制备乳状液技术一直是化学工程领域研究的一个重要课题。在传统的制乳过程中,应用高剪切力或外界能量的输入使大液滴变形破裂,从而分散相以微小液滴的方式分散在体系中,这些制乳方法主要有机械搅拌法、超声波破碎法及电制乳法等。这些方法在一定程度上都存有能耗大,效率低,能量输入不均一,制得的乳液粒径较大,颗粒分布范围广,容易发生聚合,乳液不稳定,经济和实用效果差等问题。
膜法制乳是在膜两侧压差的作用下使分散相以微小液滴的形式通过微孔膜,从而形成分散相液滴而制得乳液。该法作为一种新型的制备乳液的方法近年来吸引了众多的研究者,他们主要集中在聚合物化工、食品化工等领域,主要考察压力、膜孔径、流速、乳化剂种类及其浓度等对乳化结果的影响。但这些研究还处在初级阶段,远不能满足实际应用的需要。因此,加强膜制乳技术基本规律的研究可以为该技术的实际应用提供理论依据。
1实验装置及方法
图1为装置示意图。水相通过泵打入膜管程,分散相(油相)通过泵打入膜器的壳程,在膜管外侧循环。由于膜器壳程的压力大于管程的压力,分散相通过陶瓷膜的微孔以液滴形式分散到连续相中,从而形成乳液,制得的乳液从膜管上部排出,进入乳液贮槽。实验所用的膜是管式α-Al2O3微孔陶瓷膜,其结构见表1。
在油路进口处另有一油容器,每隔一段时间关闭油槽,使油容器与泵及油的循环回路连通,通过天平测其质量变化求得分散相通量。实验所得乳状液的液滴大小及分布由Malvein激光散射粒度分析仪测定。
本研究选择了水-正丁醇(Ⅰ)、水+0.05%(ｇ/mL)十二烷基磺酸钠-正丁醇(Ⅱ)、水+0.1%十二烷基磺酸钠-煤油(Ⅲ)、水-煤油+0.5%(ｇ/mL)span85(Ⅳ)等四种体系,研究了膜孔径为0.2μm陶瓷膜的制乳效果以及压力、连续相流量等因素对乳液粒径大小、分布和分散相通量的影响。
2结果与讨论
2.1 乳化剂对制乳效果的影响
为研究乳化剂对制乳效果的影响,图2给出了其中三个体系的液滴分布图。由图2可以看出,对于正丁醇-水体系,由于界面张力低,因此通过微膜得到的乳液液滴直径小,且较稳定,但分布还是比较宽。在该体系中加入少量的表面活性剂,使界面张力降得更低,这样制得的乳液稳定性能更好,且液滴直径小,分布窄。同样对于煤油-水体系,由于其界面张力高,所以制得的乳液稳定性能极差,基本不能测出其液滴直径分布和平均液滴直径。在其中加入少量的表面活性剂后,使体系的界面张力明显下降,从而可以得到分布较窄且较为稳定的乳液,如图2(ｃ)。由此可以得出,用陶瓷微孔膜可以制备Ｏ/Ｗ型乳液。体系界面张力的大小直接影响所制得乳液的稳定性及乳液性能。表面活性剂的加入可以有效地降低体系的界面张力,为制备稳定的乳液提供了保证。比较这两种体系发现,正丁醇-水体系所制得乳液的性能比煤油-水体系要好。
2.2 压差和连续相流量对液滴直径的影响
图3为四种不同的体系在不同的操作条件下的液滴平均直径随压差和连续相流量变化的曲线。由图可以看出,对于这几种体系,采用微孔膜得到的乳液的液滴平均直径随压差的变化不太明显,连续相流量对其影响也较小。这主要是由于这几种体系的界面张力均较小,采用微孔膜进行制乳时所形成的乳液液滴直径均较小,即分散相通过微孔膜后形成液滴并脱离膜表面所需的作用力不大,因此,在连续相流量增加不十分明显的条件下,液滴平均直径随连续相流量的变化不大。
由图3(ａ),3(ｂ)可以清楚地看到,当体系中加入少量的表面活性剂后在同样的操作条件下,液滴平均直径有明显的下降。
2.3 压差和连续相流量对分散通量的影响
图4为连续相流量和两相压差对分散相通量的影响关系曲线。对于这四种体系,均随着两相压差的增大,分散相通量有明显的增大,特别是体系(Ⅰ)、(Ⅱ)比后两种体系的分散相通量在同样条件下要大,这主要是由于前两种体系的界面张力明显小于后两种体系,这样前两种体系比后两种体系通过微孔膜更容易,所以分散相通量要大一些。而在压差一定的条件下,分散相能量基本不随连续相流量的变化而变化,这可能由于微孔膜的膜阻很大,分散相通过微孔膜的作用力主要取决于压差的大小,而连续相流动所提供的剪切力则影响不是十分明显,这点与液滴平均直径随着连续相流速变化不太明显是相一致的,但随着微孔膜孔径的增大这种影响可能变得较为明显。
3结论
由微孔膜制乳过程基本规律的研究可以得出,采用微孔膜法进行制乳可以制得液滴直径分布窄,液滴平均直径小,较为稳定的乳化液体系,且这种方法具有能耗小、操作简单的优点。实验结果表明,在膜法制乳过程中表面活性剂的加入可以有效地降低界面张力,保证得到乳液的稳定性。乳状液液滴直径的分布与体系的界面张力有直接的关系,随着界面张力的增大,液滴直径增大,液滴直径分布变宽。对于本研究中所采用的微孔膜,乳液液滴的平均直径与界面张力相关,而与两相的压差和流量的变化没有明显的关系。分散相的能量随着两相压差的增大而显著增大,连续相流速对分散相通量的影响也不明显。
