乳化液膜表面活性剂阻力模型改进与实验研究

摘要

乳化液膜由于传质效率高和选择性好等特点，在分离领域有巨大潜在的应用价值，建立与该过程吻合的传质模型有利于指导其分离应用。表面活性物质在界面的密集排列增强了乳化液膜的稳定性，但界面传质阻力也因此提高。反应渐进前沿模型等乳化液膜传质模型没有考虑表面活性剂层阻力的影响，不适用于表面活性剂阻力效应明显的乳化液膜体系。因此，研究者进一步建立了考虑表面活性剂阻力的模型。但是，由于乳化液膜分离过程与表面活性剂在外传质界面吸附过程同时进行，表面活性剂在界面吸附量的多少对传质阻力有重要影响，因此表面活性剂吸附速率对传质的影响同样不容忽视，而目前的模型忽略了该影响因素。本文在考虑了表面活性剂的阻力效应的基础上，同时考虑表面活性剂吸附速率对乳化液膜传质过程的影响，改进了原有的表面活性剂阻力模型，使之更有效的模拟乳化液膜实际分离过程。 首先，本文通过以2-羟基—5壬基乙酰苯肟(LIX84-I)为载体、聚异丁烯多丁二酰亚胺类表面活性剂T161为表面活性剂、煤油为膜相、硫酸溶液为内相制得的乳化液膜体系提取Cu2+的同时，改变内相酸度、膜相及表面活性剂种类、搅拌槽转速及操作温度等条件，检验制乳条件和操作条件对乳化液膜传质的影响。结果表明，内相氢离子浓度大于1.0mol/L后其对乳化液膜提取速率影响十分小；搅拌速率由250r/min增至450r/min、温度由10℃升到50℃时提取速率分别有一定的提高；煤油和石蜡分别为膜相时提取速率差别较大；以山梨醇单甘油酸酯(Span80)和T161分别为乳化剂制得的乳化液膜体系，其提取速率在20s至120s的提取时间内差别较大，但在提取进行20s(Cu2+提取率约为60％)之前，这种差别并不明显。分离过程中，膜破裂率小于0.4％，稳定性很好。 基于以上实验结果，在考虑膜相、搅拌速率、温度以及表面活性剂在乳化液膜外界面的吸附对传质的影响的基础上，尤其考虑了表面活性剂在外界面的吸附速率引起的界面阻力的变化情况，经过理论分析，得到外界面阻力随时间的变化关系式，进而改进了原有的表面活性剂阻力模型。实验求得相应参数，然后用MATLAB软件求解模型方程。以LIX84-I为载体、T161为表面活性剂、煤油为膜相、硫酸溶液为内相的乳化液膜提取Cu2+的实验结果表明：与其他模型相比，改进模型的计算值与实验数据吻合更好，尤其在提取过程前20s中。这说明考虑表面活性剂吸附速率对传质的影响使本文模型对乳化液膜分离过程尤其是分离前期的提取速率预测更加准确。由于乳化液膜分离过程前期的传质速率远大于后期，对其准确的预测可以更好的了解该传质过程。

目录

文摘

英文文摘

声明

引言

1文献综述

1.1乳化液及乳化液膜概述

1.1.1乳化液的分类及制备

1.1.2乳化液的稳定性

1.1.3乳化液膜分离技术

1.1.4乳化液膜的稳定性

1.2乳化液膜分离过程

1.2.1乳化液膜分离原理和特点

1.2.2影响乳化液膜传质过程的因素

1.3乳化液膜传质模型的发展

1.4表面活性剂的动态吸附

1.5乳化液膜技术的应用

1.6论文选题的意义与主要研究内容

2实验材料、装置及方法

2.1实验试剂

2.1.1表面活性剂以及载体

2.1.2其他试剂

2.2实验装置

2.2.1搅拌槽

2.2.2Lewis恒界面传质池

2.2.3其他实验装置

2.3实验方法

2.3.1W/O乳化液的制备

2.3.2乳化液微观形态的观测与粒度分布表征

2.3.3乳化液膜提取Cu2+

2.3.4示踪法检测乳化液膜的破裂率

2.3.5分光光度法检测Ni2+和Cu2+浓度

2.3.6界面阻力测试

2.3.7表面活性剂动态界面张力的测试

3乳化液膜提取Cu2+的实验研究

3.1乳化液的制备与表征

3.2制乳参数对乳化液膜提取Cu2+传质过程的影响

3.2.1膜相种类的影响

3.2.2表面活性剂种类的影响

3.2.3内水相酸度的影响

3.3操作条件对乳化液膜提取Cu2+传质过程的影响

3.3.1体系温度的影响

3.3.2搅拌速率的影响

3.4乳化液膜的破裂率检测

3.5本章小结

4考虑表面活性剂吸附速率基础上改进的乳化液膜的传质模型

4.1模型的描述与假设

4.1.1乳化液膜传质过程

4.1.2数学模型的假设

4.2模型的数学表达

4.2.1溶质在乳化液滴内的基本渗透方程

4.2.2溶质在乳化液滴外界面表面活性剂层以及外水相传质边界层的渗透方程

4.2.3表面活性剂层阻力表达式的确立

4.2.4初始条件和边界条件

4.3模型参数的求取

4.3.1Cu-LIX84-I络合物在膜相中扩散系数

4.3.2分配系数α1和α2

4.3.3表面活性剂层吸附完全时的界面阻力rE

4.3.4常数n、t*、t1、t2、k1和k2

4.4.5乳化液滴Sauter直径d32

4.4.6外相传质系数K2

4.4模型方程的求解

4.5模型的验证与结果讨论

4.5.1模型的验证与讨论

4.5.2乳化液膜体系中的浓度分布

4.6本章小结

结论

创新性及展望

参考文献

附录 符号说明

攻读硕士学位期间发表学术论文情况

致谢