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扫描电镜在功能化磁性纳米粒子处理废弃机加工乳液机制研究中的应用

 发布时间:2019-12-19 点击量:164

?机械加工过程产生的废弃乳化液含有大量表面活性剂和矿物油,由于大量表面活性剂的存在,形成了纳米尺寸的微小油滴,同时表面活性剂成为一层稳定的保护膜,很难实现有效破乳。

 

目前常用的处理技术有气浮、化学絮凝联合气浮、化学和电化学技术、化学破乳剂、膜技术及生物技术等。由于油滴尺寸小、质轻,通常需要很长的停留时间,油水分离比较缓慢且低效。

 

尽管化学破乳剂具有广泛的应用,但是处理后化学破乳剂会在留在水中,产生严重的二次污染,并且很难实现破乳剂的回收。开发新型高效和低成本的机加工废液处理技术成为亟待解决的问题。

 

同济大学研究者设计合成了一种功能化磁性纳米粒子(Functional magnetic nanoparticle, FMNPs),并通过飞纳电镜温控样品杯研究了 FMNPs 对废弃乳化液的处理效果及其破乳过程和机制。

 

 

破乳过程

 

 

在 FMNPs 作用下乳液的破乳经历了两个过程:

 

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;

 

随后,在磁场的作用下,表面吸附有 FMNPs 的液滴群体进行定向迁移,迁移过程中,由于液滴间的相互挤压也会出现液滴的进一步聚并,最终液滴从连续相中分离出来。

 

(A-C) FMNPs 在液滴表面的分布 (D) FMNPs 与乳化剂 (0.125 g/L SDBS) 的结合状况,(E) FMNPs与乳化剂 (1.0 g/L SDBS) 的结合状况,(F) 乳化剂 (1.0 g/L SDBS) 的网络结构

 

FMNPs 加入到乳状液中后,先要经历扩散过程,迁移到液滴表面(A-C),并与液滴表面的表面活性剂发生相互作用,进而粘附在液滴表面。由于液滴与表面活性剂间的结合,会改变乳状液原本的网络结构(D-F)。乳液有一定程度的失稳,出现液滴的絮凝和聚并,液滴的尺寸增大,最后在磁场作用下分离出来。

 

在此类含水样品的研究中,传统扫描电镜(SEM)无法直接观察样品,通常需要将样品干燥后在放入 SEM 观察,但是干燥后样品中的凝胶结构塌陷,破坏了样品内部真实的形貌。

 

飞纳(Phenom)电镜温控样品杯可以将含水样品迅速冷冻,然后放入样品仓观察,保留了样品内部的空间结构,对于含水样品的研究提供了一套快速可行的研究方案。

 

?

利用飞纳电镜温控样品杯观察在不同活性剂浓度下,乳液结构的变化

 

含水样品研究方法对比

 

· Cryo-SEM:操作复杂、样品制备复杂、成本高
· 干燥(冷冻干燥):结构塌陷,不利于 “破乳” 机制分析
· Phenom 温控样品杯:操作简单、效率高、成本低

 

参考文献

 

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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