液－液传质过程中液滴内界面湍动现象

余光雄，林晗丹，焦放健，颜 俊，沙 勇

（厦门大学化学化工学院，福建 厦门361005）

在液－液相际传质过程中，由于物质跨越界面的传递，可使相界面及附近的密度、表面张力等物理化学性质发生改变，从而可能导致界面流体产生流体运动，即界面湍动.通常由表面张力变化导致的表面张力梯度引发的界面湍动，称为Marangoni对流，而由密度变化导致的重力梯度引起的界面湍动，称为Rayleigh对流［1－2］；如果能充分利用界面湍动对界面更新的促进作用和对传质过程的增强作用，可极大地提高传质速率［3－4］.

由于界面湍动在临近界面处发生，其浓度场和速度场难以测量，目前多利用纹影法、投影法、干涉法等光学测试手段，对其湍动形态进行观察.通过利用液－液萃取传质手段，研究者对界面湍动进行了直接光学观察，考察了不同传质条件下的界面湍动结构，获取的形态众多，结构复杂［5－12］.Guzun等［7］观察了液－液体系传质过程中的界面湍动现象，在水－乙酸－乙酸丁酯体系的界面上观察到细胞对流结构.Juel等［8］研究了两层液体中的Bénard－Marangoni对流，得到四边形、六边形等多种对流结构，不同传质条件下，界面湍动结构差异显著.目前的光学观察研究集中在观测平坦界面内或液滴外侧空间出现的界面湍动形态，通常为湍动充分发展后的形态［13－14］，缺乏界面湍动完整的时空演化过程观测；对于液滴内部出现的界面湍动现象则缺乏了解，原因在于液滴为圆球状，对光线有汇聚作用，故对液滴内部出现的界面湍动无法进行直接光学观测，尚需精巧设计的实验以观察液滴内部界面湍动现象及其演化过程.

本文使用放大投影法观察了液－液体系中，溶质在单个液滴分散相与连续液相之间的传质引发的液滴内部界面附近的界面湍动现象，以获取液滴界面湍动现象的直接视觉证据.

1 实验装置和方法

实验装置如图1所示，点光源发出的发散光首先通过实验盒，若盒内液体介质在传质过程中出现界面湍动现象，则光通过介质时，折射率发生变化，在投影屏上会出现明暗不均的投影图像，即可通过照相机实时记录.通用的投影观测方法是利用平行光通过观测介质成像，因此获取的投影成像与光通过介质区域的大小相同，不利于观测细节.本实验采用LED点光源发出的发散光成像，在屏幕上得到的是光通过实验盒介质区域的放大图像，有利于实时记录传质导致的液滴界面湍动投影图像［15］.

实验盒由两块光学玻璃构成，其两侧与底部使用硅胶片密封，形成一内部空间长为12cm、宽为12cm、间距为0.6mm的狭长容器.实验时，将实验盒垂直放置在水平台上，置于光源和投影屏之间，先用注射器向实验盒中注入连续相液体，然后使用针式注射计量泵，通过平头针管将分散相液体注入实验盒内连续相液体内部，形成一定直径的液滴悬浮在连续相中；关掉注射泵并迅速撤出注射针，即可观察并记录投影屏上由于液－液传质导致的液滴界面湍动图像.由于实验盒内液层厚度仅为0.6mm，液滴形态为薄圆片，连续相液体与分散相液体之间的两相圆形界面清晰，方便观察液滴内部发生的界面湍动现象；此配置可视之为从球形液滴中截取一个竖直截面进行观察，可避免圆球状液滴对光线的汇聚干扰，同时避免了圆球状液滴内界面湍动流动重叠所导致的观测困难，而且此竖直截面配置包含了密度梯度变化的影响，液滴传质过程中发生的界面湍动可包含Rayleigh对流和Marangoni对流.如将图1实验装置整体旋转90°，实验盒水平放置，此时球形液滴即相当于从球形液滴中截取一个水平截面进行观察，由于液层水平放置，而且很薄，此水平截面配置可忽略由密度梯度引发的Rayleigh对流，此时观察到的界面湍动可认为只是由Marangoni对流构成.

图1 实验装置示意图Fig.1 Experimental schematic diagram

实验的分散相液滴采用水和丙酮混合液，利用丙酮分别向甲苯和甲基异丁酮两种连续相的扩散，改变丙酮由液滴内向外部的传质条件，观察液滴内部由于传质导致的界面湍动现象.实验在常温常压下进行，使用的有机溶剂均为分析纯，水为去离子水.实验前将连续相液体组分与分散相液体组分进行预饱和，以排除实验过程中这两者之间的传质对溶质扩散传质的影响.

2 实验结果与讨论

2.1 水（分散相）－丙酮（溶质）－甲苯（连续相）

此实验体系以甲苯作为连续相，丙酮水溶液液滴作为分散相，溶质丙酮在水溶液中的起始质量分数为25%，传质过程为丙酮从水溶液液滴向甲苯中扩散.

2.1.1 竖直截面

如图2所示，初始液滴直径为4mm，当传质开始后，液滴外侧上部出现了大片向上扩散的液柱，而液滴内界面四周均出现涡流胞.由于水的密度为998kg／m3，丙酮密度为790kg／m3，甲苯密度为867kg／m3，丙酮密度小于水和甲苯，丙酮在水溶液液滴向甲苯连续相的扩散中，导致液滴界面外侧甲苯相的密度减小，在液滴外侧上部引发了强烈的Rayleigh对流.而在液滴内侧，由于丙酮的表面张力小于水，当其向外扩散时，液滴内丙酮含量减少，液滴界面张力变大，而且丙酮和水存在较大密度差，在液滴内侧出现的界面湍动为Rayleigh对流和Marangoni对流综合作用的表现.当两液相一开始接触，液滴内侧的界面湍动立即发生，并在t＝4s时形成较为稳定的湍动结构，随着丙酮从水溶液液滴向甲苯的传递，传质强度逐渐减弱，液滴直径逐渐变小，液滴内部湍动涡流胞逐渐减小，直至消失，在t＝132s时，液滴界面两侧界面湍动几乎完全消失，界面清晰可见.在传质过程中，液滴内部界面湍动局限于界面附近，尺度较小，没有充满整个内部空间.

图2 丙酮从水溶液液滴向甲苯扩散过程中的界面现象Fig.2 Interfacial phenomena induced by acetone diffusion from water droplet to toluene

2.1.2 水平截面

如图3所示，初始液滴直径为3mm，丙酮从水溶液液滴向甲苯开始扩散后，液滴界面内侧即出现Marangoni对流涡流胞结构，但受液滴尺寸限制，此Marangoni对流不能充分发展，涡流对流结构紊乱；随着传质的进行，液滴直径逐渐减小，Marangoni对流强度逐渐减弱，直至166s时界面恢复成规则平稳的圆形.与图2包含Rayleigh对流的液滴内部界面湍动现象相比，液滴内部的湍动强度大，湍动结构充满液滴内部空间.

2.2 水（分散相）－丙酮（溶质）－甲基异丁酮（连续相）

实验时，以甲基异丁酮作为连续相，丙酮水溶液液滴作为分散相，溶质丙酮在水溶液中的起始质量分数为25%，传质过程为丙酮从水溶液液滴向甲基异丁酮中扩散.

图3 丙酮从水溶液液滴向甲苯扩散过程中的Marangoni对流Fig.3 Marangoni convection induced by acetone diffusion from water droplet to toluene

2.2.1 竖直截面

初始液滴直径为3.5mm，传质开始时，由于丙酮表面张力小于水，导致丙酮向外扩散时液滴界面内侧界面张力增大，而且丙酮和水之间存在较大密度差，在液滴内侧出现的界面湍动为Rayleigh对流和Marangoni对流综合作用的表现.然而，丙酮密度为790 kg／m3，甲基异丁酮密度为796kg／m3，两者密度差很小，因此界面外侧的Rayleigh对流较之水－丙酮－甲苯体系较弱.当扩散过程一开始，液滴界面内侧立即出现规则的涡流胞结构如图4（a）所示，这些涡流胞随后不断融合、生长并破裂形成新的涡流胞，且随着扩散过程的进行，液滴界面的涡流胞逐渐变小，Marangoni对流也逐渐衰弱，液滴直径随时间变小、界面不断变薄.同水－丙酮－甲苯体系类似，液滴内部界面湍动在Rayleigh对流和Marangoni对流的综合作用下，局限于界面附近.

图4 丙酮从水溶液液滴向甲基异丁酮扩散过程中的界面现象Fig.4 Interfacial phenomena induced by acetone diffusion from water droplet to methyl isobutyl ketone

2.2.2 水平截面

初始液滴直径为3mm，当丙酮水溶液液滴在甲基异丁酮中形成时，由于丙酮向甲基异丁酮连续相的扩散，在液滴内部出现界面湍动Marangoni对流.由图5（a）所示，传质开始时液滴内部即形成 Marangoni涡流胞，这些涡流胞相互作用，不断融合破裂，强度剧烈充满液滴内部空间，随着传质过程进行，Marangoni涡流胞减小且强度减弱，液滴直径也不断减小，直至液滴内部空间平稳.与图4中 Marangoni对流与Rayleigh对流同时发生时的界面湍动现象比较可知，在液滴内部仅存Marangoni对流时，界面湍动更为剧烈.

图5 丙酮从水溶液液滴向甲基异丁酮扩散过程中的Marangoni对流Fig.5 Marangoni convection induced by acetone diffusion from water droplet to methyl isobutyl ketone

3 结 论

在水－丙酮－甲苯和水－丙酮－甲基异丁酮两种体系中，液滴内部界面湍动现象放大投影观察结果表明，液滴内部的界面湍动强烈，对传质有强烈的促进作用.Marangoni对流单独作用下的液滴内部界面湍动强度大，可充满整个液滴内部，而当 Marangoni对流与Rayleigh对流耦合存在时，液滴内部界面湍动强度较小，仅存在于液滴界面内侧附近，不能充满整个液滴内部空间.

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