胶质气体泡沫CGA稳定性实验研究*

罗建洪，李军，朱新华，李星，代爽

（四川大学化工学院，四川成都610065）

胶质气体泡沫CGA稳定性实验研究*

罗建洪，李军*，朱新华，李星，代爽

（四川大学化工学院，四川成都610065）

胶质气体泡沫（CGA）浮选技术是一种新型的分离手段，而日益受到学者关注，本文采用十六烷基三甲基溴化铵（HTAB）作为表面活性剂，制备CGA，为了研究胶质气体泡沫CGA特性优化实验，本文主要考察了表面活性剂浓度、温度、搅拌速度、盐度以及搅拌时间对CGA半衰期的影响，研究结果对胶质气体泡沫CGA的应用具有重要的理论指导意义。

胶质气体泡沫（CGA）；稳定性；半衰期

F.Sebba最先提出CGA的概念，其全称为胶质气体泡沫（colloidal gas aphrons，CGA）。胶质气体泡沫是含有表面活性剂水溶液在高速搅拌（n＞5000r/min）下混合生成的直径10～100μm的微细气泡。

F.Sebba认为CGA的结构见图1[1]。

图1 胶体泡沫结构示意图Fig.1 Schematic diagram of colloidal gas aphron

CGA由气泡内核和一层包封气相的皂膜组成，皂膜有内外二个表面，表面均吸附了表面活性剂单分子层，它们的亲水基团朝内，疏水基团朝外，而在该相与体相水之间的界面上，亲水基团朝向体相水，疏水基团朝向皂膜层，并有双电层存在。

CGA［1］的特点：（1）气泡微细；（2）含气率高，达75%左右；（3）比表面积大；（4）具有良好的聚结稳定性与动力稳定性，CGA所具有的与水相似的流动性使得可用泵对其进行管道输送而不用担心破裂，与一般泡沫相比，CGA的壳层要厚得多，而且其表面活性剂的带电特性使得CGA即使发生碰撞也难以聚并。

CGA的发现及其稳定特性使得泡沫分离技术的应用进入一个崭新的阶段，因而在分离工程中得到了越来越多的重视和应用。

开展对CGA稳定性动力学研究，（1）有助于探索CGA奇特的内部结构;（2）CGA在分离过程中的需要。普通泡沫的稳定性是由液膜排液速率和泡沫破裂速率两个不同的过程来决定。而对于CGA来说，由于液膜厚度较厚，因此，在大部分的液体排出之前，气泡破裂现象并不十分明显，主要发生的是液膜排液现象［2］，因此，液膜排液过程速率是决定CGA稳定性的主要因素。

国内外对于开展CGA液膜排液过程的研究文献并不是太多，罗建洪［3］等人做了胶质气体泡沫排液动力学的实验研究；燕永利［4］等人研究了用单一非离子表面活性剂制备的胶质气体泡沫的稳定性；王晓燕［2］等人进行了胶质气体泡沫特性优化实验研究；Valsaraj［5］对于影响CLA与CGA的粒径及稳定性的各种因素进行了较全面的研究；Chaphalkar［6］利用粒径分析仪研究了表面活性剂的类型与浓度对CLA的粒径及聚并的影响；王运东［7］等人做了胶质气体泡沫的制备及性质的研究；燕永利［8］等人研究了胶质气体泡沫的排液动力学；史胜龙［9］研究了胶质气体泡沫的起泡性能及封堵能力。

本文尝试以CGA的半衰期t为研究对象，对影响CGA的半衰期t的相关参数进行研究，研究结果为CGA泡沫悬浮应用提供重要理论指导。

1 实验部分

1.1 原料、试剂及仪器

选用十六烷基三甲基溴化铵（HTAB）（A.R.成都科龙化工有限公司）;NaCl（A.R.成都科龙化工有限公司）；实验采用二次蒸馏水。

FLUKO仪表式剪切乳化搅拌器（上海新浦仪表厂）;COIC倒置显微镜（重庆光学仪器厂）。

1.2 实验过程

以HTAB为表面活性剂，加入二级纯水配置一定浓度的HTAB溶液，取一定量配置好的HTAB溶液加入到带1000mL的发生器中。采用FLUKO仪表式剪切乳化搅拌器来产生胶质气体泡沫，开动搅拌，控制搅拌速度在5000r·min-1左右，液体体积迅速膨胀，产生大量气泡，搅拌3min产生稳定泡沫，停止搅拌，将制备好的CGA用泵快速地输送至自制带刻度的泡沫测量仪中见图2，然后用电子秒表开始计时，测量泡沫液面上升速度随时间的变化，最终可以得半衰期。

图2 CGA半衰期研究过程示意图Fig．2 Schematic diagram of the experimental setup for time for half of liquid to collapse of CGAs

2 结果与讨论

半衰期t（Time forhalfofliquid to collapse）CGA的稳定性用半衰期t来表示，表面活性剂溶液经搅拌全部生成CGA见图3，搅拌停止，气泡聚并破灭又重新恢复为液体。半衰期t定义为从液体全部生成CGA搅拌停止开始到液体又恢复为起始液体的一半时所用的时间。

图3 显微镜下气体泡沫的照片Fig.3 Samples of CGAs generated from HTAB in water are examined by a microscopic camera.

2.1 表面活性剂HTAB浓度对半衰期的影响

表面活性剂浓度对CGA排液过程的影响见图4。

由图4中可看，出随着表面活性剂浓度的增加，半衰期t依次增加，CGA稳定性依次增强。这是因为CGA泡沫的粒径与表面活性剂浓度显反线性关系［7，8］，随着表面活性剂浓度的增加，CGA泡沫的粒径减少，因此，随着表面活性剂浓度的增加，CGA稳定性增强。

图4 表面活性剂浓度对半衰期t的影响Fig.4 Concentration of HTAB versus the time for half of liquid to collapse

2.2 搅拌速度对半衰期的影响

随着搅拌速度的增加，半衰期t依次增加，见图5。

图5 搅拌速度对半衰期t的影响Fig.5 Stirring speed versus the time for half of liquid to collapse

这是因为[10]随着搅拌速度的增加，CGA比表面积增大，CGA的粒径减少，CGA的稳定性增强，但当搅拌速度太快，体系温度增加，反而使得CGA的稳定性减弱。

2.3 反应温度的影响

温度对半衰期t影响见图6。

图6 温度对半衰期t的影响Fig.6 Temperature versus the time for half of liquid to collapse

由图6可见，随着温度的增加，促使流体的黏度减少，并使CGA泡沫厚度变薄，稳定性减弱。

2.4 盐度的影响（图7）

图7 盐度对半衰期t的影响Fig.7 Concentration versus the time forhalfofliquid to collapse

盐度能降低CGA泡沫的稳定性，从图7可知，随着盐度的增加，半衰期t值依次降低，该实验结果与增加NaCl盐度是相反的［10，11］。

3 结论

（1）随着表面活性剂浓度的增加，半衰期t依次增加，适宜的HTAB浓度为1.5g·L-1；

（2）随着搅拌速度的增加，半衰期t先增加后减少，适宜的搅拌速度为6000r·min-1；

（3）随着温度的增加，半衰期t依次减少，适宜的温度为293.15K；

（4）随着盐度的增加，半衰期t值依次降低，因此，以不加盐为宜。

［1］戴玉杰,邓彤,王静,等,胶体池沫和从液泡沫体系中其在分离中的应用［J］.现代化工，2003,23（11）：60-62

［2］王晓燕，刘莉君,胶质气体泡沫（CGA）特性优化试验研究［J］.环境科学与技术，2006,29（1）：37-37

［3］LUO Jianhong，LI Jun，HUANG Ping et al.Chinese Journal of Chemical Engineering，2009,17（6）：955-959.

［4］燕永利，何飞，张家明，等，单一非离子表面活性剂制备胶质气体泡沫的稳定性［J］.高等学校化学学报,2008，2044-2048.

［5］Zhang C.,Valsaraj K.T.,Constant W.D.,Roy D..Studies in Solvent Extraction Using Polyaphrons.I.Size Distribution,Stability,and Flotation of Polyaphrons［J］.Sep.Sci.Technol，1996,31：1059.

［6］Charphalkar P G.A study of the size distribution and stability of colloidalgas aphron using a particle sizeanalyzer［J］.Sep SciTechnol, 1993,28（6）：1287-1302.

［7］王运东，陈敏，徐丽莲，等，胶质液体和气体泡沫的制备及其性质的研究［J］,清华大学学报，1998，38（6）：42-45.

［8］燕永利，张宁生，屈撑囤，等，胶质液体泡沫的微观结构研究［J］.化学学报，2005，63（18）：1686-1692.

［9］史胜龙，王业飞，阳建平，胶质气体泡沫的起泡性能及封堵能力研究［J］.油田化学，2016,33（3）：451-453

［10］Chaphalkar P.G.,Valsaraj K.T.,RoyD..A study of the size distribution and stability of colloidal gas aphrons using a particle size analyzer［J］.Sep.Sci.Technol.,1993,28（6）：1287-1302.

［11］Dai Y.J.,Deng T..Stabilization and characterization ofcolloidalgas aphron dispersions［J］.Journal of Colloid and Interface Science, 2003,261：360-365.

Study on the stability of colloidal gas aphrons*

LOU Jian-hong，LI Jun*,ZHU Xin-hua,LI Xing,DAI Shuang
（Dep.of Chemical Engineering，Sichuan University，Chengdu 610065，China）

Colloidal gas aphrons（CGA）is a new method for separating solutes from aqueous solution.In many separation processes,the effectiveness of CGA is related to its stability.Therefore,investigation on the stability of CGAs presents much importance for characterization of CGA dispersions and for applications in separation technology.In this paper,In order to study the stability of the colloidal gas aphrons（CGAs）,the effect of concentrations of dodecyl trimethylammonium bromide（HTAB）,temperature,stirring speed and various kinds of salts on the time for half of liquid to collapse of CGAs are further investigated.The obtained experimental result can provides the essential theory instruction for the CGA stable mechanism research and separation project application.

colloidal gas aphrons(CGA);stability;the time for half of liquid to collapse of CGAs

O648.2

A

10.16247/j.cnki.23-1171/tq.20170104

2016-10-17

四川省基础应用研究项目（2014JY0079）

罗建洪（1980-），男，副教授，2010年毕业于四川大学化学工艺专业，博士，现从事分离与纯化技术科研研究。