以Span80为乳化剂制备煤油包水乳状液的实验研究

姚志坤，阮 达，杨定邦，陈 韬，陈 晓

(西南民族大学化学与环境保护工程学院，四川 成都 610041)

以Span80为乳化剂制备煤油包水乳状液的实验研究

姚志坤，阮 达，杨定邦，陈 韬，陈 晓

(西南民族大学化学与环境保护工程学院，四川 成都 610041)

为了制备能够模拟乳状液膜分离过程中使用的模型乳状液，以Span80作为乳化剂利用高速搅拌乳化法制备了含有内水相化合物的煤油包水乳状液.考察了内水相化合物种类及浓度、搅拌转速、搅拌时间、乳化剂浓度、含水率等因素对乳状液的静置沉降稳定性的影响，同时确定了内水相化合物为NaOH时乳状液的相转变点.实验结果表明:以NaOH作为内水相化合物时，最佳乳化条件为:NaOH浓度0.25 mol·L-1，Span80浓度3 g·L-1，含水率45%，搅拌转速14000 rpm，搅拌时间2 min，所得乳状液在2 h内的静置沉降稳定性可达88%以上；控制其他条件不变，当NaOH浓度为0.25 mol·L-1时，相应的其相转变点含水率为55%，而当NaOH浓度为下降到0.02 mol·L-1时，相应的其相转变点含水率变为45%；增加乳化剂浓度，提高搅拌转速，增加搅拌时间，降低NaOH浓度有利于增强乳状液的稳定性.

水/油乳状液；Span80；稳定性；液膜分离

乳状液膜分离技术最早在1968年由美籍华人N.N.Li正式提出[1]，该技术在处理工业废水中具有节能、高效和快速分离的特点，在环境保护方面也有非常广泛的应用前景[2-3].但是，由于乳化液液膜的稳定性等关键性问题仍未彻底解决，现已成为制约该技术工业化的重要瓶颈[4].

山梨糖醇酐油酸脂(Span80)是一种典型的低分子非离子型表面活性剂，具有很好的乳化作用.本文以Span80为乳化剂，利用高速搅拌乳化法制备了水/煤油乳状液.考察了六个工艺参数:内水相化合物(NaOH、C6H12O6、NaCl、H2SO4、MgSO4)种类、内水相化合物(NaOH)浓度、搅拌转速、搅拌时间、Span80浓度、含水率、对乳状液静置沉降稳定性的影响以及乳状液的相转变条件，并得到了制备较稳定乳状液的参数条件，以及相转变时乳液的含水率和内水相化合物浓度.

1 实验部分

1.1 试剂与仪器

Span80(分析纯，长征化学试剂)，煤油(市售，过滤备用)，NaOH(分析纯，成都市科龙化工试剂厂)，C6H12O6(分析纯，成都化学试剂厂)，NaCl(分析纯，天津市科密欧化学试剂有限公司)，H2SO4(分析纯，成都市科龙化工试剂厂)，MgSO4(分析纯，天津博迪化工股份有限公司)，蒸馏水(艾柯DZG-303A纯水机制得).

FJ-200型高速分散均质机(江苏金坛金城国胜实验仪器厂)，DDS-11A电导率仪(方舟科技).

1.2 油包水乳状液的制备

首先将一定量的表面活性剂Span80溶解在煤油中配制成100 g·L-1的乳化剂，再将一定比例的NaOH溶液和煤油以及定量的乳化剂加入到乳化器内，最后利用高速分散均质机搅拌一定时间后，配制成所需的乳状液，并通过电导法[5-6]检测乳状液的类型.

1.3 油包水乳状液的静置沉降稳定性

乳状液本质上是热力学不稳定体系[7]，会随着时间的推移而逐渐失稳，乳液静置一段时间后，由于乳液滴的聚结从而使乳液的油相和水相分别析出.取一定量新配制的乳液于量筒中，间隔10min，30min，60min和120min后分别测量乳状液中析出的油相及水相体积，按照下式[8]计算其静置沉降稳定性.

1.4 乳状液的相转变条件

在室温(26oC)下，当配制乳液的条件为Span80浓度3 g·L-1，搅拌转速14000 rpm，搅拌时间2 min时，分别改变乳状液的油水体积比以及内水相化合物浓度，通过稀释法从而确定乳状液相转变时的油水比及NaOH浓度.

2 结果与讨论

2.1 内水相化合物对乳状液稳定性的影响

内水相化合物的选择是乳状液的稳定性和液膜分离法去除杂质效率的关键因素[9].当Span80浓度3g·L-1，含水率为45%，搅拌转速为14000 rpm，搅拌时间2 min时，分别配制内水相浓度为0.25 mol·L-1的NaOH、C6H12O6、NaCl、H2SO4、MgSO4水/煤油乳状液，考察其静置稳定性，结果如图1所示.

图1 内水相化合物对乳状液稳定性的影响Fig 1 Inner water phase compounds impactedon the stability of emulsions

由图1结果可知，在同等浓度(0.25 mol·L-1)下，利用六种内水相化合物制备得到的乳状液在静置2小时后的稳定性均在88～93%，所以化合物种类的改变对于乳状液的稳定性影响差别较小.我们综合考虑内水相(NaOH)在液膜分离技术实际生产中更广泛的应用以及其乳状液稳定性对破乳率的影响，本实验选择内水相为NaOH水溶液的乳状液进行研究.

2.2 NaOH浓度对乳状液稳定性的影响

在Span80浓度3 g·L-1，搅拌转速为14000rpm，搅拌时间为2 min，含水率45%条件下，分别配制NaOH浓度为0.0625 mol·L-1，0.125 mol·L-1，0.25 mol·L-1，0.5 mol·L-1，0.75 mol·L-1的水/煤油乳状液，考察其静置稳定性，结果如图2所示.

图2 NaOH浓度对乳状液稳定性的影响Fig.2 NaOH concentration impacted on the stability of emulsions

由图2可知，随着NaOH浓度的增加，乳状液的静置沉降稳定性降低.由于随着NaOH浓度的增加，容易引起乳化剂Span80分子中脂键水解，使乳状液的界面膜中的乳化剂量降低，从而界面膜的热稳定性与机械强度降低[10-11]，以致乳状液的稳定性降低.

当NaOH浓度为0.25 mol·L-1时，乳状液在静置2 h内的稳定性仍然达到了88%以上，具有较好的稳定性.当NaOH浓度为0.5 mol·L-1时，乳状液在2 h内完全分离，综合考虑乳状液的稳定性以及NaOH浓度对于液膜分离技术在工业当中更有效的利用，选择NaOH浓度为0.25 mol·L-1时为最佳条件.

2.3 搅拌转速对乳状液稳定性的影响

在NaOH浓度0.25 mol·L-1，Span80浓度3 g· L-1，搅拌时间为2 min，含水率45%条件下，分别制备搅拌转速为10000、12000、14000、16000、18000 rpm的水/煤油乳状液，考察其静置沉降稳定性，结果如图3所示.

由图3可知，随着搅拌转速的增加，乳状液的静置沉降稳定性增强，当搅拌转速为14000 rpm时，乳状液在2 h内的静置沉降稳定性达到了88%以上，具有较好的稳定性.

图3 搅拌转速对乳状液稳定性的影响Fig.3 Stirring rate impacted on the stability of emulsions

高速搅拌乳化法是制备乳状液常用的技术，该方法是在高速剪切速率下将分散相破碎为小液滴分散于连续相中，从而制备稳定的乳状液[12].由于随着转速的增加，对乳状液的剪切力增强，将其乳化时所做的功以表面能的形式贮存在水/油界面上，从而使乳状液的体系总能量增加.因此随着搅拌转速的增加，乳液滴聚结沉降的阻力逐渐增大，从而乳状液的稳定性增强.

2.4 搅拌时间对乳状液稳定性的影响

在NaOH浓度0.25 mol·L-1，Span80浓度3 g· L-1，搅拌转速为14000 rpm，含水率45%条件下，分别配制搅拌时间为0.5 min、1 min、2 min、3 min、4 min的水/煤油乳状液，考察其静置稳定性，结果如图4所示.

图4 搅拌时间对乳状液稳定性的影响Fig.4 Stirring time impacted on the stability of emulsions

由图4可知，随着搅拌时间的延长，乳状液的静置沉降稳定性增强.由于随着搅拌时间延长，水滴在连续油相中粒径分布的均匀化程度逐渐升高，从而使乳状液更加稳定[13].当搅拌时间为2 min时，乳状液在静置2 h内的稳定性已经达到了88%以上，具有较好的稳定性.

2.5 Span80浓度对乳状液稳定性的影响

在NaOH浓度0.25 mol·L-1，搅拌转速为14000 rpm，搅拌时间为2 min，含水率45%条件下，分别配制乳化剂Span80浓度为1 g·L-1、2 g·L-1、3 g· L-1、4 g·L-1、5 g·L-1的水/煤油乳状液，考察其静置稳定性，结果如图5所示.

图5 Span80浓度对乳状液稳定性的影响Fig.5 Span80 concentration impacted on the stability of emulsions

由图5可知，随着乳化剂Span80浓度的增加，乳状液的静置沉降稳定性增强.这是由于山梨糖醇酐油酸脂(Span80)是一种典型的低分子非离子型表面活性剂，随着乳化剂量的增加，其油水两相间的界面膜热稳定性与机械强度增强[14-15]，所以形成的乳状液的稳定性逐渐增加.

但在实验中发现:如果乳化剂加入量过大(＞4g· L-1)，虽然得到的乳状液更加稳定，但所得乳状液的质量下降，出现如泡沫增多、过于粘稠等现象，且制乳成本增加.当乳化剂的浓度为1 g·L-1时，乳状液在两小时内会完全油水分离，不利于工业实际中的应用.当乳化剂的浓度为3 g·L-1时，乳状液在静置2 h内的稳定性已经达到了88%以上，具有较好的稳定性.综合考虑实际工业应用中的经济效应与所得乳状液的稳定性能，我们选择乳化剂Span80的浓度为3 g·L-1.

2.6 含水率对乳状液稳定性的影响

在NaOH浓度0.25 mol·L-1，Span80浓度3 g· L-1，搅拌转速为14000 rpm，搅拌时间为2 min条件下，分别配制含水率为30%、35%、40%、45%、50%的水/煤油乳状液，考察其静置稳定性，结果如图6所示.

由图6可知:随着乳液含水率的升高，乳状液的静置沉降稳定性逐渐增强.当含水率为45%时，乳状液在静置2 h内的稳定性已经达到了88%以上，具有较好的稳定性.

图6 含水率对乳状液稳定性的影响Fig.6 Water content impacted on the stability of emulsions

油包水乳状液中的分散相为水，随着含水率的增加，乳状液中水滴的数密度增加.在本实验中，乳化剂的加入量较大，所形成的乳状液液膜强度大、液滴不易破裂聚并，所以当液滴数密度增加时，在液滴空间堆积作用下，油水两相由密度差所导致的两相分离作用(creaming)较慢，故油包水乳状液的静置沉降稳定性随着含水率的增加而增加.

2.7 含水率对乳状液相转变的影响

在室温(26oC)下，当配制乳液的条件为Span80浓度3 g·L-1，NaOH浓度0.25 mol·L-1，搅拌转速14000 rpm，搅拌时间2 min时，通过改变配制乳液时油水的体积比发现，当含水率升到55%时，乳液性质从油包水变相为水包油，如图7所示.

图7 含水率对乳状液相转变的影响Fig.7 Water content impacted on the phase inversion of emulsions

根据立体几何的最佳密堆积原理，随着乳状液内相体积分数的提高，当内相体积分数达到球形颗粒的密堆积分数时，乳状液发生相转变[16].所以当该乳状液内相NaOH水溶液的体积分数增加到55%时，乳液性质从油包水变相为水包油.

2.8 NaOH浓度对乳状液相转变的影响

在制备油包水乳状液的实验过程中，发现NaOH浓度对乳状液的类型(O/W和W/O)影响很大，所以实验中考察了NaOH浓度对乳状液相转变过程的影响.

在室温(26oC)下，当配制乳液的条件为Span80浓度3 g·L-1，含水率45%，搅拌转速14000 rpm，搅拌时间2 min时，考察了NaOH浓度在0～0.5mol· L-1范围内变化时对乳状液相转变的影响，当NaOH浓度升高至0.02 mol·L-1时，乳状液性质从水包油变相为油包水如图8所示.这是由于随着NaOH浓度的升高，非离子表面活性剂Span80的水化程度不断升高，从而导致乳液从水包油变为油包水.

图8 NaOH浓度对乳状液相转变的影响Fig.8 NaOH concentration impacted on the phase inversion of emulsions

3 结论

1)制备含水率45%的水/煤油乳状液时，当搅拌转速为14000 rpm、搅拌时间为2 min、Span80浓度为3 g·L-1、NaOH浓度为0.25 mol·L-1时，其静置沉降稳定性可以在2 h内始终保持在88%以上.

2)在室温26oC，含水率为45%，Span80浓度3 g ·L-1，搅拌转速为14000 rpm，搅拌时间2 min条件下，当含水率为45%时，相应的其相转变点NaOH浓度为0.02 mol·L-1，当NaOH浓度为0.25 mol·L-1时，相应的其相转变点含水率为55%.

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(责任编辑:李建忠，付强，张阳，罗敏；英文编辑:周序林，郑玉才)

Preparation of water/kerosene emulsions with Span80 as emulsifier

YAO Zhi-kun，RUAN Da，YANG Ding-bang，CHEN Tao，CHEN Xiao
(School of Chemistry＆Environmental Protection Engineering，Southwest University for Nationalities，Chengdu 610041，P.R.C.)

To prepare the model emulsion used in the liquid membrane separation processes，the water/kerosene emulsions containing inner water phase compounds were made by high-speed shear method，with Span80 as emulsifier.The effect of the kinds and concentration of inner water phase compounds，stirring rate and time，concentration of emulsifier and water content of the emulsion stability were investigated.The emulsion phase transition points were determined with NaOH as inner water phase compound.The experiment results indicated that using NaOH as inner water phase compound，a stable emulsion could be prepared with water content of the emulsion 45%，NaOH concentration 0.25 mol·L-1，Span80 concentration 3 g·L-1，stirring rate 14000 rpm，and stirring time 2 minutes，whose stability was above 88%within 2 h.With other conditions unchanged，when the NaOH concentration was 0.25 mol·L-1，the corresponding phase inversion point of the water content was 55%and when the NaOH concentration was decreased to 0.02 mol·L-1，the corresponding phase inversion point of water content of the emulsion was 45%；Increasing the concentration of emulsifier，increasing the stirring speed and stirring time，decreasing the concentration of NaOH were conducive to enhancing the stability of emulsion.

W/O emulsions；Span80；stability；liquid membrane separation

O647.2

A

2095-4271(2015)04-0417-06

10.11920/xnmdzk.2015.04.005

2015-05-22

陈晓(1981-)，男，汉族，河南焦作人，副教授，博士，研究方向:绿色化工新工艺.Email:chenxiao＠swun.edu.cn.

国家自然科学基金青年基金项目(21406183)；中央高校基本科研业务费专项资金项目(2015NYB06)；西南民族大学研究生创新型科研项目(CX2014SZ54)