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掃描電鏡在功能化磁性納米粒子處理廢棄機加工乳液機制研究中的應用

 更新時間:2019-12-19 點擊量:3240

?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。

 

?

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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