乳化法萃取湿法磷酸的破乳研究*

翁燕玲，金 央，李 军，贾旭宏，吴昊游

（四川大学化学工程学院，四川成都610065）

乳化萃取是一种新型的萃取方法［1-2］，采用乳化法萃取湿法磷酸［3］，可以强化萃取过程，使达到萃取平衡所需的时间大大缩短。乳化萃取过程完成后，需要实现油水相的分离，这就要求对乳状液进行破乳。

目前已知的破乳方法主要为化学破乳法、物理破乳法、生物破乳剂法、联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、无污染、便于后续处理等优点得到广泛使用。超声波是一种清洁、高效的能源，基于超声波作用于性质不同的流体介质产生位移效应，使乳状液中的分散相液滴聚积并发生碰撞，生成直径较大的液滴，然后沉降分离［7］。国内外的研究表明，在低声强和一定频率下，超声能使乳状液破乳［8-10］。离心破乳法能够快速有效地分离乳状液，其原理是根据油水之间密度的不同，利用物体旋转时产生的强大离心力，形成冲撞力或剪切力作用于乳状液，促使乳状液中分散相液滴聚结，进而促进乳状液破乳［11］。

笔者采用超声破乳法和离心破乳法对乳状液进行破乳研究，考察了超声时间、超声功率、离心时间、离心功率等参数对乳状液破乳的影响。

1 实验原料

实验原料为取自云南的湿法磷酸，其主要成分如表1所示。萃取剂为磷酸三丁酯（TBP），稀释剂为煤油。

表1 湿法磷酸原料主要化学组成 %

2 实验方法

2.1 乳状液的制备

以原料酸为分散相，以萃取剂磷酸三丁酯为连续相配置乳状液。按实验所需的相比准确量取萃取剂和原料酸，置于自制的玻璃容器中，恒温至50℃，采用98-IIIDL型超声波细胞粉碎机进行乳化萃取实验，超声功率设置为400 W，超声时间设置为2 min。

2.2 自然沉降破乳

按2.1节的方法制备乳状液，采用OPUS在线粒度仪测量乳状液液滴粒径大小，并记录乳状液破乳分离出的水相（分散相）的体积Vt和两相完全分离后水相的总体积V。

2.3 超声破乳

按2.1节的方法制备乳状液，采用KQ3200DE型数控超声波清洗器进行破乳实验，考察超声时间和超声功率对破乳效果的影响。记录乳状液破乳分离出的水相（分散相）的体积Vt随超声破乳后乳状液静置时间的变化和两相完全分离后水相的总体积V。

2.4 离心破乳

按2.1节的方法制备乳状液，采用TG18-WS型台式高速离心机进行破乳实验，考察离心转速和离心时间对破乳效果的影响。记录乳状液破乳分离出的水相（分散相）的体积Vt随离心破乳后乳状液静置时间的变化和两相完全分离后水相的总体积V。

3 实验结果与讨论

用破乳率表征两相分离效率，破乳率（D）：

3.1 自然沉降破乳实验结果

图1为采用自然沉降破乳方法破乳，乳状液中不同粒度的液滴的频度分布随静置时间的变化。

图1 液滴频度分布

由图1可以看出，乳状液中液滴的频度分布随静置时间变化不大，静置时间由5 min变为10 min时，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%。静置10 min以后，液滴频度分布基本保持不变。这是因为乳状液中分散相黏度大，液滴的移动速度缓慢，碰撞几率小，所以发生碰撞聚并的液滴少，乳状液中液滴的频度分布随时间基本不变。

图2是采用自然沉降法破乳时，静置时间对破乳效果的影响。由图2可知，10 min前破乳率随时间的延长一直上升，10min后基本不变。这是因为10min前，液滴粒径较大的粒子在自身重力作用下，快速下沉，与连续相分离；而10 min以后，粒径小的液滴在黏滞阻力作用下难以快速下沉。由此可见，按2.1节的方法制备的乳状液，自然沉降破乳时两相分离效果差，静置30 min破乳率只能达到33%，两相完全分离需要数小时甚至更长时间。

图2 静置时间对破乳率的影响

3.2 超声破乳实验结果

3.2.1 超声时间对破乳效果的影响

图3为在超声功率为100 W的条件下，超声时间对破乳效果的影响。由图3可以看出，超声时间分别为1、5、10、15 min时，破乳率都随着静置时间的延长而增大。这是因为乳状液中分散相液滴相互碰撞、聚并成相对较大的液滴，随着静置时间的延长，越来越多的液滴沉降分离。此外，破乳率随着超声时间的延长而增大，当超声时间为15 min时，破乳率可达72%。这是因为超声作用于乳状液，使乳状液中分散相与连续相一起振动。大小不同的分散相液滴具有不同的相对振动速度，液滴相互碰撞、聚并成相对较大的液滴，随后继续与其他分散相液滴开始新的碰撞、聚并，直到液滴的粒径足够大，最后沉降分离。超声波对乳状液的破乳效果取决于位移效应，超声时间低于15 min时，超声波所产生的位移效应未能完全体现，液滴碰撞、聚并未结束。

图3 超声时间对破乳率的影响

由图3还可以看出，超声时间为1～5 min时，破乳率的增长幅度较快；超声时间达到5 min以后，破乳率的增长就比较缓慢。这是因为随着超声时间的延长，乳状液中分散相液滴发生碰撞、聚并沉降也越多。随着乳状液中的分散相液滴数量减少，碰撞几率降低。

3.2.2 超声功率对破乳效果的影响

在超声时间为15 min的条件下，选择超声功率分别40、60、80、100 W，考察了超声功率对破乳效果的影响，结果见图4。由图4可以看出，随着超声功率的增大，破乳效果反而降低。超声功率为40 W时，破乳率可达80%，效果最佳。超声破乳实验表明，超声波作用于乳状液，能够加快分散相液滴碰撞聚并，使其快速下沉，加快了乳状液的破乳。但超声功率并非越大越好，因为超声既可以使两相乳化，又可以加快两相破乳，超声功率较大时，乳化作用和破乳作用并存，因此会削弱破乳作用，令破乳效果不佳。国内外研究表明，超声波存在一定的空化阈值，超声波破乳需控制在其空化阈值以下，否则会造成进一步的乳化。因此，超声时间为15 min、超声功率为40 W时，破乳效果最佳。

图4 超声功率对破乳率的影响

3.3 离心破乳实验结果

3.3.1 离心转速对破乳效果的影响

图5为离心时间为5 min的条件下，离心转速对破乳效果的影响。由图5可以看出，破乳率随离心转速的增加而增大。离心转速为500 r/min时，随静置时间的增加，破乳率增长缓慢，只达到70%。这是因为乳状液具有一定的黏度，液滴沉降过程中要克服黏滞阻力，在离心作用下，粒径较大的液滴能够快速与连续相分离，而粒径较小的液滴就需要更高的离心转速才能从乳状液里快速沉降，所以破乳率增长缓慢。离心转速为1 000 r/min时，破乳率随静置时间的增加而增大，静置到5 min以后，破乳率基本不变，相较于离心转速为500 r/min时，破乳率涨幅较大。这表明随着离心转速的提高，使得乳状液中部分粒径较小的液滴在离心作用下也能快速下沉。离心转速为1 000 r/min与1 500 r/min时破乳率增长并不多，这是因为离心转速越快，离心场越强，破乳效果越好。但是随着乳状液中液滴的聚并下沉，乳状液中的液滴减少，碰撞聚集几率降低，需要更高的转速来增大乳状液中的液滴碰撞聚集几率。离心转速为3 000 r/min时，破乳率达到100%，油水两相完全分离。这表明此时离心转速已经达到一定程度，使得乳状液中全部液滴都可以快速沉降；离心转速为2 000 r/min时，破乳率达到97%，满足实验要求，考虑到能耗问题，因此选择适宜的离心转速为2 000 r/min。

图5 离心转速对破乳率的影响

3.3.2 离心时间对破乳效果的影响

在离心转速为2 000 r/min的条件下，选择离心时间分别为 1、2、3、4、5 min，考察了离心时间对破乳效果的影响，结果见图6。由图6可知，破乳率随离心时间的增加而增大。乳状液中液滴要克服黏滞阻力，快速沉降，需要提供一定时间以维持离心作用。离心转速为3 min时，破乳率达到97%。当离心时间达到3 min后，增加离心时间破乳率不再增大，这是因为乳状液中大部分液滴都已经沉降，只剩个别液滴因为粒径较小，在当前离心转速条件下无法实现快速沉降。综合考虑，实验选择适宜的离心时间为3min。

图6 离心时间对破乳率的影响

4 结论

由自然沉降破乳实验结果可以看出，采用自然沉降破乳，乳状液中液滴的聚并缓慢，需要的破乳时间很长。由超声破乳实验可知，超声时间为15 min、超声功率为40 W时，破乳率可达80%。由离心破乳实验可知，离心转速为2 000 r/min、离心时间为3 min时，破乳率可达97%。实验进一步研究了超声、离心联合作用于乳状液破乳的方法。研究表明，采用超声波法可以加快乳状液破乳，但是乳状液不能在短时间内完全破乳；采用离心破乳法可以使乳状液在短时间内完全破乳，但是所需转速太大。因此下一步将进行超声与离心联用对乳状液破乳的研究。

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