无机盐对油水界面电性的影响分析

GuangzhouChemicalIndustry

Vol郾47No郾7Apr郾2019

无机盐对油水界面电性的影响分析

孟雄飞1,张少君1,王明雨1,李家淦1,宋永欣2

(1山东交通学院船舶与轮机工程学院,山东摇威海摇2310;

2大连海事大学轮机工程学院,辽宁摇大连摇116026)

*

原理的油水界面检测系统,分别检测了水相为纯水、0郾05M氯化钾、0郾05M氯化钙、0郾05M氯化铁的油水体系中油水界面的Zeta电位。实验结果表明,水相中的无机盐会压缩双电层,使油水界面的Zeta电位降低,而且无机盐离子的化合价越高,对油水界面的Zeta电位的影响越大。这对于油水界面性质和油水分离技术的研究具有重要的指导意义。

摘摇要:在油水体系中,油水界面处油滴粒子从水溶液中选择性地吸附水中的OH-,从而使界面带电。利用基于静电感应

关键词:油水界面;双电层;无机盐;Zeta电位摇

中图分类号:TP216摇摇

摇文献标志码:A

文章编号:1001-9677(2019)07-0099-03

AnalysisofInfluenceofInorganicSaltsonElectricalProperties

ofOil-waterInterface*

MENGXiong-fei1,ZHANGShao-jun1,WANGMing-yu1,LIJia-gan1,SONGYong-xin2

(1CollegeofNavalArchitectureandMarineEngineering,ShandongJiaotongUniversity,Shandong

Weihai2310;2MarineEngineeringCollege,DalianMaritimeUniversity,LiaoningDalian116026,China)Abstract:Intheoil-watersystem,theoildropletsattheoil-waterinterfaceselectivelyadsorbOH-fromtheaqueoussolution,therebychargingtheinterface郾Theoil-waterinterfacedetectionsystembasedontheprincipleofelectrostaticinductionwasusedtodetectthezetapotentialattheoil-waterinterfaceintheoil-watersystemwithpurewater,0郾05Mpotassiumchloride,0郾05Mcalciumchlorideand0郾05Mferricchloride郾Theexperimentalresultsshowedthattheinorganicsaltintheaqueousphasecompressedtheelectricdoublelayer,whichreducedthezetapotentialattheoil-waterinterface郾Thehigherthevalenceoftheinorganicsaltions,thegreatertheinfluenceonthezetapotentialattheoil-waterinterface郾Thishadimportantguidingsignificanceforthestudyofoil-waterinterfacepropertiesandoil-waterseparationtechnology郾

Keywords:oil-waterinterface;electricdoublelayer;inorganicsalt;zetapotential

随着世界航运业的快速发展,各国船舶吨位不断增加,船舶含油废水的排放给海洋资源、人类以及生态平衡等产生严重影响[1-2]。所以对含油废水的处理一直是全球关注的热点问题,各种处理含油废水的方法被众多科研工作者研究讨论。吸附法因吸附剂再生费用高,膜分离法因膜清洗困难运行费用高,电化学法因电耗高、运行费用高等问题难以有效推广,而一些更为新进的新型处理技术,如高级氧化法,因高压反应器存在严重的腐蚀问题,而难以推广[3-4]。絮凝技术由于其适应性强、反应时间短、处理效果显著、操作简单,因而在含油废水处理中广泛应用。深入探索含油废水的降解机理,对提高含油废水的处理效率、提高絮凝效果、研发新型絮凝剂、降低处理成本具有重要的意义。

图1摇油水界面带电图

Fig郾1摇Oil-waterinterfacechargingdiagram

1摇油水界面带电特性

摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇

*

在油水两相体系中,油水界面所带电电荷的主要原因是位于两相界面处的油滴选择性地吸附水中的OH-,导致油滴表面的电性为负,如图1所示。带负电荷的油滴会吸附附近的带负电荷的离子,这些带负电荷的离子会受到两个方向相反的力,

基金项目:国家自然科学基金资助项目(51609131);山东省自然科学基金资助项目(ZR2017MEE031);山东省高等学校科技计划项目资助项目

(J12018BBA015);威海市重点研发计划(2017GNS18)。

第一作者:孟雄飞(1990-);男,助教,主要研究方向为船舶防污染检测。

通讯作者:王明雨,教授,硕士生导师,主要研究方向为船舶海洋防污染与生态修复。

摇100广摇州摇化摇工

水界面的Zeta电位[6],原理图如图3所示。

2019年4月

一个力是油滴表面被吸附的离子的引力,该引力的方向指向界面;另一个力源自离子本身的热运动,该力的方向是由界面指向溶液。油滴在两种力相互作用的结果下使得负电荷的离子在油滴表面呈平衡分布:界面附近的离子浓度较大;与界面距离远的离子浓度较小,形成扩散分布,带电表面及这些负电荷离子在油水界面呈扩散状态的分布就构成扩散双电层[5]。

根据Stern双电层理论可将双电层分为内外两部分,即Stern层和扩散层。Stern层是指吸附在电极表面的一层离子电荷中心组成的一个平面层,将Stern层相对远离界面的液体中的某处的电位定义为Stern电位。溶液中的负电荷离子及溶剂分子受到足够大的静电力及范德华力从而紧密吸附在固体表面上,形成稳定层,其余离子构成扩散层。将稳定层与扩散层内本文利用基于静电感应原理的油水界面检测系统来测量油开始时,检测电极暴露在空气中,有一个相对地的电势

V0。当检测电极与电解质溶液-油液界面接触时(该界面具有灼电位),电极-空气界面与电解质溶液-油液界面之间的电势差在测量电路中会产生感应电流,电势差为:

驻V=灼-V0

(1)(2)

这个电势差会在电极上产生感应电流,因此电阻两端的电压差为

驻VR=I·R

这里的驻VR是电阻两端电压差,R是电阻的阻值。这个电部物质发生相对移动时的界面是滑动面,滑动面相对远离界面的液体中的某点的电位定义为Zeta电位,图2为示出了双电层的结构及离子分布情况。

Fig郾2摇图2摇Double双电层示意图layerschematic

油水界面带电量越多Zeta电位的大小反映了油水界面的带电程度,扩散层越厚。另外,Zeta,电位也是评价油Zeta电位越大,水体系稳定性的一个指标,Zeta电位越高,油水体系越稳定,越不利于油水分离。反之,Zeta电位越低,油水体系稳定性越差,油滴越容易聚结从而越有利于油水分离。Zeta电位的测量可以深入分析油液的分散机理,为后续的油水分离提供理论基础。

2摇实摇验

2郾1摇检测原理

Fig郾图3摇3摇Detection检测原理图schematic

压差信号被输送到信号放大电路,输出端通过数据采集仪与电脑相连接,从而,会有一个电压峰值产生并且被电路检测系统检测到。

很明显,输出信号的幅值Voutput气界面与电解质溶液-油液界面之间的检测电势差成正比,即

Voutput其中,K是常数,根据公式=K(1)·驻V

~(3),很容易得出:输出(3)

电信号Voutput将随电阻值的增加而增加,根据公式(1)~式(3),我们将要确定的Zeta电位可表示为:

灼=Voutput/K+V由式(4)可以看出,只要确定了K0

与V(4)

位就能根据所要测的电压信号直接计算出来0。

,则要求的Zeta电

2郾2摇检测系统

检测系统主要由检测单元(包括检测探针及参考电阻等)、信号放大单元、信号采集单元(NI数据采集仪并配合LabVIEW软件)及数据显示单元组成。

该检测单元所用的检测电极为铜电极,检测样品为等体积的润滑油(中石化,100#)和相应配制好的溶液组成的油水两相混合体系。

系统采用的信号放大单元为差分放大电路,一方面差分信号灵敏度很高,易于捕捉较小的信号,另一方面差分信号不需要虚地,从而增加了双极型信号的保真度和稳定性[7]放大器选用上,系统选用AD620差分放大器。该放大器采用经。在差分典的三运放改进设计,具有增益可控、低功耗、低输入失调电压、低输入失调漂移、低输入偏置电流等特点,可有效消除外部噪声干扰、偏置电流等,从而更为精确地对采集的信号放大处理。放大电路中,电源电压采用12V的直流蓄电池供电。

检测时,沿垂直方向匀速缓慢地移动烧杯,当铜电极接触到油/水界面时,根据静电感应原理,电极会感应出相应的电荷,感应电流经过电阻后,在电阻两端产生一定的电势。该电势信号首先进入信号差分放大电路,信号经过减噪和放大处理后,由NI数据采集仪以合适的采集频率进行数据采集,最终在计算机上得到显示和存储。

3摇结果与讨论

实验中,配制纯水(a)、0郾05M氯化钾溶液(b)、0郾05M氯化钙溶液(c)、0郾05M氯化铁溶液(d)四种溶液,并分别与

润滑油(中石化,100#)在烧杯中等体积混合。静置一段时间后,打开检测系统的各项开关,对样品进行检测。检测结果如图4所示。

第47卷第7期孟雄飞,等:无机盐对油水界面电性的影响分析摇101

Fig郾图4摇4摇Test检测结果图resultchart

图4实验数据如表1所示。

Table表1摇1摇不同无机盐溶液的油水界面的信号幅值Signal无机盐differentamplitudesinorganicofoil-waterinterfacesof

信号幅值salt/Vsolutions

标准差纯水-0郾0郾09氯化钾-0郾210郾01氯化钙-0郾150郾02氯化铁

-0郾09

0郾04

摇图摇,图根据静电感应检测原理5为相同浓度下无机盐溶液的油水界面的电压信号比较

,所测得的信号幅值即可表征油水界面Zeta电位的大小,由信号图可以看出,溶液中无机盐离子的存在会使油水界面的Zeta电位减小,而且氯化钾、氯化钙、氯化铁溶液的油水界面的Zeta电位依次呈减小趋势。

Fig郾图5摇5摇无机盐溶液的油水界面的电压信号比较图Comparisoninterfaceofofinorganicvoltagesignalssaltsolution

attheoil-water

4摇结摇论

在油水两相体系中,一定量无机盐离子的存在会使油水两相界面的带电量降低,根据双电层理论,这可解释为:溶液中无机盐离子的加入,无机盐离子会将会一定程度地将溶液中原有的离子挤压到吸附层中,从而使扩散层的厚度降低,由于无机盐对双电层的压缩作用,Zeta电位降低。同等条件下,无机盐离子的化合价越高DLVO,油水界面的Zeta电位降低量越大的静电斥力就越小理论,Zeta电位越低。根据,油滴越倾向于凝结或凝聚,油滴表面电荷密度越小,从而也就越利,相互间于油水分离。

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