表面活性剂对悬浮液液滴形成的影响

章文斌, 赵 辉, 许建良, 李伟锋, 刘海峰

(华东理工大学煤气化及能源化工教育部重点实验室,上海煤气化工程技术研究中心,上海 200237)



表面活性剂对悬浮液液滴形成的影响

章文斌, 赵 辉, 许建良, 李伟锋, 刘海峰

(华东理工大学煤气化及能源化工教育部重点实验室,上海煤气化工程技术研究中心,上海 200237)

在以空心玻璃微珠为分散相、超纯水为分散介质的悬浮液中加入表面活性剂,通过高速摄像机研究表面活性剂对悬浮液液滴形成的影响。研究结果显示:在液滴形态变化方面,喉部直径对时间的变化率随着表面活性剂质量分数的增大而减小;液滴断裂长度与卫星液滴直径均呈现先减小后增大的趋势;形成的悬浮液液滴直径随表面活性剂质量分数的增大而逐渐减小;当表面活性剂质量分数相同时,液滴生长速率随着时间的推移而逐渐增加;在相同时刻下,液滴生长速率随着表面活性剂质量分数的增大而增大,但始终小于对照组液滴的生长速率。

悬浮液; 表面活性剂; 液滴; 形成形态; 液滴生长速率

悬浮液液滴形成是大自然中的一个常见现象,这一现象也被广泛应用于工业生产和科学领域的研究,例如喷墨打印[1]、水煤浆的雾化[2]、食品生产过程[3]等。许多学者对悬浮液液滴形成的理论机理以及实验研究做了大量的工作[4-9]。在常温、常压下的静止气体环境中,悬浮液液体在液滴模式下,液桥连接着下端新形成的液滴与上部分喷嘴处悬浮液,液桥直径减小,下端液滴逐渐下落,形成新的液滴。这一过程被认为主要受到液滴自身重力、液体表面张力以及黏性力影响[10]。悬浮液液滴形成过程比纯液体液滴更为复杂,Zhao等[11]通过研究发现在夹断区中,颗粒体积分数随着悬浮液喉部直径的减小而减小,出现了颗粒分布的不均匀性,喉部直径随时间变化也与纯液体液滴有很大不同。此外,他们还发现颗粒体积分数和颗粒粒径对纯液体区液丝长度有很大的影响。Furbank等[12]主要研究了悬浮液液体从滴落模式到射流模式的转变过程。在滴落模式下,低体积分数颗粒的液丝夹断结构与纯液体相似;而在高体积分数下,颗粒会抑制卫星液滴的形成。在射流模式下,悬浮液液体比纯液体有着更小的断裂长度。Furbank等[13]还研究了悬浮液液滴在夹断时刻附近的瞬时变化,给出了液丝内部颗粒分布从均相到非均相的界限划分。Moon等[14]主要研究液桥拉伸过程中颗粒对不同阶段液滴喉部直径的影响,发现在液丝夹断的最后阶段的情况要比初始阶段更加复杂。Bonnoit等[15]发现在夹断的最后阶段喉部直径减小速率与颗粒体积分数无关,纯液体的性质起着十分重要的影响。此外,他们观察到在纯液体阶段,有少量固体颗粒进入液丝,液丝的夹断速率加快。Pan等[16]发现随着颗粒体积分数的逐渐增大(φ≥45%),液滴形态发生了明显变化,在低体积分数下颗粒的两种形态模式逐渐消失。

表面活性剂是一类能够显著改变液体表面张力的精细化学品。在纯液体中,少量表面活性剂能够使液体静态表面张力迅速降低,而当表面活性剂质量分数大于临界胶束质量分数后,张力变化趋于平缓[17]。在液滴形成过程中,液体的表面张力是一个重要影响因素,因此学者对表面活性剂溶液液滴形成的过程[18-20]和机理[21-23]方面进行了详细的研究。与前人实验研究不同,本文分别采用空心玻璃微珠和水作为分散相和分散介质,研究表面活性剂对悬浮液液滴形成的影响。在悬浮液中加入表面活性剂后,悬浮液流变性与黏度变化差别不大,因此在不同表面活性剂下的悬浮液液滴形成过程可以忽略黏度的变化。悬浮液液滴在静止气体环境中的形成是初次雾化中雷利破裂模式或二次雾化的最基本形式,也是气流式雾化的前提条件[24]。研究表面活性剂对悬浮液液滴形成的影响可以完善对初次雾化与二次雾化的认识,对控制雾化初始条件有着重要的意义[25]。在悬浮液中添加表面活性剂,主要改变了悬浮液的表面张力。在水煤浆雾化应用中,在相关条件一定的情况下,可以通过改变水煤浆中的表面活性剂质量分数的方法有效控制形成液滴的初始直径以及液滴形成时间,为二次雾化提供可控制的液滴初始条件;同时对控制水煤浆初次雾化中雷利破裂模式下的断裂长度也有十分重要的帮助。悬浮液中添加表面活性剂还可以改变悬浮液流变性,从而影响悬浮液液滴形成以及和外界的相互作用。在喷墨打印技术中,通常需要在悬浮液中加入表面活性剂,它可以有效降低墨水液滴的黏度,改善墨水液滴表面的物理性能,增强墨水与固体表面之间的亲和性与润湿性[26-27]。最后,在食品工业中,生物表面活性剂被广泛应用于液固悬浮液中,表面活性剂分子会吸附在大量分散的液固界面上,从而改变了界面性质[28]。海藻胶和海藻酸可以明显阻止悬浮颗粒发生凝聚,改善产品的紧密型,形成光滑均一的产品,可以明显减少煮沸时间[29]。

1 实验流程及设备

1.1 实验流程

本文实验流程如图1所示,实验装置主要由内径为5 mm的喷嘴、1 kW卤素光源、FASTCAM高速摄像仪以及光屏组成。实验流体经喷嘴以一定的流量流出,在喷嘴出口处形成初速度很小的稳定液滴,悬浮液液滴在自身重力作用下滴落,完成一个液滴形成的过程。整个液滴形成过程通过高速摄像机记录,将数据存储在计算机上,并通过ImageJ图像处理软件进行数据分析。

图1 实验流程图Fig.1 Schematic diagram of experimental arrangement

1.2 实验条件

本文实验在标准大气压与室温下进行,当环境气体速度为零时,研究表面活性剂对悬浮液液滴形成的影响。通过控制悬浮液流量使其在喷嘴出口处形成稳定的液滴,并在重力作用下下落。实验中使用Photron Fastcam SA2高速摄像机,配合使用Nikon AF MICRO NIKKOR 200 mm 1∶4D镜头。实验过程中高速摄像机的参数为:帧数为3 000帧,曝光时间为2×10-5s,图像分辨率为1 024×1 024。

实验所用悬浮液分别以空心玻璃微珠和超纯水作为分散相与分散介质,以表面活性剂作为悬浮液溶质。本文所用空心玻璃微珠密度(ρ)为588.8 kg/m3,微珠索特平均直径(d32)为35.8m。表面活性剂为十二烷基苯磺酸钠(SDBS,化学式为C18H29NaO3S,相对分子质量348.48,化学纯),在固定颗粒体积分数(φ=45%)下,分别配制不同质量分数的表面活性剂悬浮液液体。实验过程中,悬浮液静态表面张力通过上海方瑞仪器有限公司生产的QBZY系列界面张力进行测定,测定结果如图2所示,其中虚线部分表示表面活性剂质量分数为0时悬浮液的静态表面张力。

图2 静态表面张力随表面活性剂质量分数的变化Fig.2 Variation of static surface tension with the surfactant mass fractions

在悬浮液中加入表面活性剂后,当表面活性剂质量分数较小时,表面活性剂分子吸附在气液界面上,悬浮液表面张力降低。随着表面活性剂质量分数的增加,气液界面上的分子数量逐渐趋于饱和,分子开始转向悬浮液内部,并吸附在悬浮液内部颗粒表面上。因此,在悬浮液中表面活性剂质量分数高的情况下,不会在悬浮液内部形成分子胶束。

利用马尔文流变仪测得表面活性剂不同质量分数下悬浮液黏度(μ)随剪切速率(τ)的变化曲线,如图3所示。由图3可知,表面活性剂不同质量分数下的悬浮液黏度随剪切速率的变化趋势相同,表面活性剂对悬浮液流变性质影响不大。随着剪切速率的增大,黏度急剧降低,随后基本保持稳定。不添加表面活性剂的悬浮液黏度略大于其他实验组,主要是因为在悬浮液中加入表面活性剂后,活性剂分子吸附在颗粒表面,使颗粒表面带有相同性质的电荷。此外,颗粒表面吸附的表面活性剂分子能够有效降低界面自由能,从而使得液体中的颗粒更好地分散,悬浮液在不同剪切速率下的黏度略有降低。通过图3还可以看出,加入表面活性剂后,在相同剪切速率下,黏度变化量较小,因此可认为在悬浮液中加入表面活性剂主要是改变了悬浮液的表面张力,而黏度变化不受影响。

图3 不同质量分数下的表面活性剂悬浮液黏度曲线Fig.3 Variation of viscosity of suspension with different surfactant mass fractions

2 结果与讨论

2.1 表面活性剂对液滴喉部直径的影响

本文主要研究表面活性剂分子对悬浮液液滴形成的影响。液滴形成过程中主要受到自身重力、悬浮液表面张力以及黏度的影响。图4示出了不同质量分数下表面活性剂悬浮液液滴形成过程随时间的变化,其中tp表示液桥与下部液滴发生断裂的时刻,所加数字为增加的时间,单位ms。在液滴形成过程中,表面张力主要有两个作用:一是在从tp+36到tp+16液滴形成的初始阶段,表面张力对液滴形成起阻碍作用。当液滴自身重力大于悬浮液表面张力后,液滴开始继续下落,并逐渐形成液桥。二是在从tp+16到tp过程中,液桥在下部液滴重力作用下被拉伸,表面张力在液桥喉部处起收缩的作用,促进液桥与下端液滴的断裂,最终形成液滴。

图5所示为不同质量分数下的表面活性剂悬浮液喉部直径随时间变化的曲线。通过图5可以发现,在悬浮液液滴形成过程中,随着时间的推移,越靠近夹断时刻tp,喉部直径(Dm)越小。当溶液中加入表面活性剂后,溶液表面张力降低,表面张力对喉部直径变化影响减弱,直径的收缩速率减小。此外,重力大于表面张力后,液滴开始下落。当不添加表面活性剂时,液体表面张力较大,因此初始喉部直径大于其他实验组。而随着表面活性剂质量分数的增加,悬浮液表面张力降低,初始阶段的阻碍作用减小,因此液桥的初始喉部直径逐渐减小。

图4 不同质量分数下的表面活性剂悬浮液液滴形成的实验图像Fig.4 Experimental images of suspension drop formation at different surfactant mass fractions

图5 不同质量分数下的表面活性剂悬浮液喉部直径随时间变化曲线

2.2 表面活性剂对悬浮液液滴形态的影响

2.2.1 概念简述 通过实验研究发现,在悬浮液液滴形成过程中,表面活性剂对液桥断裂长度(Lp)、形成的液滴直径(D)、卫星液滴直径(Ds)有着显著影响。其中定义液桥断裂长度为液桥与下端的液滴发生分离时第1帧实验图片中液桥底端到喷嘴出口处的距离。在液丝与下端液滴发生断裂后,上部直径减小直至断裂,液桥在表面张力作用下,逐渐收缩为一个球体,测量此时形成的卫星液滴直径如图6所示。

2.2.2 液桥断裂长度 在液滴形成过程中,喉部直径随着时间的增加而逐渐减小,最终在表面张力作用下发生夹断。液桥在液滴的下落过程中逐渐被拉伸,形成细长的液桥。另一方面,液桥被拉伸过程中,液桥内部液体的悬浮液体积分数减小,也会影响悬浮液的局部表面张力,悬浮液液桥断裂长度随表面活性剂质量分数的变化如图7所示。

图6 液桥断裂长度、液滴直径和卫星液滴直径Fig.6 Breakup length of liquid bridge,the diameter of formed drop and satellite drop

图7 不同质量分数下的表面活性剂悬浮液液滴断裂长度变化Fig.7 Variation of breakup length with surfactant mass fractions

当悬浮液中不添加表面活性剂时,液桥断裂长度约为10.9 mm。在悬浮液中加入表面活性剂后,液桥断裂长度大幅减小。这可能是由于加入表面活性剂后,液滴的初始直径减小,因此形成的液桥较为细长,容易发生断裂。通过实验组之间的比较发现,随着表面活性剂质量分数的升高,液桥断裂长度增加。主要原因是悬浮液中表面张力降低,对细长液桥的夹断作用减小。

2.2.3 形成液滴尺寸 在液桥与下部连接的液滴发生断裂后,悬浮液液滴形成。在液滴下落过程中,主要受到下端液滴重力作用、悬浮液表面张力以及黏性力作用。悬浮液喉部直径处的表面张力、液体黏性力与重力方向相反,只有当下端液滴重力大于表面张力与液体黏性力之和,连接上部喷嘴处液体与下端液滴的液桥在液滴重力作用下被拉伸。我们认为在这一过程中,液滴质量始终保持不变。加入表面活性剂后,由于悬浮液表面张力减小,因此形成液滴过程中所需要平衡表面张力的液滴重力减小,形成的悬浮液液滴直径逐渐减小,如图8所示。

图8 不同质量分数下表面活性剂悬浮液形成液滴的直径变化 Fig.8 Variation of the diameter of formed drop with different surfactant mass fractions

2.2.4 卫星液滴尺寸 在液桥与下端液滴发生断裂后,悬浮液液滴形成。在液体表面张力作用下,液桥上端直径逐渐减小,并发生断裂。随着时间的延长,液桥在表面张力作用下,逐渐收缩为球形液滴。形成的卫星液滴主要由液桥部分的液体组成,因此卫星液滴体积小于形成的液滴体积。图9示出了不同质量分数下表面活性剂悬浮液液滴所形成的卫星液滴直径变化曲线。

图9 不同质量分数下表面活性剂悬浮液形成卫星液滴直径变化

根据图9可以发现,形成的卫星液滴直径与表面活性剂质量分数有关。悬浮液中添加表面活性剂后,悬浮液表面张力降低,形成的液桥体积减小,因此添加表面活性剂后,悬浮液形成卫星液滴直径小于不添加表面活性剂时的卫星液滴直径。而当表面活性剂质量分数增加后,卫星液滴直径变化趋于稳定。

2.3 液滴生长速率

液滴生长速率(u)是下端液滴在重力、表面张力以及黏性力作用下下落的速率。液滴生长速率可以通过计算在单位时间内液滴下端的位移(l)得到,即:

(1)

图10示出了不同质量分数下悬浮液液滴生长速率随时间的变化。通过图10可以发现,不同质量分数下液滴形成速率随时间的推移而增加,在夹断时刻液滴生长速率达到最大。不添加表面活性剂的悬浮液液滴生长速率始终大于其他各实验组。并通过实验组比较发现,同时刻下液滴生长速率随着表面活性剂质量分数的增加而增加。

在液滴下落过程中,液桥喉部直径逐渐减小,喉部直径处的表面张力逐渐减小,重力保持不变,因此液滴速率随着时间的推移而逐渐增加。

图10 不同质量分数下表面活性剂悬浮液液滴生长速率随时间变化

Fig.10Timeevolutionofdropgrowthvelocitywithdifferentsurfactantmassfractions

3 结 论

(1) 在悬浮液液滴形成过程中,表面活性剂对喉部直径变化有明显的影响。当悬浮液中不添加表面活性剂时,悬浮液表面张力较大,喉部直径变化速率大于添加表面活性剂的实验组。随着表面活性剂质量分数的增加,喉部直径变化速率逐渐减小。

(2) 表面活性剂对液滴的形态有着显著的影响。当悬浮液中添加表面活性剂后,液桥断裂长度迅速减小。随着表面活性剂质量分数的增加,断裂长度逐渐增加。由于平衡重力所需的液滴表面张力降低,形成的液滴直径逐渐减小。卫星液滴直径随着表面活性剂质量分数的升高,出现先减小后增加的趋势。

(3) 液滴生长速率随着时间的推移逐渐增加。在相同时刻下,不添加表面活性剂的悬浮液液滴生长速率最大。而当悬浮液中添加表面活性剂后,随着表面活性剂质量分数的升高,悬浮液液滴生长速率逐渐增大,但始终小于不添加表面活性剂的悬浮液液滴生长速率。

符号说明：

D——形成液滴直径,mm

Dm——悬浮液液滴喉部直径,mm

Ds——卫星液滴直径,mm

d32——索特平均直径,μm

Lp——液桥断裂长度,mm

tp——液桥发生断裂时刻,ms

u——悬浮液液滴生长速率,m/s

w——表面活性剂质量分数,%

ρ——空心玻璃微珠密度,kg/m3

φ——颗粒体积分数,%

σ——悬浮液静态表面张力,N/m

μ——悬浮液黏度,Pa·s

τ——剪切速率,s-1

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Influence of Surfactant on Suspension Drop Formation

ZHANG Wen-bin, ZHAO Hui, XU Jian-liang, LI Wei-feng, LIU Hai-feng

(Key Laboratory of Coal Gasification and Energy Chemical Engineering of Ministry of Education,Shanghai Engineering Research Center of Coal Gasification,East China University of Science and Technology,Shanghai 200237,China)

The influence of surfactant on suspension drop formation,which consists of the hollow glass-bead and ultrapure water,was studied experimentally with the high-speed camera.The results indicated that the thinning dynamics of neck diameter reduced with the increase of the surfactant concentration.The breakup length of filament and the diameter of satellite drop decreased first,and then increased when the surfactant mass fraction increased.However,the diameter of the formed drop reduced with the increase of the surfactant mass fraction.Finally,the drop growth velocity increased with time at the same surfactant mass fraction.The drop growth velocity increased when the surfactant mass fraction increased,while always smaller than that of the control group.

suspension; surfactant; drop; morphology; drop growth velocity

1006-3080(2017)03-0304-07

10.14135/j.cnki.1006-3080.2017.03.002

2016-11-16

国家自然科学基金(21506059);中央高校基础研究基金(WB1617004);上海自然科学基金(15ZR1409500)

章文斌(1991-)，男，浙江嘉兴人，硕士生，主要从事多相流气液雾化的研究。E-mail: Y30140537@mail.ecust.edu.cn

刘海峰，E-mail:hfliu@ecust.edu.cn

TQ423.1

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