原油乳状液及化学破乳剂(3)

2020-04-21 07:41

④乳化剂及其在界面沉淀的膜的性质; ⑤颗粒大小分布。

外相粘度:在所有关于乳状液粘度的理论中皆将外相粘度η0当作是决定乳状液最终粘度的最重要参数。多数公式都指出乳状液粘度与η0成正比:

η=η0(X)

其中X代表一切能影响乳状液粘度的性质之总和。在许多乳状液中乳化剂溶于外相之中,因此η0应是外相溶液的粘度。

内相浓度:除了化学成分外,描述乳状液的一种主要参数就是内相与外相的体积比φ。代表球体紧密堆积的φ的自然值为0.74,在较稀的乳状液中内相的确以球体存在,故处理粘度时φ是适宜的参数。对于刚性球体,Einstein极限定律为:η=η0(1+2.5φ),此式是一个极限公式,在φ大于0.02的体系中,其准确程度不高,因此其应用范围极其有限。

(2)触变性

对于非牛顿流体而言,其表观粘度表现出强烈的时间依赖关系,即它们的粘度在恒定的剪切力(或剪切速率)作用下会随时间而变,其变化趋势有两种情况:一类粘度随时间而逐渐减少,称为触变性流体;另一类粘度随时间而逐渐增加称为流凝性流体。在流变学中把在外界应力一定时,流体粘度随时间而下降的性质叫触变性。流体具有触变性与它的内部结构有关,实际情况相当复杂,许多问题尚不清楚,有人认为流体在剪切力作用下的流动过程中,它的内部结构逐渐被破坏导致粘度降低,而当外界应力解除之后,它的内部结构又可逐渐恢复导致粘度又逐渐增加,因此表现出触变性。

(3)粘弹性

具有粘度是液体的典型性质,粘度大的液体,说明需要施加较大

的外力才能克服分子间的吸引力,使液体保持相对流动;而弹性是橡胶、弹簧这类固体的特有性质,在外加应力的作用下这些固体可以发生形变,同时内部产生反抗外力的弹性,而且反抗形变的弹力与形变大小成正比。形变越大,弹力也越大,当外加应力消失后,在弹力作用下物体就恢复原状,形变消失。有些乳状液也具有粘弹性的复杂流变特性。它的变化规律既不完全符合弹性固体的变化规律(形变越大、弹力也越大,外力作用消失后在弹力作用下形变恢复),又不像理想流体那样在外应力作用下发生流动变形,不可能恢复原状。而是表现为在外界应力作用的最初瞬间,发生微小形变时符合变形越大,弹性也正比加大的规律,并且外力消失可恢复原状,但形变加大到一定程度,既不符合上述规律,外力消失后形变也会逐渐变小,有时会恢复原状,但有时会残留下永久变形。

在讨论乳状液性质时,可以略提一提布朗运动。在一般的乳状液中,多数液珠没有布朗运动,但是对于比较小的液珠,这种运动是可观的,这将影响乳状液的稳定性。由于布朗运动增加质点间碰撞的机会,因而也就增加乳状液聚沉的速度。 7.1.3乳状液的稳定性理论

乳状液是一种多相分散体系,液珠与介质之间存在着很大的相界面,体系的界面能很大,属于热力学不稳定体系。关于乳状液的形成和稳定性,直到现在为止还没有一个完整的理论。因此,在某种意义上讲,乳状液的稳定理论还停留在解释乳状液性质的阶段。 所谓稳定,是指所配制的乳状液在一定条件下,不破坏、不改变类型。根据乳化剂的作用,乳状液的形成、稳定原因可归纳为以下几个方面:界面张力的降低;界面膜的形成;扩散双电层的建立;固体的润湿吸附作用等。

7.1.3.1低界面张力

乳状液是多相粗分散物系,界面总面积及界面能是很大的,是热力学不稳定体系,加入乳化剂(一般为表面活性剂)能降低界面张力,促使乳状液稳定。例如,煤油与水的界面张力一般为49mN/m,加入适当的乳化剂(如聚氧乙烯聚氧丙烯嵌段聚醚类表面活性剂)后界面张力可降至1mN/m以下,此时可形成比较稳定的乳状液。但是,油水界面间仍然还有界面能,还是不稳定。由此看来,只靠降低界面张

力和界面能,还不足以维持乳状液的稳定。

并非任何一种表面活性剂都能形成稳定的乳状液。乳化剂对稳定乳状液有一定的选择性,最常用的判断方法是根据HLB值(HydropHile-LipopHile Balance)作出选择。表7–2为各种体系所要求的HLB值范围。

一般地讲,HLB值有加合性,因而可以据此预测一种混合乳化剂的HLB值。

表7–2 HLB值范围及其应用

HLB

应用

W/O乳

3~6

化剂

7~9 8~18

化剂

13~15 15~18

洗涤剂 加溶剂 润湿剂 O/W乳

7.1.3.2界面膜的性质

在油–水体系中加入表面活性剂后,在降低界面张力的同时,根据Gibbs吸附定理,表面活性剂必然在界面发生吸附,形成界面膜,膜的强度和紧密程度是乳状液稳定的决定因素。若界面膜中吸附分子排列紧密,不易脱附,则膜具有一定的强度和粘弹性,对分散相液珠起保护作用,使其在相互碰撞时不易聚结,从而形成稳定的乳状液。

界面膜与不溶性膜相似,当表面活性剂浓度较低时,界面上吸附的分子较少,膜中分子排列松散,膜的强度差,形成的乳状液不稳定。当表面活性剂的浓度增加到能在界面上形成紧密排列的界面膜时,膜的强度增加,足以阻碍液珠的聚结,从而使得形成的乳状液稳定。形成界面膜的乳化剂结构与性质对界面膜的性质影响很大,例如同一类型的乳化剂中,直链结构的比带有支链结构所形成的膜更稳定。研究表明,乳化剂分子结构和外相粘度对界面膜的粘度有重要的影响,它们能影响到液滴在外力作用下界面膜发生变形和恢复原状的能力。另一方面,如果乳化剂能增加分散介质的粘度,分子量较大的乳化剂或乳化稳定剂就其类似性质,可以有效地阻止液滴凝聚,从而稳定乳状液。乳化剂分子在界面的吸附形式(是直立式还是平卧式)、吸附在界面上链节的多少以及受温度和电解质影响的大小对乳状液的稳定性都有很重要的作用。

实践中人们发现,混合乳化剂形成的复合膜具有相当高的强度,不易破裂,所形成的乳状液很稳定,这是因为混合乳化剂在油水界面上形成了混合膜,吸附的表面活性剂分子在膜中能紧密排列。例如,将含有胆甾醇的液体石蜡分散在十六烷基硫酸钠水溶液中,可得到稳定的O/W型乳状液,而只用胆甾醇或只用十六烷基硫酸钠,生成的是不稳定的O/W型乳状液。又如,在甲苯–0.01mol·L-1十二烷基硫酸

钠溶液中加入十六醇,界面张力可降低至零的程度,这有利于乳化。界面张力降低导致界面吸附量增大,而且乳化剂分子与极性有机物分子间的相互作用,使得界面膜分子的排列更加紧密,膜的强度增加。对于离子型表面活性剂,界面吸附量的增加还能使界面上电荷增加,从而液滴间的排斥更大。这些都有利于乳状液的稳定。

混合膜理论的研究表明,只有界面膜中的乳化剂分子紧密排列形成凝聚膜,才能保证乳状液的稳定。

7.1.3.3扩散双电层

胶体质点上的电荷可以有三个来源,即电离、吸附和摩擦接触。在乳状液中,电离和吸附是同时发生的,二者的区别常常很不明显。对于离子型表面活性剂(如阴离子型的

RCOONa)在O/W型的乳状液中,可设想伸入水相的羧基“头”有一部分电离,则组成液珠界面的基团是―COO―,使液珠带负电,正电离子(Na+)部分在其周围,形成双电层(图7–5)。同理,用阳离子活性剂稳定的乳状液,液珠表面带正电。 图7–5 在油水界面的双电层(理想示意图)

在用非离子型表面活性剂或其他非离子物质所稳定的乳状液中,特别是在W/O型乳状液中,液珠带电是由于液珠与介质摩擦而产生的,犹如玻璃棒与毛皮摩擦而生电一样。带电符号用Coehn规则判断:即两个物体接触时,介电常数较高的物质带正电荷。在乳状液中水的介电常数远比常遇到的其他液相高,故O/W型乳状液中的油珠多半是带负电的,而W/O型乳状液中的水珠则是带正电的。液珠的双电层有排斥作用,故可防止乳状液由于液珠相互碰撞聚结而遭破坏。


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