翁燕玲，金 央，李 軍，賈旭宏，吳昊游

（四川大學化學工程學院，四川成都610065）

乳化萃取是一種新型的萃取方法［1-2］，采用乳化法萃取濕法磷酸［3］，可以強化萃取過程，使達到萃取平衡所需的時間大大縮短。乳化萃取過程完成后，需要實現(xiàn)油水相的分離，這就要求對乳狀液進行破乳。

目前已知的破乳方法主要為化學破乳法、物理破乳法、生物破乳劑法、聯(lián)合破乳法和膜破乳法［4-6］，其中物理破乳法因其成本低、效果好、無污染、便于后續(xù)處理等優(yōu)點得到廣泛使用。超聲波是一種清潔、高效的能源，基于超聲波作用于性質不同的流體介質產(chǎn)生位移效應，使乳狀液中的分散相液滴聚積并發(fā)生碰撞，生成直徑較大的液滴，然后沉降分離［7］。國內(nèi)外的研究表明，在低聲強和一定頻率下，超聲能使乳狀液破乳［8-10］。離心破乳法能夠快速有效地分離乳狀液，其原理是根據(jù)油水之間密度的不同，利用物體旋轉時產(chǎn)生的強大離心力，形成沖撞力或剪切力作用于乳狀液，促使乳狀液中分散相液滴聚結，進而促進乳狀液破乳［11］。

筆者采用超聲破乳法和離心破乳法對乳狀液進行破乳研究，考察了超聲時間、超聲功率、離心時間、離心功率等參數(shù)對乳狀液破乳的影響。

1 實驗原料

實驗原料為取自云南的濕法磷酸，其主要成分如表1所示。萃取劑為磷酸三丁酯（TBP），稀釋劑為煤油。

表1 濕法磷酸原料主要化學組成 %

2 實驗方法

2.1 乳狀液的制備

以原料酸為分散相，以萃取劑磷酸三丁酯為連續(xù)相配置乳狀液。按實驗所需的相比準確量取萃取劑和原料酸，置于自制的玻璃容器中，恒溫至50℃，采用98-IIIDL型超聲波細胞粉碎機進行乳化萃取實驗，超聲功率設置為400 W，超聲時間設置為2 min。

2.2 自然沉降破乳

按2.1節(jié)的方法制備乳狀液，采用OPUS在線粒度儀測量乳狀液液滴粒徑大小，并記錄乳狀液破乳分離出的水相（分散相）的體積Vt和兩相完全分離后水相的總體積V。

2.3 超聲破乳

按2.1節(jié)的方法制備乳狀液，采用KQ3200DE型數(shù)控超聲波清洗器進行破乳實驗，考察超聲時間和超聲功率對破乳效果的影響。記錄乳狀液破乳分離出的水相（分散相）的體積Vt隨超聲破乳后乳狀液靜置時間的變化和兩相完全分離后水相的總體積V。

2.4 離心破乳

按2.1節(jié)的方法制備乳狀液，采用TG18-WS型臺式高速離心機進行破乳實驗，考察離心轉速和離心時間對破乳效果的影響。記錄乳狀液破乳分離出的水相（分散相）的體積Vt隨離心破乳后乳狀液靜置時間的變化和兩相完全分離后水相的總體積V。

3 實驗結果與討論

用破乳率表征兩相分離效率，破乳率（D）：

3.1 自然沉降破乳實驗結果

圖1為采用自然沉降破乳方法破乳，乳狀液中不同粒度的液滴的頻度分布隨靜置時間的變化。

圖1 液滴頻度分布

由圖1可以看出，乳狀液中液滴的頻度分布隨靜置時間變化不大，靜置時間由5 min變?yōu)?0 min時，粒度在 0.89 μm以下的液滴由 0.26%增至2.27%，粒度在8.91 μm以下的液滴由15.99%增至29.17%，粒度在14.13 μm以下的液滴由40.05%增至55.97%，粒度在35.48 μm以下的液滴由96.99%增至97.92%。靜置10 min以后，液滴頻度分布基本保持不變。這是因為乳狀液中分散相黏度大，液滴的移動速度緩慢，碰撞幾率小，所以發(fā)生碰撞聚并的液滴少，乳狀液中液滴的頻度分布隨時間基本不變。

圖2是采用自然沉降法破乳時，靜置時間對破乳效果的影響。由圖2可知，10 min前破乳率隨時間的延長一直上升，10min后基本不變。這是因為10min前，液滴粒徑較大的粒子在自身重力作用下，快速下沉，與連續(xù)相分離；而10 min以后，粒徑小的液滴在黏滯阻力作用下難以快速下沉。由此可見，按2.1節(jié)的方法制備的乳狀液，自然沉降破乳時兩相分離效果差，靜置30 min破乳率只能達到33%，兩相完全分離需要數(shù)小時甚至更長時間。

圖2 靜置時間對破乳率的影響

3.2 超聲破乳實驗結果

3.2.1 超聲時間對破乳效果的影響

圖3為在超聲功率為100 W的條件下，超聲時間對破乳效果的影響。由圖3可以看出，超聲時間分別為1、5、10、15 min時，破乳率都隨著靜置時間的延長而增大。這是因為乳狀液中分散相液滴相互碰撞、聚并成相對較大的液滴，隨著靜置時間的延長，越來越多的液滴沉降分離。此外，破乳率隨著超聲時間的延長而增大，當超聲時間為15 min時，破乳率可達72%。這是因為超聲作用于乳狀液，使乳狀液中分散相與連續(xù)相一起振動。大小不同的分散相液滴具有不同的相對振動速度，液滴相互碰撞、聚并成相對較大的液滴，隨后繼續(xù)與其他分散相液滴開始新的碰撞、聚并，直到液滴的粒徑足夠大，最后沉降分離。超聲波對乳狀液的破乳效果取決于位移效應，超聲時間低于15 min時，超聲波所產(chǎn)生的位移效應未能完全體現(xiàn)，液滴碰撞、聚并未結束。

圖3 超聲時間對破乳率的影響

由圖3還可以看出，超聲時間為1～5 min時，破乳率的增長幅度較快；超聲時間達到5 min以后，破乳率的增長就比較緩慢。這是因為隨著超聲時間的延長，乳狀液中分散相液滴發(fā)生碰撞、聚并沉降也越多。隨著乳狀液中的分散相液滴數(shù)量減少，碰撞幾率降低。

3.2.2 超聲功率對破乳效果的影響

在超聲時間為15 min的條件下，選擇超聲功率分別40、60、80、100 W，考察了超聲功率對破乳效果的影響，結果見圖4。由圖4可以看出，隨著超聲功率的增大，破乳效果反而降低。超聲功率為40 W時，破乳率可達80%，效果最佳。超聲破乳實驗表明，超聲波作用于乳狀液，能夠加快分散相液滴碰撞聚并，使其快速下沉，加快了乳狀液的破乳。但超聲功率并非越大越好，因為超聲既可以使兩相乳化，又可以加快兩相破乳，超聲功率較大時，乳化作用和破乳作用并存，因此會削弱破乳作用，令破乳效果不佳。國內(nèi)外研究表明，超聲波存在一定的空化閾值，超聲波破乳需控制在其空化閾值以下，否則會造成進一步的乳化。因此，超聲時間為15 min、超聲功率為40 W時，破乳效果最佳。

圖4 超聲功率對破乳率的影響

3.3 離心破乳實驗結果

3.3.1 離心轉速對破乳效果的影響

圖5為離心時間為5 min的條件下，離心轉速對破乳效果的影響。由圖5可以看出，破乳率隨離心轉速的增加而增大。離心轉速為500 r/min時，隨靜置時間的增加，破乳率增長緩慢，只達到70%。這是因為乳狀液具有一定的黏度，液滴沉降過程中要克服黏滯阻力，在離心作用下，粒徑較大的液滴能夠快速與連續(xù)相分離，而粒徑較小的液滴就需要更高的離心轉速才能從乳狀液里快速沉降，所以破乳率增長緩慢。離心轉速為1 000 r/min時，破乳率隨靜置時間的增加而增大，靜置到5 min以后，破乳率基本不變，相較于離心轉速為500 r/min時，破乳率漲幅較大。這表明隨著離心轉速的提高，使得乳狀液中部分粒徑較小的液滴在離心作用下也能快速下沉。離心轉速為1 000 r/min與1 500 r/min時破乳率增長并不多，這是因為離心轉速越快，離心場越強，破乳效果越好。但是隨著乳狀液中液滴的聚并下沉，乳狀液中的液滴減少，碰撞聚集幾率降低，需要更高的轉速來增大乳狀液中的液滴碰撞聚集幾率。離心轉速為3 000 r/min時，破乳率達到100%，油水兩相完全分離。這表明此時離心轉速已經(jīng)達到一定程度，使得乳狀液中全部液滴都可以快速沉降；離心轉速為2 000 r/min時，破乳率達到97%，滿足實驗要求，考慮到能耗問題，因此選擇適宜的離心轉速為2 000 r/min。

圖5 離心轉速對破乳率的影響

3.3.2 離心時間對破乳效果的影響

在離心轉速為2 000 r/min的條件下，選擇離心時間分別為 1、2、3、4、5 min，考察了離心時間對破乳效果的影響，結果見圖6。由圖6可知，破乳率隨離心時間的增加而增大。乳狀液中液滴要克服黏滯阻力，快速沉降，需要提供一定時間以維持離心作用。離心轉速為3 min時，破乳率達到97%。當離心時間達到3 min后，增加離心時間破乳率不再增大，這是因為乳狀液中大部分液滴都已經(jīng)沉降，只剩個別液滴因為粒徑較小，在當前離心轉速條件下無法實現(xiàn)快速沉降。綜合考慮，實驗選擇適宜的離心時間為3min。

圖6 離心時間對破乳率的影響

4 結論

由自然沉降破乳實驗結果可以看出，采用自然沉降破乳，乳狀液中液滴的聚并緩慢，需要的破乳時間很長。由超聲破乳實驗可知，超聲時間為15 min、超聲功率為40 W時，破乳率可達80%。由離心破乳實驗可知，離心轉速為2 000 r/min、離心時間為3 min時，破乳率可達97%。實驗進一步研究了超聲、離心聯(lián)合作用于乳狀液破乳的方法。研究表明，采用超聲波法可以加快乳狀液破乳，但是乳狀液不能在短時間內(nèi)完全破乳；采用離心破乳法可以使乳狀液在短時間內(nèi)完全破乳，但是所需轉速太大。因此下一步將進行超聲與離心聯(lián)用對乳狀液破乳的研究。

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