螺旋微通道裝置和尾液收集離心管組成。

圖1實(shí)驗(yàn)裝置

圖2為三維螺旋微通道的實(shí)物圖及內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖。圖2(a)中：1為螺桿，用于微通道的封裝，防止漏液；2為不銹鋼支架；3為PTFE包覆的不銹鋼拉桿；4為10mm厚PTFE板，用作絕緣片防止通道短路；5為不銹鋼壓板；6為不銹鋼端板，位于微通道兩側(cè)；7、8為正負(fù)極加電夾，可以與不銹鋼端板相連，為微通道內(nèi)部提供0～400V的穩(wěn)定直流電場(chǎng)；9為微通道出口；10為微通道進(jìn)口；11為微通道部分，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)詳見(jiàn)圖2(b)。圖2(b)為加電三維螺旋微通道的內(nèi)部分解圖，其中1為微通道整體圖；2為不銹鋼端板；3為中空銅片；4為帶孔的PTFE片。其中，微通道尺寸主要是決定于3中空銅板的厚度與螺旋角度。圖2(c)為銅片和PTFE片實(shí)物圖，從上到下分別為180°弧形槽中空銅片、90°弧形槽中空銅片、帶孔PTFE片。

圖2加電三維螺旋微通道實(shí)物及結(jié)構(gòu)分解

實(shí)驗(yàn)中，微通道按照如圖2(b)所示進(jìn)行組裝，具體組裝步驟見(jiàn)1.3.2節(jié)。

1.3 實(shí)驗(yàn)步驟

1.3.1 W/O型乳狀液的制備實(shí)驗(yàn)所制備的破乳目標(biāo)乳狀液采用了姚志坤等報(bào)道的條件，具體步驟如下：預(yù)先制備0.25mol·L?1的H2SO4溶液，100g·L?1的Span80乳化劑。量取Span80乳化劑3ml，煤油47ml，H2SO4溶液40ml，依次添加后混勻。利用高速均質(zhì)分散機(jī)在14000r·min?1轉(zhuǎn)速下攪拌2min，將混合液制成均一穩(wěn)定的W/O型乳狀液。靜置沉降一定時(shí)間后，按照式(1)評(píng)價(jià)乳狀液的穩(wěn)定性

式中，J為乳狀液的穩(wěn)定性；Vemulsion為靜置后剩余乳狀液的體積；Vtotal為靜置前收集的乳狀液的總體積；Vwater為靜置后析出的水相體積；Vkerosene為靜置后析出的油相體積。實(shí)驗(yàn)所得目標(biāo)乳狀液的穩(wěn)定性在2h內(nèi)可達(dá)88%以上。

1.3.2 微通道的組裝

三維螺旋微通道的組裝步驟如下：①平放不銹鋼支架，旋出螺桿；②取下一個(gè)PTFE包覆的不銹鋼拉桿，把PTFE片、銅片按圖2(b)所示順序排列，構(gòu)成微通道部分；③將PTFE板、不銹鋼壓板、不銹鋼端板和微通道部分按圖2(a)所示順序排列，置于未取下的PTFE包覆的不銹鋼拉桿上，用另一個(gè)拉桿對(duì)其固定；④旋緊螺桿，完成組裝。

1.3.3 破乳實(shí)驗(yàn)

首先將目標(biāo)乳狀液利用中壓柱塞泵精確控制其流速送入三維螺旋微通道，同時(shí)利用直流穩(wěn)壓電源在微通道兩端施加所需額定電場(chǎng)，實(shí)現(xiàn)破乳過(guò)程，最后在微通道出口處收集破乳后尾液，讀數(shù)并記錄其破乳率。乳狀液破乳率為乳狀液通過(guò)微通道破乳后析出的水相體積占水相總體積的百分比，即

式中，η為乳狀液的破乳率；V'water為破乳后析出的水相體積；V'total為離心管中收集的總體積；?為乳狀液的含水率。

2結(jié)果與討論

2.1加電微通道破乳效果

當(dāng)W/O型乳狀液?jiǎn)未谓?jīng)過(guò)加電三維螺旋板式微通道后，在0.78～8.5s的作用時(shí)間內(nèi)，迅速出現(xiàn)乳狀液油水分離現(xiàn)象，如圖3所示。圖3(a)表明乳狀液進(jìn)入微通道前呈油水兩相分散均勻的乳白色；而當(dāng)乳狀液通過(guò)微通道后明顯出現(xiàn)油水分段現(xiàn)象，說(shuō)明微通道裝置對(duì)乳狀液具有快速分離效果。圖3(b)中兩離心管分別為微通道分離前后的乳狀液，同樣顯示出分離前的乳狀液無(wú)油水分離現(xiàn)象，而分離后的乳狀液下層可以看到透明水層，上層出現(xiàn)了大量的油層，更直觀地體現(xiàn)了微通道對(duì)W/O型乳狀液的快速破乳效果。

圖3破乳效果照片

為了與上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，利用中壓柱塞泵將W/O型乳狀液輸送通過(guò)不加電微通道（英文縮寫(xiě)為3D-SPM），結(jié)果如圖4所示。圖4(a)為乳狀液經(jīng)過(guò)中壓柱塞泵輸出后進(jìn)出不加電微通道前后的管路照片，圖4(b)為經(jīng)過(guò)中壓柱塞泵輸出后進(jìn)入不加電微通道前后的乳狀液照片。由于油水均勻分散的乳狀液呈現(xiàn)不分層的乳白色，故由圖4可知：通過(guò)中壓柱塞泵以及不加電微通道裝置，均對(duì)W/O型乳狀液沒(méi)有分離效果。

圖4不加電的破乳效果照片

同時(shí)，將圖2(a)中的微通道部分更換為1cm×1cm比色皿，考察了僅施加電場(chǎng)情況下，W/O型乳狀液的分離效率，如圖5所示。利用如圖5(a)的實(shí)驗(yàn)裝置，在250V?cm?1的電場(chǎng)強(qiáng)度下作用5min后，比色皿中乳狀液仍呈現(xiàn)均勻乳白色，未出現(xiàn)油水分離現(xiàn)象，見(jiàn)圖5(b)所示。

圖5僅在直流電場(chǎng)作用下的破乳照片

通過(guò)以上3組實(shí)驗(yàn)，可以明顯看出：僅依靠三維螺旋微通道作用，或僅施加電場(chǎng)情況下，W/O型乳狀液均未出現(xiàn)破乳現(xiàn)象；當(dāng)乳狀液同時(shí)受到微通道和電場(chǎng)的雙重作用時(shí)，僅需0.78～8.5s即可實(shí)現(xiàn)快速的油水分離。以上結(jié)果表明：在電破乳與微通道破乳的雙重耦合作用下，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)W/O型乳狀液的快速高效破乳過(guò)程。

2.2電場(chǎng)強(qiáng)度對(duì)破乳率的影響

固定微通道高度為200μm、螺旋角度為180°、中空銅片5片，在4組直流電場(chǎng)強(qiáng)度條件下（250、225、200、175V·cm?1），測(cè)定了W/O型乳狀液在2、4、6、8、10ml·min?15種流速下單次通過(guò)三維螺旋狀微通道時(shí)的破乳率，結(jié)果如圖6所示。

圖6電場(chǎng)強(qiáng)度對(duì)破乳率的影響

由圖可知，隨著電場(chǎng)強(qiáng)度的升高，微通道對(duì)乳狀液的破乳率明顯升高，在乳狀液流速為2ml·min?1、電場(chǎng)強(qiáng)度為250V·cm?1時(shí)乳狀液?jiǎn)未瓮ㄟ^(guò)微通道的破乳率高達(dá)42%。這一結(jié)果符合電破乳技術(shù)的一致規(guī)律：電場(chǎng)強(qiáng)度增加，提高了電場(chǎng)對(duì)乳狀液中液滴的聚并作用，從而提升了加電三維螺旋微通道對(duì)乳狀液的破乳率。

2.3微通道角度對(duì)破乳率的影響

固定直流電場(chǎng)強(qiáng)度為250V·cm?1、微通道高度為200μm、中空銅片5片，測(cè)定了W/O型乳狀液在2、4、6、8、10ml·min?15種流速下，微通道螺旋角度（90°、180°）對(duì)其單次破乳率的影響，結(jié)果如圖7所示。

圖7通道角度對(duì)破乳率的影響

由圖可知：在同樣片數(shù)下，180°銅片的破乳率約為90°銅片兩倍。由于同等片數(shù)下，180°銅片構(gòu)成的微通道長(zhǎng)度約為90°銅片微通道的兩倍，且由于流速及微通道高度相同，乳狀液在兩種微通道中的停留時(shí)間也為2倍關(guān)系，故推斷乳狀液的破乳率此時(shí)主要由其在微通道中停留時(shí)間決定。

2.4微通道高度對(duì)破乳率的影響

固定直流電場(chǎng)強(qiáng)度為250V·cm?1、螺旋角度為180°、中空銅片5片，測(cè)定了W/O型乳狀液在2～10ml·min?1流速范圍內(nèi)，不同通道高度（110、150、200μm）對(duì)其單次破乳率的影響，結(jié)果如圖8所示。

圖8通道高度對(duì)破乳率的影響

由圖可知隨著微通道高度減少，乳狀液的破乳率增加，當(dāng)微通道尺寸為110μm、流速為2ml·min?1時(shí)破乳率高達(dá)68%。這一結(jié)果與非加電微通道對(duì)O/W乳狀液的破乳結(jié)果[18]一致，推測(cè)在加電微通道中小的通道高度同樣易于實(shí)現(xiàn)限制流下乳狀液中分散相的相互聚并形成更大液滴，在離心力和電場(chǎng)力雙重作用下，加速實(shí)現(xiàn)兩相的最終分離。

為了探索不同通道高度對(duì)乳狀液破乳的規(guī)律，利用顯微鏡觀察了破乳前后的W/O型乳狀液中分散油滴的大小，如圖9所示。圖9(a)為破乳前W/O型乳狀液的顯微鏡照片，照片中明顯有大顆粒油滴存在，其平均粒徑在15μm左右。圖9(b)～(d)分別為W/O型乳狀液經(jīng)過(guò)通道高度為200、150、110μm的微通道破乳后的乳狀液照片，從照片中可以看出這3張照片中大液滴明顯減少，且通過(guò)測(cè)量得到圖9(b)～(d)中液滴的平均粒徑分別在11、10、9μm左右。以上結(jié)果說(shuō)明加電三維螺旋微通道能夠有效分離乳狀液中的大液滴，且隨著微通道高度的減少，微通道對(duì)W/O型乳狀液的切割粒徑也逐漸縮小。這是由于大液滴在電場(chǎng)與微通道的雙重耦合作用下更容易聚并，實(shí)現(xiàn)油水兩相分離，而且隨著微通道高度的減小，其對(duì)小液滴的作用增強(qiáng)，切割粒徑減少，并導(dǎo)致破乳率增加，這一規(guī)律與實(shí)驗(yàn)結(jié)果一致。

圖9破乳前和通過(guò)不同通道高度微通道破乳后的乳狀液顯微鏡照片

2.5微通道片數(shù)對(duì)破乳率的影響

固定直流電場(chǎng)強(qiáng)度為250V·cm?1、螺旋角度為180°、微通道高度為200μm，測(cè)定了W/O型乳狀液在2～10ml·min?1流速時(shí)，中空銅片片數(shù)（4、5、6片）對(duì)微通道單次破乳率的影響，結(jié)果如圖10所示。

由圖可知當(dāng)微通道片數(shù)增加時(shí)，乳狀液的破乳效果隨之增加，當(dāng)片數(shù)增加到6片時(shí)在流速為2ml·min?1破乳效果高達(dá)48%，且片數(shù)每增加一片破乳率增加約6%。增加通道片數(shù)將增加乳狀液在微通道中的停留時(shí)間，延長(zhǎng)微通道對(duì)其的作用時(shí)間，破乳率增加。

圖 10 微通道片數(shù)對(duì)破乳率的影響

2.6實(shí)驗(yàn)相關(guān)接觸角數(shù)據(jù)

利用JC2000D1接觸角測(cè)量?jī)x測(cè)量水、煤油和W/O型乳狀液在Cu片和PTFE片上的接觸角見(jiàn)表1。

表1接觸角

由表可知，Cu片具有雙親性，即親水和親油性，而PTFE片具有親油疏水性。W/O型乳狀液由于其連續(xù)相為油，故表現(xiàn)出與油相似的疏水性，其與Cu片或PTFE片的接觸角介于水和煤油的相應(yīng)接觸角之間。

3破乳機(jī)理

加電三維螺旋板式微通道對(duì)W/O型乳狀液的破乳過(guò)程中的主要作用是電場(chǎng)作用和微通道作用的雙重耦合。其中電破乳是由于W/O型乳狀液中的水滴在電場(chǎng)極化和靜電感應(yīng)的作用下，水滴兩端帶上不同極性的電荷，水滴將變形削弱膜界面強(qiáng)度，相鄰水滴正負(fù)電荷相互吸引，發(fā)生碰撞聚合形成大水滴，并從乳狀液中沉降分離開(kāi)來(lái)。其作用如圖11所示。

圖11加電三維螺旋狀板式微通道破乳的液滴聚并過(guò)程

微通道作用主要體現(xiàn)為表面力和微流體作用力。由于微通道中的PTFE片具有疏水親油性，油可以在PTFE片上完全鋪展，W/O型乳狀液進(jìn)入微通道后，連續(xù)相油相將會(huì)在PTFE片浸潤(rùn)，在PTFE片上形成一層“油膜”，在隔絕水與PTFE壁面接觸的同時(shí)還對(duì)連續(xù)油相構(gòu)成黏滯阻力，改變水滴與油相的相對(duì)流速，促進(jìn)破乳。同時(shí)，乳狀液在螺旋板式微通道中流動(dòng)時(shí)，流體會(huì)在螺旋狀的通道結(jié)構(gòu)中的離心力作用下，產(chǎn)生Dean渦流運(yùn)動(dòng)，在高剪切升力作用下，水滴將向Dean渦流的中心運(yùn)動(dòng)，其渦流中心偏向于微通道的外壁。乳狀液中的水滴將聚集于Dean渦流中心附近，形成“鏈狀”的水滴群，并隨著分散相一起流動(dòng)。“鏈狀”的水滴群中的水滴之間發(fā)生碰撞聚并成大水滴，進(jìn)一步發(fā)生聚并，并形成穩(wěn)定的相界面，發(fā)生破乳。上述過(guò)程中，由于微通道的微小尺寸產(chǎn)生的表面力作用和微流體作用力，強(qiáng)化了W/O型乳狀液的液液兩相分離過(guò)程，大大降低了對(duì)W/O型乳狀液電破乳時(shí)所需要的電場(chǎng)強(qiáng)度，縮小對(duì)乳狀液作用的切割粒徑，實(shí)現(xiàn)更高的破乳率。

在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中增加微通道的片數(shù)、降低乳狀液流速、增加微通道的角度增加了乳狀液在通道中的停留時(shí)間，增加了電場(chǎng)力和微通道作用力對(duì)乳狀液的作用時(shí)間，導(dǎo)致三維螺旋狀板式微通道對(duì)乳狀液的破乳率提升。在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中增加電場(chǎng)強(qiáng)度時(shí)，增加了乳狀液分散水滴之間的有效碰撞，進(jìn)而增加了水滴粒徑，加速了水相的沉降分離，從而提高破乳率。

4結(jié)論

在螺旋板式微通道兩端加上電場(chǎng)，利用中壓柱塞泵控制乳狀液通過(guò)微通道的流速，在8.5s內(nèi)實(shí)現(xiàn)W/O型乳狀液的快速高效破乳。由于電場(chǎng)與微通道的雙重耦合作用，對(duì)乳狀液的破乳過(guò)程起到了強(qiáng)化作用，破乳率最高可達(dá)到68%。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，增加電場(chǎng)強(qiáng)度或者增加乳狀液在微通道的停留時(shí)間均將大幅提升破乳率。

符號(hào)說(shuō)明

文獻(xiàn)來(lái)源化工學(xué)報(bào)DOI：10.11949/j.issn.0438-1157.20161732作者：蒲亞?wèn)|，阮達(dá)等（轉(zhuǎn)載僅供參考學(xué)習(xí)及傳遞有用信息，版權(quán)歸原作者所有，如侵犯權(quán)益，請(qǐng)聯(lián)系刪除）