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乳狀液破乳機理

  乳狀液本身具有熱力學不穩定性,在一些物理化學作用下,會自發的向降低體系能量的方向發展,也就是小液滴逐漸聚并成大液滴。乳狀液被破壞的過程包括分層、絮凝和聚結,這三個過程同時互相平行和銜接的過程。

  由于油水乳狀液中油滴和水存在著密度差,油滴在受到重力和擴散力的作用下就會以不同的速率向容器的頂部或底部運動,從而使得乳狀液發生分層。液滴的濃度分布cd(h)可以通過波爾茲曼模型(式1-1)來建立,其中液滴在任意高度h時的濃度同原始濃度cd(0)有下列關系:cd(h)=cd(0)exp(-mgh/kt)(1-1)式中cd(h)——液滴的濃度分布,mg/Lcd(0)——液滴的原始濃度,mg/L;m——液滴的有效質量,mg;h——液滴的高度,m;T——溫度,℃;k——Boltzmann常數。

  由式(1-1)可知,當3kT4/3πRΔρgh時,重力作用遠遠大于擴散力的作用,就會發生完全的分層或聚沉。這個過程會使有效平均液滴大小增加并將使液滴分布變得更寬。分層和聚沉還會使得液滴的形狀發生改變,但通常有凝聚及降粘作用,使液滴聚集變大從而分離。目前超聲破乳多用于原油的破乳,其影響因素按順序依次是聲強、作用時間、溫度,在混響場中,原油的含水率可降至0.4%。有研究表明,超聲波在對原油脫水的同時還能同時脫鹽,在溫度為80℃,超聲波功率為10kHz,強度為0.38W/cm2時作用5min,原油的脫水率和脫鹽率分別可以達到92.6%和87.9%。氣浮法是國內外含油廢水處理的一種常用工藝,根據氣泡產生方式的不同,可分為加壓氣浮、鼓氣氣浮、電解氣浮等。其中應用最多的為加壓氣浮,它是通過向溶器中鼓入加壓的氣泡,利用氣泡的上浮把油滴從乳狀液中分離的方法。研究表明氣浮法對含油廢水中油的去除率可達98%以上。

  物理化學方法

  物理化學法主要是改變乳狀液界面膜的性質,降低油滴表面電荷,從而破壞乳狀液的穩定性,一般通過加入破乳劑來實現。物理化學法是目前應用最廣泛的破乳方法。

  高價無機鹽如Al2(SO4)3、Fe2(SO4)3、PbCl3等都是常用的破乳劑。加入無機鹽的作用包括中和分散液滴的電荷,使水相密度加大和使乳化劑脫水。水溶性無機鹽有很強的水合能力,它能破壞液滴表面上界面膜的乳化劑形成的水化層使界面膜變得不穩定,而加入水溶性無機鹽使水相密度進一步提高,使油相與水相密度進一步加大,對油水分離有促進作用。夏立新等人對無機鹽破乳進行了深入地研究,包括其影響因素、破乳機理和破乳效果等,結果表明,投加極少量的無機鹽就能對O/W乳狀液的破乳起到較好的促進作用。而高分子絮凝劑如聚丙烯酸鈉和聚丙烯酰胺主要是通過架橋作用,將多個液滴連在一起從而聚沉分離。聚醚型破乳劑在喇1-2和喇2-1聯合站應用,使加藥量分別由2.8t/d降至1.8t/d和1.2t/d,污水含油量降低50%和40%。

  另外還可以加入一些可以使表面活性劑溶解或分解的藥劑,使表面活性劑在水中的作用消失從而破乳。目前研究比較熱門的微生物破乳劑就屬于這一類,表面活性劑作為微生物生長所需要的營養物質被消耗的同時,其起到乳化作用的功能也被改變,從而達到破乳的目的。

  固體粉末也是一種很好的破乳劑,其特點是在油水兩相有相似的溶解性能,因而傾向于吸附在相界面起到降低界面張力的作用。當加入某種表面活性劑使固體粉末被某一相完全潤濕時,它就會脫離界面而使乳狀液破壞。另外越來越多的復配型破乳劑在原油及含油廢水的破乳中被應用。液滴直徑小于100μm時,這種形變的影響非常小,因此,大多數情況這種影響可以忽略。同時由于溶液的攪動以及液滴的擴散作用,使得油珠相互聚集,液滴間的連續相液膜逐漸變薄直至破裂,導致小液滴聚結合并成大液滴。在分層的過程中,由于運動速度的差異,速度大的液滴也會追趕上速度小的液滴而發生絮凝。

  分散相的聚沉是一個兩步的過程。在第一步的絮凝過程中,分散相的液珠聚集成團,但各液珠仍然存在,這些團常常是可逆的。從分層觀點來看,這些團像一個液滴,倘若團與介質間的密度差是足夠大的,則此過程能使分層加速;若乳狀液是足夠濃的,它的黏度就會顯著增加。在第二步的聚結過程中,這些團合成一個大液滴,此過程是不可逆過程,導致液珠數目的減少和最后乳狀液的完全破壞。

  乳狀液破乳方法

  常用的破乳方法可分為物理機械方法、物理化學方法、電破乳法和微波破乳法等。通常情況下乳狀液的破乳過程都不是由單一方法完成的,而需要幾種方法進行組合。

  1物理機械方法

  包括靜置上浮、離心分離、超聲波處理、氣浮法、強制過濾、加熱等方法。

  靜置上浮(沉降分離)是基于乳狀液中分散相和連續相的密度差異,對于O/W型乳狀液來說,分散相(油相)會發生上浮,通常粒徑為10μm的油珠在水中會以2cm/h的速度上浮,因此只要靜置時間足夠長,是可以實現乳狀液的油水分離的。沉降分離的效率與油珠的粒徑有直接關系,粒徑越大,分離也就越容易。具體聯系污水寶或參見http://www.dowater.com更多相關技術文檔。

  而利用離心分離的方法一般比靜置分離要快得多,因為產生的離心力與旋轉軸的半徑成正比而與旋轉速度平方成正比,高速離心機的轉速可達17000r/min。蔣明虎等采用的以水力旋流工藝為核心的含油污水工藝處理后含油量由1000mg/L降至1.9~3.5mg/L。夏福軍等對水力旋流器結構進行改進,增加了旋流定向器并優化了旋流器切口入口的結構,在對含油量為2000mg/L的污水進行處理后,含油量可降至0.61mg/L。在制備乳狀液是通常會采用超聲波來作為攪拌的方式,但是控制在一定強度下,也可以通過超聲波的處理來實現破乳。主要是利用

  3電破乳法

  電破乳法主要用于W/O型乳狀液。在高壓電場的作用下,由極性分子組成的乳化膜被干擾,導致分子重排,乳狀膜破裂,從而使得水滴極化(偶極分子的定向極化)后,水滴相互吸引并聚集成大水滴,最終在重力作用下分離出來。利用電場使乳狀液破乳脫水具有很好的效果。閻軍,毛宗強等人將靜電場和離心力聯合起來破乳,沈江南等利用旋流靜電場破乳,李可彬研制的渦旋電場法均取得了很好的破乳效果。電破乳技術目前已經比較成熟,應用也很廣泛,但破乳時需要外加電場,大大的增加了處理成本,因此多用于油包水型乳狀液,對于含水量比較大的含油污水并不適用。

  4微波破乳

  微波在輻射時產生高頻磁場,帶動極性分子高速旋轉,從而導致乳狀液的界面膜被破壞,實現油水分離。微波破乳最初是由Klaika和Wolf提出來的。2000年,美國埃克森美孚公司開發了MST工藝,利用微波發生器進行破乳,從而實現了工業應用。王鵬等通過微波輻射技術對模擬乳狀液進行破乳,結果表明,在pH值為2~3,微波功率600W下輻射1min后靜置1h,乳狀液COD去除率可達到70~75%。劉曉艷等研究了微波破乳的影響因素,結果表明微波輻射功率、靜置時間、乳狀液的含水率對油水分離的效率均有影響。夏立新等的研究表明在無機鹽存在的情況下,微波破乳比加熱破乳效果和效率都提高很多,由此也得出微波破乳應是熱效應和非熱效應共同作用的。


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