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微乳化技术的应用

日期:2010年11月25日 13:26
微乳化技术是一种全新的技术,它是由Hoar和Schulman 1943年发现的,并于1959年将油-水-表面活性剂-助表面活性剂形成的均相体系正式定名为微乳液(microemulsion)。根据表面活性剂性质和微乳液组成的不同,微乳液可呈现为水包油和油包水两种类型。
 
    一、微乳液的性质
 
    微乳液是由水、油、表面活性剂(surfactant)和助表面活性剂(cosurfactant)在适当的比例下形成的透明或半透明、各向同性的热力学稳定体系。表1对微乳化液与常规乳化液的一些性质做了简略比较。
 
表1 微乳化液与常规乳化液的性质比较

 

性质
微乳液
常规乳液
透光性
半透明至透明
不透明
分散性
液滴大小在5∽10nm,分布均匀,普通显微镜下不可见
液滴大小多在0.1∽2μm,有一定的分布,普通显微镜下可见
稳定性
热力学稳定体系,离心亦难以使之分层
热力学不稳定,易离心分层
乳化剂
用量多,常需辅以相当量的脂肪醇或醚等助乳化剂
用量相对少,不必添加助乳化剂
与油、水
混溶性
与油、水在一定范围内可混溶
O/W型与油不混溶,W/O型与水不混溶
 
    从表1可以看出微乳液与乳状液的本质区别表现为两个方面:(1)微乳液是热力学稳定体系,而乳状液只是动力学意义上的稳定;(2)微乳液小球的粒径小于10nm,所以微乳液呈透明或半透明;而乳液小球的粒径为100∽500nm,故体系是浑浊的。
    微乳液具有以下特性:(1)超低的界面张力:在微乳液体系中油/水界面张力可降至超低值10-3∽10-4mN.m-1,而一般的油/水界面张力通常为70 mN.m-1,加入表面活性剂能降低至20 mN.m-1左右。(2)很大的增溶量:O/W型微乳液对油的增溶量一般为5%左右,而W/O型微乳液对油的增溶量一般为60%左右。(3)粒径:微乳液液滴的大小一般为10∽100nm,胶束的大小一般为1∽10nm,为乳液的粒径介于胶束与乳状液之间。(4)热力学稳定性:微乳液很稳定,长时间放置液不会分层和破乳。
 
    二、微乳液的制备方法
 
(1)   剂在水中法  乳化剂溶于水中,在激烈搅拌下将油相加入,可得O/W型乳液。
(2)   剂在油中法  乳化剂溶于油相,再加水,直接制得W/O型乳液。继续加水至变型,可得O/W型乳液。这样制得的O/W型乳液粒度小,稳定性高。
(3)   轮流加液法   将油和水轮流加入乳化剂中,每次少量。
(4)   瞬间成皂法   制备用皂稳定的乳液,可将脂肪酸溶于油相,将碱溶于水相。在剧烈搅拌下将两相混合,在界面上瞬间形成脂肪酸皂,从而得到稳定的乳液。
(5)   界面复合物生成法   采用复合乳化剂时,将亲油性强的乳化剂溶于油相,将亲水性强的乳化剂溶于水相。两相混合时,界面上二种乳化剂形成复合物,从而使乳状液稳定。
(6)自发乳化法   不需要机械搅拌,把油、水和乳化剂加在一起自发地形成乳状液。
 
    三、在石油行业中的应用
 
   1、  在提高原油采收率中的应用
 
在当前各种各样的能源中,原油发挥着重要的作用,约占世界能源的40%。但是,原油是非再生资源,储量在逐年下降。因此,提高原油采收率,以增加原油供应,其重要性不言而喻。所谓提高原油采收率是指通过注入原来油藏中没有的各种物料驱替出参与原油。一次采油是靠地下油藏自身的压力开采;二次采油是指用注气或注水等手段是油藏中局部增加压力;三次采油则是指二次采油后所采用的任何技术,微乳液驱油是其中比较有效的一种。
微乳技术用于三次采油,从60年代就已开始,70年代的两次石油危机大大加速了这方面的工作。微乳液驱油之所以能驱油最主要的原因是微乳液能产生超低的油-驱替液界面张力。二次采油后剩余的油年夫在地层的毛细管道中,油水界面张力约30N/m,由此得出,驱动残余油的压差一般为100Kg/cm-2/m-1,而注水的压差只有2~4Kg/cm-2/m-1,所以单靠注水不能采出这部分原油。加入微乳液可是表面张力降低到10-3N/m,因而可以大大提高采收率。
 
    2、  在燃料油中的应用
 
早在1913年,英国剑桥大学就提出在发动机中掺水燃烧的思路,1981年国际燃烧协会第一届年会上决定把掺水燃料作为三大节能措施之一。随着能源供需矛盾的日益突出,节约能源、保护环境已成为世界性研究课题。当今油料尤其是柴油的价格不断攀升,每吨批发价近4000元。因此,油包水型微乳化柴油,这种新型的节能燃料,成为近期研究的热点。
微乳化柴油其节能和环保性能有着严谨的科学依据。水本身并不燃烧,,内燃机使用含水燃料之所以能节能,不是水代替了燃料,而是促进了燃烧,使原有的燃烧更完善。众说周知,水是由氧和氢两种元素组成的,在气缸高温高压燃烧中会发生一系列附加的化学反应,会产生大量的O、H和OH自由基,这些物质大大活化了整个燃烧过程。第一,是利用自身分解氧充分助燃,抑制了未燃碳的提前排放,使之更完全燃烧,从而节省了燃油;第二,利用水在一切固体和液体中比热最大的特性迅速吸收动力零部件热量而减少膨胀性磨擦,降低了自耗功而节省了油料,增加了功率;第三,减少积炭和结胶,含水燃料可减少局部高温缺氧脱氢裂解烃类结成炭颗粒,且使燃烧室各壁面和喷油头、火花电极等突出部位温度均化,保证整体正常工作,从而达到降耗的目的;第四,促使二次雾化,由于水的沸点低而蒸发早,水蒸气产生的压力突破油包水所形成的薄膜,产生微爆效应,使油、水都得到了在化油器之后的再次雾化,不仅大大提高了燃烧利用率而节能,且增加了功率,减少尾气污染30%以上,属清洁型节能燃料。
 
    3、  在石蜡中的应用
 
微乳化蜡以石蜡和高效乳化剂等为原料乳化而成,其具有乳液微粒小、稳定性好、透明等特点。
微乳化蜡可用于人造板工业,我国目前的各种纤维板和刨花板都不同程度的使用微乳化蜡作防水剂。在造纸业,如果采用微乳化蜡施胶不仅可改善纸张质量,还可降低成本。在纺织业,微乳化蜡主要用作柔软剂和上浆助剂。在农业,微乳化蜡主要用于果蔬保鲜和植物保护。果蔬采收后用水果保鲜微乳化蜡处理,可防止因生理衰老、病菌及机械损伤等引起的腐烂变质。在植物保护方面,微乳化蜡可防止干旱、冻害、日灼等气候条件对植物的有害影响。花卉被采摘后先用水浸泡,然后再用微乳化蜡处理,可延长花卉的寿命。在皮革制造业,用微乳化蜡处理的皮革,可以使皮革表面具有蜡质手感、清爽、光亮度好。微乳化蜡在陶瓷生产中用作润滑剂,可以促进胚体形成,易于脱模,提高成品质量。微乳化蜡还可作为塑料制品及汽车上的上光剂。
微乳化蜡的应用领域十分广泛,其发展前景十分看好。
 
    4.在润滑剂中的应用
 
金属加工按时用特性分为金属切削液和金属成型液(含拉拔、轧制、锻压等)两大类。每一品种再按介质状况分为油基型(Straight oil)和水基型(Water fluid)。水基液又分为可溶性油(Soluble Oil)、半合成液(Semi-synthetics)(亦称为微乳液(microemulsion))和合成液(Synthetics)。乳化液是矿油中加入乳化剂溶于水后形成的;半合成液是由油、水、表面活性剂、助表面活性剂、和各种添加剂形成的透明油状液体;合成液则完全不含油,是一些化合物直接加入水后形成的透明液体。微乳化油是一种介于乳化油和合成切削液之间的新型金属加工液产品,它既具有乳化油的润滑性,又有合成切削液的清洗性,逐步发展为乳化油和合成液的换代产品。
随着国外先进机械装备的不断引进,必须随机引进大量微乳切削液产品,因国产切削液性能不过硬,满足不了工艺要求。进口微乳切削液价格昂贵,几乎是国产切削液价格的十倍左右。因而大力开发研究并试制这种新产品是发展我国机械工业所必须解决的问题。
 
    四、结论及展望
 
微乳液因其独特的性质得到了广泛的应用,例如,在三次采油、燃料、石蜡、润滑剂、沥青、化学反应、化妆品、医药、洗涤过程、物质分离、纺织工业、制革工业、食品工业等都得到了广泛的应用。最近十年,尤其是90年代以后,人们对微乳应用的兴趣日益浓厚,对微乳的研究将大有可为。

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