?機械加工過程產生的廢棄乳化液含有大量表面活性劑和礦物油,由于大量表面活性劑的存在,形成了納米尺寸的微小油滴,同時表面活性劑成為一層穩定的保護膜,很難實現有效破乳。
目前常用的處理技術有氣浮、化學絮凝聯合氣浮、化學和電化學技術、化學破乳劑、膜技術及生物技術等。由于油滴尺寸小、質輕,通常需要很長的停留時間,油水分離比較緩慢且低效。
盡管化學破乳劑具有廣泛的應用,但是處理后化學破乳劑會在留在水中,產生嚴重的二次污染,并且很難實現破乳劑的回收。開發新型高效和低成本的機加工廢液處理技術成為亟待解決的問題。
同濟大學研究者設計合成了一種功能化磁性納米粒子(Functional magnetic nanoparticle, FMNPs),并通過飛納電鏡溫控樣品杯研究了 FMNPs 對廢棄乳化液的處理效果及其破乳過程和機制。
破乳過程
在 FMNPs 作用下乳液的破乳經歷了兩個過程:
首先是 FMNPs 分散并吸附到液滴表面,引起液滴的絮凝聚并,液滴的尺寸有一定程度的增大;
隨后,在磁場的作用下,表面吸附有 FMNPs 的液滴群體進行定向遷移,遷移過程中,由于液滴間的相互擠壓也會出現液滴的進一步聚并,終液滴從連續相中分離出來。
(A-C) FMNPs 在液滴表面的分布 (D) FMNPs 與乳化劑 (0.125 g/L SDBS) 的結合狀況,(E) FMNPs與乳化劑 (1.0 g/L SDBS) 的結合狀況,(F) 乳化劑 (1.0 g/L SDBS) 的網絡結構
FMNPs 加入到乳狀液中后,先要經歷擴散過程,遷移到液滴表面(A-C),并與液滴表面的表面活性劑發生相互作用,進而粘附在液滴表面。由于液滴與表面活性劑間的結合,會改變乳狀液原本的網絡結構(D-F)。乳液有一定程度的失穩,出現液滴的絮凝和聚并,液滴的尺寸增大,后在磁場作用下分離出來。
在此類含水樣品的研究中,傳統掃描電鏡(SEM)無法直接觀察樣品,通常需要將樣品干燥后在放入 SEM 觀察,但是干燥后樣品中的凝膠結構塌陷,破壞了樣品內部真實的形貌。
飛納(Phenom)電鏡溫控樣品杯可以將含水樣品迅速冷凍,然后放入樣品倉觀察,保留了樣品內部的空間結構,對于含水樣品的研究提供了一套快速可行的研究方案。
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利用飛納電鏡溫控樣品杯觀察在不同活性劑濃度下,乳液結構的變化
含水樣品研究方法對比
· Cryo-SEM:操作復雜、樣品制備復雜、成本高
· 干燥(冷凍干燥):結構塌陷,不利于 “破乳” 機制分析
· Phenom 溫控樣品杯:操作簡單、效率高、成本低
參考文獻
Peng, K., Xiong, Y., Lu, L., Liu, J., & Huang, X. (2018). Recyclable Functional Magnetic Nanoparticles for Fast Demulsification of Waste Metalworking Emulsions Driven by Electrostatic Interactions. ACS Sustainable Chemistry & Engineering, 6(8), 9682-9690.
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