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乳状液破乳机理

  乳状液本身具有热力学不稳定性,在一些物理化学作用下,会自发的向降低体系能量的方向发展,也就是小液滴逐渐聚并成大液滴。乳状液被破坏的过程包括分层、絮凝和聚结,这三个过程同时互相平行和衔接的过程。

  由于油水乳状液中油滴和水存在着密度差,油滴在受到重力和扩散力的作用下就会以不同的速率向容器的顶部或底部运动,从而使得乳状液发生分层。液滴的浓度分布cd(h)可以通过波尔兹曼模型(式1-1)来建立,其中液滴在任意高度h时的浓度同原始浓度cd(0)有下列关系:cd(h)=cd(0)exp(-mgh/kt)(1-1)式中cd(h)——液滴的浓度分布,mg/Lcd(0)——液滴的原始浓度,mg/L;m——液滴的有效质量,mg;h——液滴的高度,m;T——温度,℃;k——Boltzmann常数。

  由式(1-1)可知,当3kT4/3πRΔρgh时,重力作用远远大于扩散力的作用,就会发生完全的分层或聚沉。这个过程会使有效平均液滴大小增加并将使液滴分布变得更宽。分层和聚沉还会使得液滴的形状发生改变,但通常有凝聚及降粘作用,使液滴聚集变大从而分离。目前超声破乳多用于原油的破乳,其影响因素按顺序依次是声强、作用时间、温度,在混响场中,原油的含水率可降至0.4%。有研究表明,超声波在对原油脱水的同时还能同时脱盐,在温度为80℃,超声波功率为10kHz,强度为0.38W/cm2时作用5min,原油的脱水率和脱盐率分别可以达到92.6%和87.9%。气浮法是国内外含油废水处理的一种常用工艺,根据气泡产生方式的不同,可分为加压气浮、鼓气气浮、电解气浮等。其中应用最多的为加压气浮,它是通过向溶器中鼓入加压的气泡,利用气泡的上浮把油滴从乳状液中分离的方法。研究表明气浮法对含油废水中油的去除率可达98%以上。

  物理化学方法

  物理化学法主要是改变乳状液界面膜的性质,降低油滴表面电荷,从而破坏乳状液的稳定性,一般通过加入破乳剂来实现。物理化学法是目前应用最广泛的破乳方法。

  高价无机盐如Al2(SO4)3、Fe2(SO4)3、PbCl3等都是常用的破乳剂。加入无机盐的作用包括中和分散液滴的电荷,使水相密度加大和使乳化剂脱水。水溶性无机盐有很强的水合能力,它能破坏液滴表面上界面膜的乳化剂形成的水化层使界面膜变得不稳定,而加入水溶性无机盐使水相密度进一步提高,使油相与水相密度进一步加大,对油水分离有促进作用。夏立新等人对无机盐破乳进行了深入地研究,包括其影响因素、破乳机理和破乳效果等,结果表明,投加极少量的无机盐就能对O/W乳状液的破乳起到较好的促进作用。而高分子絮凝剂如聚丙烯酸钠和聚丙烯酰胺主要是通过架桥作用,将多个液滴连在一起从而聚沉分离。聚醚型破乳剂在喇1-2和喇2-1联合站应用,使加药量分别由2.8t/d降至1.8t/d和1.2t/d,污水含油量降低50%和40%。

  另外还可以加入一些可以使表面活性剂溶解或分解的药剂,使表面活性剂在水中的作用消失从而破乳。目前研究比较热门的微生物破乳剂就属于这一类,表面活性剂作为微生物生长所需要的营养物质被消耗的同时,其起到乳化作用的功能也被改变,从而达到破乳的目的。

  固体粉末也是一种很好的破乳剂,其特点是在油水两相有相似的溶解性能,因而倾向于吸附在相界面起到降低界面张力的作用。当加入某种表面活性剂使固体粉末被某一相完全润湿时,它就会脱离界面而使乳状液破坏。另外越来越多的复配型破乳剂在原油及含油废水的破乳中被应用。液滴直径小于100μm时,这种形变的影响非常小,因此,大多数情况这种影响可以忽略。同时由于溶液的搅动以及液滴的扩散作用,使得油珠相互聚集,液滴间的连续相液膜逐渐变薄直至破裂,导致小液滴聚结合并成大液滴。在分层的过程中,由于运动速度的差异,速度大的液滴也会追赶上速度小的液滴而发生絮凝。

  分散相的聚沉是一个两步的过程。在第一步的絮凝过程中,分散相的液珠聚集成团,但各液珠仍然存在,这些团常常是可逆的。从分层观点来看,这些团像一个液滴,倘若团与介质间的密度差是足够大的,则此过程能使分层加速;若乳状液是足够浓的,它的黏度就会显著增加。在第二步的聚结过程中,这些团合成一个大液滴,此过程是不可逆过程,导致液珠数目的减少和最后乳状液的完全破坏。

  乳状液破乳方法

  常用的破乳方法可分为物理机械方法、物理化学方法、电破乳法和微波破乳法等。通常情况下乳状液的破乳过程都不是由单一方法完成的,而需要几种方法进行组合。

  1物理机械方法

  包括静置上浮、离心分离、超声波处理、气浮法、强制过滤、加热等方法。

  静置上浮(沉降分离)是基于乳状液中分散相和连续相的密度差异,对于O/W型乳状液来说,分散相(油相)会发生上浮,通常粒径为10μm的油珠在水中会以2cm/h的速度上浮,因此只要静置时间足够长,是可以实现乳状液的油水分离的。沉降分离的效率与油珠的粒径有直接关系,粒径越大,分离也就越容易。具体联系污水宝或参见http://www.dowater.com更多相关技术文档。

  而利用离心分离的方法一般比静置分离要快得多,因为产生的离心力与旋转轴的半径成正比而与旋转速度平方成正比,高速离心机的转速可达17000r/min。蒋明虎等采用的以水力旋流工艺为核心的含油污水工艺处理后含油量由1000mg/L降至1.9~3.5mg/L。夏福军等对水力旋流器结构进行改进,增加了旋流定向器并优化了旋流器切口入口的结构,在对含油量为2000mg/L的污水进行处理后,含油量可降至0.61mg/L。在制备乳状液是通常会采用超声波来作为搅拌的方式,但是控制在一定强度下,也可以通过超声波的处理来实现破乳。主要是利用

  3电破乳法

  电破乳法主要用于W/O型乳状液。在高压电场的作用下,由极性分子组成的乳化膜被干扰,导致分子重排,乳状膜破裂,从而使得水滴极化(偶极分子的定向极化)后,水滴相互吸引并聚集成大水滴,最终在重力作用下分离出来。利用电场使乳状液破乳脱水具有很好的效果。阎军,毛宗强等人将静电场和离心力联合起来破乳,沈江南等利用旋流静电场破乳,李可彬研制的涡旋电场法均取得了很好的破乳效果。电破乳技术目前已经比较成熟,应用也很广泛,但破乳时需要外加电场,大大的增加了处理成本,因此多用于油包水型乳状液,对于含水量比较大的含油污水并不适用。

  4微波破乳

  微波在辐射时产生高频磁场,带动极性分子高速旋转,从而导致乳状液的界面膜被破坏,实现油水分离。微波破乳最初是由Klaika和Wolf提出来的。2000年,美国埃克森美孚公司开发了MST工艺,利用微波发生器进行破乳,从而实现了工业应用。王鹏等通过微波辐射技术对模拟乳状液进行破乳,结果表明,在pH值为2~3,微波功率600W下辐射1min后静置1h,乳状液COD去除率可达到70~75%。刘晓艳等研究了微波破乳的影响因素,结果表明微波辐射功率、静置时间、乳状液的含水率对油水分离的效率均有影响。夏立新等的研究表明在无机盐存在的情况下,微波破乳比加热破乳效果和效率都提高很多,由此也得出微波破乳应是热效应和非热效应共同作用的。


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