加电三维螺旋板式微通道对 WO 型乳状液的破乳

液-液两相分离是化工过程的重要操作单元，相应的高效分离设备是许多重要工艺必不可少的组成部分。破乳是乳状液去乳化的过程。传统的破乳方法，如旋流分离、电破乳、斜板沉降、膜法、生物法、微通道法等，普遍存在着设备投资大、能耗高、具有二次污染以及对小液滴分离效率低等问题。

随着“生态文明建设”等环保理念的提出，现代工业亟需适用范围广、环境友好、分离效率高、能耗低的新型破乳技术。实验旨在利用电破乳和微通道破乳的双重耦合作用强化W/O型乳状液的破乳过程。电破乳技术是20世纪90年代发展起来的破乳方法。电破乳技术常用于W/O型乳状液的破乳，破乳时需要0.83～10kV·cm?1的电场强度，常规大型电破乳技术需要6～12kV的超高电压，且当乳状液的含水量增加时会由于电极短路而导致击穿现象，危险性较高。微通道技术已经成为化工领域的一个重要发展方向。自20世纪80年代“微槽”的概念被提出以来，常规的化工设备特征尺度由“毫米”降到“亚微米和亚毫米”的级别。随后，微通道逐渐被应用于微流控设备、微反应器、微换热器、微混合器、微分离器（可用于破乳过程）等方面。日本学者Okubo等首次将微通道应用O/W型乳状液破乳的研究，实现了液-液分离。芬兰的Kolehmainen研究组[17]制作出了与Okubo等相似的微通道设备进行破乳。四川大学陈晓等设计制作了直线型板式微通道实现对O/W型乳状液的连续破乳，循环破乳5～20次，破乳率可达90%。由于流体在微通道中流动时会产生特殊的流型特性，如壁面滑移、限制流、Dean涡流，能够显著降低层流边界层厚度，减少传递阻力，所以在化工生产中具有很好的过程强化作用。

实验研究采用了三维螺旋板式微通道，将电破乳与三维螺旋微通道相结合，利用直流电场与微通道的双重耦合作用强化微通道对W/O型乳状液的油水分离过程，使破乳电压大大降低，仅为10～100V，提高了电破乳过程的安全性。此外，设备还具有加工简单、易拆装、阻力小、易清洗等诸多优点。

1实验部分

1.1 实验药品和仪器

煤油（过滤处理）；硫酸（分析纯）、Span80（分析纯）、无水乙醇（分析纯）。直流稳压稳流电源（MWY-40010）；中压柱塞泵（Flash100）；高速均质分散机（FJ-200）；电子天平（AR224CN）；接触角测量仪（JC2000D1）；显微镜（UB200i）。

1.2 实验装置

实验装置图如图1所示，它由储液烧瓶、中压柱塞泵、直流稳流稳压电源、三维螺旋微通道装置和尾液收集离心管组成。

图1实验装置

图2为三维螺旋微通道的实物图及内部结构示意图。图2(a)中：1为螺杆，用于微通道的封装，防止漏液；2为不锈钢支架；3为PTFE包覆的不锈钢拉杆；4为10mm厚PTFE板，用作绝缘片防止通道短路；5为不锈钢压板；6为不锈钢端板，位于微通道两侧；7、8为正负极加电夹，可以与不锈钢端板相连，为微通道内部提供0～400V的稳定直流电场；9为微通道出口；10为微通道进口；11为微通道部分，其内部结构详见图2(b)。图2(b)为加电三维螺旋微通道的内部分解图，其中1为微通道整体图；2为不锈钢端板；3为中空铜片；4为带孔的PTFE片。其中，微通道尺寸主要是决定于3中空铜板的厚度与螺旋角度。图2(c)为铜片和PTFE片实物图，从上到下分别为180°弧形槽中空铜片、90°弧形槽中空铜片、带孔PTFE片。

图2加电三维螺旋微通道实物及结构分解

实验中，微通道按照如图2(b)所示进行组装，具体组装步骤见1.3.2节。

1.3 实验步骤

1.3.1 W/O型乳状液的制备实验所制备的破乳目标乳状液采用了姚志坤等报道的条件，具体步骤如下：预先制备0.25mol·L?1的H2SO4溶液，100g·L?1的Span80乳化剂。量取Span80乳化剂3ml，煤油47ml，H2SO4溶液40ml，依次添加后混匀。利用高速均质分散机在14000r·min?1转速下搅拌2min，将混合液制成均一稳定的W/O型乳状液。静置沉降一定时间后，按照式(1)评价乳状液的稳定性

式中，J为乳状液的稳定性；Vemulsion为静置后剩余乳状液的体积；Vtotal为静置前收集的乳状液的总体积；Vwater为静置后析出的水相体积；Vkerosene为静置后析出的油相体积。实验所得目标乳状液的稳定性在2h内可达88%以上。

1.3.2 微通道的组装

三维螺旋微通道的组装步骤如下：①平放不锈钢支架，旋出螺杆；②取下一个PTFE包覆的不锈钢拉杆，把PTFE片、铜片按图2(b)所示顺序排列，构成微通道部分；③将PTFE板、不锈钢压板、不锈钢端板和微通道部分按图2(a)所示顺序排列，置于未取下的PTFE包覆的不锈钢拉杆上，用另一个拉杆对其固定；④旋紧螺杆，完成组装。

1.3.3 破乳实验

首先将目标乳状液利用中压柱塞泵精确控制其流速送入三维螺旋微通道，同时利用直流稳压电源在微通道两端施加所需额定电场，实现破乳过程，最后在微通道出口处收集破乳后尾液，读数并记录其破乳率。乳状液破乳率为乳状液通过微通道破乳后析出的水相体积占水相总体积的百分比，即

式中，η为乳状液的破乳率；V'water为破乳后析出的水相体积；V'total为离心管中收集的总体积；?为乳状液的含水率。

2结果与讨论

2.1加电微通道破乳效果

当W/O型乳状液单次经过加电三维螺旋板式微通道后，在0.78～8.5s的作用时间内，迅速出现乳状液油水分离现象，如图3所示。图3(a)表明乳状液进入微通道前呈油水两相分散均匀的乳白色；而当乳状液通过微通道后明显出现油水分段现象，说明微通道装置对乳状液具有快速分离效果。图3(b)中两离心管分别为微通道分离前后的乳状液，同样显示出分离前的乳状液无油水分离现象，而分离后的乳状液下层可以看到透明水层，上层出现了大量的油层，更直观地体现了微通道对W/O型乳状液的快速破乳效果。

图3破乳效果照片

为了与上述实验结果进行对比，利用中压柱塞泵将W/O型乳状液输送通过不加电微通道（英文缩写为3D-SPM），结果如图4所示。图4(a)为乳状液经过中压柱塞泵输出后进出不加电微通道前后的管路照片，图4(b)为经过中压柱塞泵输出后进入不加电微通道前后的乳状液照片。由于油水均匀分散的乳状液呈现不分层的乳白色，故由图4可知：通过中压柱塞泵以及不加电微通道装置，均对W/O型乳状液没有分离效果。

图4不加电的破乳效果照片

同时，将图2(a)中的微通道部分更换为1cm×1cm比色皿，考察了仅施加电场情况下，W/O型乳状液的分离效率，如图5所示。利用如图5(a)的实验装置，在250V?cm?1的电场强度下作用5min后，比色皿中乳状液仍呈现均匀乳白色，未出现油水分离现象，见图5(b)所示。

图5仅在直流电场作用下的破乳照片

通过以上3组实验，可以明显看出：仅依靠三维螺旋微通道作用，或仅施加电场情况下，W/O型乳状液均未出现破乳现象；当乳状液同时受到微通道和电场的双重作用时，仅需0.78～8.5s即可实现快速的油水分离。以上结果表明：在电破乳与微通道破乳的双重耦合作用下，能够实现对W/O型乳状液的快速高效破乳过程。

2.2电场强度对破乳率的影响

固定微通道高度为200μm、螺旋角度为180°、中空铜片5片，在4组直流电场强度条件下（250、225、200、175V·cm?1），测定了W/O型乳状液在2、4、6、8、10ml·min?15种流速下单次通过三维螺旋状微通道时的破乳率，结果如图6所示。

图6电场强度对破乳率的影响

由图可知，随着电场强度的升高，微通道对乳状液的破乳率明显升高，在乳状液流速为2ml·min?1、电场强度为250V·cm?1时乳状液单次通过微通道的破乳率高达42%。这一结果符合电破乳技术的一致规律：电场强度增加，提高了电场对乳状液中液滴的聚并作用，从而提升了加电三维螺旋微通道对乳状液的破乳率。

2.3微通道角度对破乳率的影响

固定直流电场强度为250V·cm?1、微通道高度为200μm、中空铜片5片，测定了W/O型乳状液在2、4、6、8、10ml·min?15种流速下，微通道螺旋角度（90°、180°）对其单次破乳率的影响，结果如图7所示。

图7通道角度对破乳率的影响

由图可知：在同样片数下，180°铜片的破乳率约为90°铜片两倍。由于同等片数下，180°铜片构成的微通道长度约为90°铜片微通道的两倍，且由于流速及微通道高度相同，乳状液在两种微通道中的停留时间也为2倍关系，故推断乳状液的破乳率此时主要由其在微通道中停留时间决定。

2.4微通道高度对破乳率的影响

固定直流电场强度为250V·cm?1、螺旋角度为180°、中空铜片5片，测定了W/O型乳状液在2～10ml·min?1流速范围内，不同通道高度（110、150、200μm）对其单次破乳率的影响，结果如图8所示。

图8通道高度对破乳率的影响

由图可知随着微通道高度减少，乳状液的破乳率增加，当微通道尺寸为110μm、流速为2ml·min?1时破乳率高达68%。这一结果与非加电微通道对O/W乳状液的破乳结果[18]一致，推测在加电微通道中小的通道高度同样易于实现限制流下乳状液中分散相的相互聚并形成更大液滴，在离心力和电场力双重作用下，加速实现两相的最终分离。

为了探索不同通道高度对乳状液破乳的规律，利用显微镜观察了破乳前后的W/O型乳状液中分散油滴的大小，如图9所示。图9(a)为破乳前W/O型乳状液的显微镜照片，照片中明显有大颗粒油滴存在，其平均粒径在15μm左右。图9(b)～(d)分别为W/O型乳状液经过通道高度为200、150、110μm的微通道破乳后的乳状液照片，从照片中可以看出这3张照片中大液滴明显减少，且通过测量得到图9(b)～(d)中液滴的平均粒径分别在11、10、9μm左右。以上结果说明加电三维螺旋微通道能够有效分离乳状液中的大液滴，且随着微通道高度的减少，微通道对W/O型乳状液的切割粒径也逐渐缩小。这是由于大液滴在电场与微通道的双重耦合作用下更容易聚并，实现油水两相分离，而且随着微通道高度的减小，其对小液滴的作用增强，切割粒径减少，并导致破乳率增加，这一规律与实验结果一致。

图9破乳前和通过不同通道高度微通道破乳后的乳状液显微镜照片

2.5微通道片数对破乳率的影响

固定直流电场强度为250V·cm?1、螺旋角度为180°、微通道高度为200μm，测定了W/O型乳状液在2～10ml·min?1流速时，中空铜片片数（4、5、6片）对微通道单次破乳率的影响，结果如图10所示。

由图可知当微通道片数增加时，乳状液的破乳效果随之增加，当片数增加到6片时在流速为2ml·min?1破乳效果高达48%，且片数每增加一片破乳率增加约6%。增加通道片数将增加乳状液在微通道中的停留时间，延长微通道对其的作用时间，破乳率增加。

图 10 微通道片数对破乳率的影响

2.6实验相关接触角数据

利用JC2000D1接触角测量仪测量水、煤油和W/O型乳状液在Cu片和PTFE片上的接触角见表1。

表1接触角

由表可知，Cu片具有双亲性，即亲水和亲油性，而PTFE片具有亲油疏水性。W/O型乳状液由于其连续相为油，故表现出与油相似的疏水性，其与Cu片或PTFE片的接触角介于水和煤油的相应接触角之间。

3破乳机理

加电三维螺旋板式微通道对W/O型乳状液的破乳过程中的主要作用是电场作用和微通道作用的双重耦合。其中电破乳是由于W/O型乳状液中的水滴在电场极化和静电感应的作用下，水滴两端带上不同极性的电荷，水滴将变形削弱膜界面强度，相邻水滴正负电荷相互吸引，发生碰撞聚合形成大水滴，并从乳状液中沉降分离开来。其作用如图11所示。

图11加电三维螺旋状板式微通道破乳的液滴聚并过程

微通道作用主要体现为表面力和微流体作用力。由于微通道中的PTFE片具有疏水亲油性，油可以在PTFE片上完全铺展，W/O型乳状液进入微通道后，连续相油相将会在PTFE片浸润，在PTFE片上形成一层“油膜”，在隔绝水与PTFE壁面接触的同时还对连续油相构成黏滞阻力，改变水滴与油相的相对流速，促进破乳。同时，乳状液在螺旋板式微通道中流动时，流体会在螺旋状的通道结构中的离心力作用下，产生Dean涡流运动，在高剪切升力作用下，水滴将向Dean涡流的中心运动，其涡流中心偏向于微通道的外壁。乳状液中的水滴将聚集于Dean涡流中心附近，形成“链状”的水滴群，并随着分散相一起流动。“链状”的水滴群中的水滴之间发生碰撞聚并成大水滴，进一步发生聚并，并形成稳定的相界面，发生破乳。上述过程中，由于微通道的微小尺寸产生的表面力作用和微流体作用力，强化了W/O型乳状液的液液两相分离过程，大大降低了对W/O型乳状液电破乳时所需要的电场强度，缩小对乳状液作用的切割粒径，实现更高的破乳率。

在实验过程中增加微通道的片数、降低乳状液流速、增加微通道的角度增加了乳状液在通道中的停留时间，增加了电场力和微通道作用力对乳状液的作用时间，导致三维螺旋状板式微通道对乳状液的破乳率提升。在实验过程中增加电场强度时，增加了乳状液分散水滴之间的有效碰撞，进而增加了水滴粒径，加速了水相的沉降分离，从而提高破乳率。

4结论

在螺旋板式微通道两端加上电场，利用中压柱塞泵控制乳状液通过微通道的流速，在8.5s内实现W/O型乳状液的快速高效破乳。由于电场与微通道的双重耦合作用，对乳状液的破乳过程起到了强化作用，破乳率最高可达到68%。实验结果表明，增加电场强度或者增加乳状液在微通道的停留时间均将大幅提升破乳率。

符号说明

文献来源化工学报DOI：10.11949/j.issn.0438-1157.20161732作者：蒲亚东，阮达等（转载仅供参考学习及传递有用信息，版权归原作者所有，如侵犯权益，请联系删除）