激光粒度儀測定煤油／水乳液粒度分布的實驗研究

但小鳳 曹 耿 姚志坤 陳 曉

（西南民族大學化學與環境保護工程學院，四川 成都，610041）

在自然界和日常生活中，原油、橡膠類植物的乳漿、農藥乳劑和牛奶等都是乳液。乳液的液滴因光反射作用而呈現乳白色［1］。乳液的粒徑分布作為評價乳液穩定性的重要指標，對制備穩定乳液［2］和破乳［3］有著重要的指導作用。目前，乳液的粒徑分布檢測方法主要有沉降法、顯微鏡法和激光衍射法［5］等。前二者具有操作繁瑣、檢測速度慢和重現性差等不足之處，激光衍射法具有樣品量少、檢測迅速和重現性好等優點，在實際工作和研究中，得到廣泛的應用。目前，關于激光粒度儀測試乳液粒度分布的報道還較少，研究測試條件對乳液粒徑分布的影響，將會對激光粒度儀在乳液粒徑測定的應用中有一定的指導意義。

本文以山梨糖醇酐油酸酯（Span80）和聚氧乙烯脫水山梨醇單油酸酯（Tween80）為乳化劑，制備出HLB值為12.0的煤油／水乳液［6］。通過激光粒度分析儀對其進行粒度分析，考察了實驗條件（分散劑的濃度和進樣量）和儀器參數（超聲、攪拌轉速和循環流速）對粒徑分布和平均粒徑（D4，3）的影響。

1 實驗部分

1.1 主要儀器與試劑

試劑：煤油（市售）、蒸餾水、Span80（分析純）、Tween80（分析純）、乙醇（分析純）。

儀器：FJ－200型高速分散均質機（上海標本模型廠）、Rise－2006激光粒度分析儀（濟南潤之科技有限公司）、DM6234P＋型數字式轉速計（沈陽眾博銘誠科技有限公司）。

1.2 實驗原理

Rise－2006型激光粒度儀是根據光學衍射原理測定待測物粒度分布，首先利用He－Ne氣體激光器激發出穩定的單色激光獲取分散度較好的樣品的衍射結果，然后采用全量程米氏（Mie）散射理論并運用無約束擬合反演即測試前對顆粒群不做任何假設，根據顆粒在各角度上散射光強的變化直接準確地計算出顆粒群的粒度分布。［7－8］

通常，激光粒度儀需要對樣品進行稀釋使得樣品的遮光度在一定范圍內才能獲取準確的粒度分布結果。根據稀釋時使用介質的不同，激光粒度儀測定方法分為干法和濕法：干法指稀釋介質為空氣或其他氣體介質，而濕法指稀釋介質為水、乙醇或其他液體介質。Rise－2006型激光粒度儀采用濕法測定。

1.3 實驗方法

乳液的制備：取45.00mL水和45.00mL煤油于錐形瓶中，加入一定量的Span80和Tween80使得其HLB值為12.0。利用高速分散均質機在1.0×104rpm的轉速下攪拌2min，制得穩定的乳狀液，具體方法見文獻［6］。

粒度分布的測試：在激光粒度儀的樣品分散池中加入300mL一定濃度的十二烷基硫酸鈉（SDS）水溶液，然后將少量乳液樣品加入池中，通過超聲或攪拌并循環流動使其均勻分散，在循環過程中利用激光粒度儀測得乳液的粒度分布和平均粒徑（D4，3）。本實驗采用單因素實驗法考察了分散劑SDS溶液濃度、乳液樣品進樣量、攪拌轉速、循環流速和超聲對乳液液滴粒度分布和平均粒徑（D4，3）的影響。

2 結果與討論

2.1 分散劑SDS濃度對粒徑的影響

在攪拌轉速為750rpm、循環流速為8mL／s且不超聲的條件下，取0.50mL乳液加入300.00mL的0.50、1.00、2.00和4.00×10－2g／L SDS溶液稀釋，檢測各條件下乳液的粒度分布和平均粒徑（D4，3），結果如圖1和圖2所示。

圖1 SDS濃度對粒徑的影響

SDS溶液作為表面活性劑，主要有稀釋乳液并穩定乳液液滴的作用。表面活性劑SDS吸附于穩定的乳液液滴表面，防止液滴在測試過程中聚并長大，使測試結果具有可靠性。由圖1和2可知，隨著分散劑濃度的增加，乳液的粒度分布和平均粒徑（D4，3）幾乎無變化，即隨分散劑濃度的增加而基本保持不變。故選取分散劑SDS濃度為0.50×10－2g／L。

圖2 不同SDS濃度的粒度分布圖

2.2 超聲對粒徑的影響

在攪拌轉速為750rpm、循環流速為8mL／s條件下，取0.50mL乳液加入300.00mL的0.50×10－2g／L的SDS溶液稀釋，利用功率為100W 的超聲波分散器超聲不同時間后測試乳液的粒度分布和平均粒徑（D4，3），結果如圖3和圖4所示。

圖3 超聲的粒徑分布圖

超聲可以使待測顆?；蛞旱畏稚⒕鶆?，但同時使大液滴變成小液滴，并在SDS溶液中穩定存在，起到進一步乳化的效果。由圖3可知，超聲60s較未超聲的乳液粒度分布發生明顯的左移，粒度分布峰形未變，但平均粒徑（D4，3）減小。由圖4可知，隨著超聲時間的增長，乳液的平均粒徑先急劇減小，后趨于穩定值，這表明液滴在超聲作用下破碎液滴減小，其最終穩定值決定于超聲器的功率。所以測試液滴粒徑分布時超聲會導致液滴破碎，導致液滴平均粒徑的測量值偏小。

圖4 超聲對粒徑的影響

2.3 進樣量對粒徑的影響

在攪拌轉速750rpm、循環流速為8mL／s且不超聲的條件下，取0.50、1.00、1.50和2.00mL乳液加入300.00mL的0.50×10－2g／L的SDS溶液稀釋，檢測各條件下乳液的粒度分布和平均粒徑（D4，3），結果如圖5和圖6所示。

圖5 不同進樣量的粒度分布圖

由圖中結果可知：進樣量少，則不能代表乳液的真實情況，信噪比較小，誤差較大，所得結果與實際偏差較大；進樣量多，被待測液滴散射過的光束再次被其他的液滴散射，即發生多重衍射，甚至得到錯誤的粒徑分布。多重衍射通常導致散射光偏向更高編號的檢測器，使得測試結果小于實際粒徑。圖5中進樣量為2.00mL時，乳液粒徑分布為雙峰，1號峰出現是多重衍射引起的，導致了得到乳液中不存在的粒徑分布。進樣量較小時不能代表整個乳液真實情況，進樣量超過0.50mL時，粒徑分布圖偏離正態分布，小粒徑增多至出現雙峰。圖6所示，隨著進樣量的增加，平均粒徑（D4，3）減小，即隨著進樣量的增加，多重衍射逐漸加劇，得到粒徑分布圖的可靠性越低。

圖6 進樣量對粒徑的影響

綜上所述，在權衡進樣量的代表性和多重衍射的雙重因素下，應選擇進樣量為0.50mL進行檢測。

2.4 攪拌轉速對粒徑的影響

在攪拌轉速為750、900、1200和1500rpm，循環流速為8mL／s且不超聲的條件下，取0.50mL乳液加入300.00mL的0.50×10－2g／L的十二烷基硫酸鈉（SDS）溶液稀釋，檢測各條件下乳液的粒度分布和平均粒徑（D4，3），結果如圖7和圖8所示。

由圖7可知，隨著攪拌轉速的增大，乳液的粒度分布曲線未發生類似圖3的明顯左移，這表明攪拌相對于超聲能量較小，對液滴的破壞能力有限，不會造成液滴的劇烈破碎。由圖8可知，隨著攪拌轉速由750rpm增大至1200rpm，乳液液滴平均粒徑在10.8～12.5范圍內先急劇減小，后趨于平緩，這表明攪拌轉速對乳液的平均粒徑有一定的影響，在攪拌槳的剪切力作用下，會導致少量大液滴破碎成小液滴，致使平均粒徑（D4，3）略微減小。由于攪拌能夠防止液滴的聚并（會導致平均粒徑偏大），所以均勻分散和測試過程中選擇最小的攪拌轉速750 rpm，盡量減小攪拌對乳液粒徑的影響。

圖7 不同攪拌轉速的粒度分布圖

圖8 攪拌轉速對粒徑的影響

2.5 循環流速對粒徑的影響

在攪拌轉速為750rpm、循環流速為額定的8、24、40、56 和 64mL／s且不超聲的條件 下，取0.50mL乳液加入300.00mL的0.50×10－2g／L的SDS溶液稀釋，檢測各條件下乳液的粒度分布和平均粒徑（D4，3），結果如圖9和圖10所示。

稀釋后的乳液通過循環泵作用進入樣品池，發生光的散射與衍射，得到乳液的粒徑分布。在循環過程，雖然增大了乳液的液滴的碰撞幾率，因乳液液滴表面吸附有表面活性劑，且表面通常會帶有電荷，在空間效應和經典排斥的作用下，液滴并未發生聚并；反而，在快速循環的過程中，使得少量大液滴被破壞變成小液滴，并且表面迅速吸附SDS而穩定下來。如圖9和10所示，隨著循環流速的增加，乳液的粒度分布左移，平均粒徑減小，但兩者變化都較小。所以，在測試液滴粒徑分布是應選取循環流速最小值8mL／s，以減小其帶來的影響。

圖9 不同循環流速的粒度分布圖

圖10 循環流速對平均粒徑的影響

3 結論

進樣方式、攪拌轉速、循環流速和超聲過程對乳液的液滴粒徑測量過程均有明顯影響。實驗得到利用Rise－2006型激光粒度儀測定煤油／水乳液粒徑分布及平均粒徑（D4，3）的最佳條件為：攪拌轉速750 rpm，循環流速8mL／s，不超聲，分散劑SDS濃度0.50×10－2g／L，進樣量0.50mL。

［1］顧惕人，朱瑤，李外郎，等.表面化學［M］.科學出版社，1999.

［2］付雪，諸林，劉娟，等.無助乳化劑的非離子型石蠟乳液的制備［J］.石油化工，2013，42（9）：967～972.

［3］Xiao Chen，Houfang Lu，Wei Jiang，et al.De－emulsification of kerosene／water emulsions with plate－type microchannels［J］.Industrial ＆Engineering Chemistry Research：2010，49：9279～9288.

［4］李曉平，呂勃蓬，李永壯，等.基于圖像處理的乳狀液液滴粒徑分布測量［J］.石油工業技術監督，2013，29（2）：41～48.

［5］戴兵，包志華，賀安之.一種新的激光衍射粒度測試技術的研究［J］.光電子·激光，13（6）：599～602.

［6］曹耿，但小鳳，程昌敬，等.煤油／水體系乳狀液的制備及其穩定性研究［J］.西南民族大學學報（自然科學版），2014，40（2）（已接收）

［7］粱國標，李新衡，王燕民.激光粒度測量的應用與前景［J］.材料導報，2006，20（4）：90～93.

［8］孫昕，張貴忠，賈光明，等.于米氏散射理論的激光粒度儀的介紹［J］.現代科學儀器，2004，540～42.