2結果與分析

2.1剪切速率對穩定性的影響

在RW20型數字攪拌器的實驗條件下,不同攪拌轉速對應的剪切速率可通過經驗公式(見式(1))進行估算,結果如表2所示。

γ=KN

式中:γ為剪切速率,s-1;K為經驗系數,取12;N為攪拌轉速,r/min。

圖3為不同含水率和攪拌轉速下乳狀液的粒徑頻率分布對比。由圖3可知,乳狀液在不同條件下的粒徑頻率呈單峰分布,且以小粒徑液滴為主,存在明顯的主峰區。這一結果表明,在所研究的攪拌轉速和含水率下，乳狀液中絕大部分液滴集中在小粒徑范圍;乳狀液的粒徑處于微米級別，呈現明顯的近似對數正態分布。

由圖3還可知，在相同的含水率下，隨著攪拌轉速的增大，乳狀液的粒徑分布發生變化，主峰對應的粒徑范圍向上移動，攪拌轉速越大，小粒徑液滴峰值占比越大;在低攪拌轉速(400~500r/min)下，小粒徑液滴占比相對較低，說明此時剪切速率不足，液滴破碎受限，易發生聚并和沉降，導致乳狀液穩定性較差;在中等攪拌轉速(600~800r/min)下，剪切力增強，促使液滴進一步細化且分布均勻，油相中殘留的乳化劑充分吸附于油水界面，形成更穩定的界面膜，從而顯著提升乳狀液的穩定性。

綜上所述,在中等攪拌轉速的剪切作用下,乳狀液在粒徑細化與穩定性方面能達到較好的平衡,表現出優異的綜合性能;剪切速率對油水分層速率的影響主要通過調控液滴破碎程度、界面膜穩定性及聚并行為實現,二者呈非線性關系。

2.2含水率對穩定性的影響

在相同的攪拌轉速下,隨著含水率的增加,原油乳狀液的粒徑分布曲線整體上移,小粒徑占比增加且均一性增強,粒徑分布曲線變得陡峭(見圖3)。這是因為:含水率升高導致油水界面接觸面積增大,液滴間的平均距離減小,碰撞頻率增加;在天然表面活性劑及油中殘留乳化劑的穩定作用下,液滴更傾向于破碎,而不是聚并,從而導致小粒徑液滴增多;含水率增加后,乳狀液整體黏度降低,液滴容易受到剪切作用而進一步破碎,生成更小的液滴。綜上可知,在相同的攪拌轉速下,含水率對乳狀液粒徑分布的影響呈非線性趨勢。

在低含水率(10%～30%)時,乳狀液粒徑較大,液滴間碰撞頻率較低,其沉降主要受Stokes定律主導。該規律適用于低含水率、稀分散體系。低含水率乳狀液的析水速率按式(2)計算。

Vsep=2/9·(ρw-ρo)gd2/μo

式中:Vsep為析水速率,m/s;ρw、ρo分別為水、油的密度,kg/m3;g為重力加速度,m/s2;d為Sauter平均粒徑,m;μo為油相的動力黏度,Pa·s。

為保證測量結果的準確性,在相同溫度和攪拌轉速下測定不少于500個液滴的粒徑。基于測試數據,通過式(3)計算Sauter平均粒徑,然后將其代入Stokes公式計算水相沉降速率。

d32=Σnidi3/Σnidi2

式中:d32為Sauter平均粒徑,μm;ni為各粒徑液滴的數量;di為各液滴粒徑,μm。

在低攪拌轉速下,分析了低含水率乳狀液析水速率的變化規律,結果如表3所示。由表3可知,在低攪拌轉速下,攪拌轉速越小,乳狀液表現出較強的析水能力。

觀察了低攪拌轉速下不同含水率的乳狀液在靜置0~0.5h期間的積液情況(見圖4)。圖5為不同含水率乳狀液在不同攪拌轉速下的累積析液量對比圖。

結合表3、圖4、圖5可知，累積析液量在1.0h內達到峰值;含水率為10%的乳狀液在整個實驗過程中累積析液量較低，表現出高的穩定性，說明低含水率有助于維持乳化結構的穩定性，延緩分散相水滴的聚并與沉降;含水率為20%的乳狀液累積析液量介于含水率為10%與30%的乳狀液之間,說明隨著含水率的增加,乳狀液趨于不穩定,但該趨勢并未呈線性關系;在實驗進行至1.5h后,不同含水率的乳狀液的析水速率均趨于零,趨近析水平衡狀態。這一現象進一步表明,高含水率的乳狀液雖在早期階段(0~1.0h)表現出較快的析水速率,但其最終累積析液量受限于乳化界面膜的穩定性,無法持續增加。綜上可知,低攪拌轉速(400、500r/min)、低含水率(10%、20%、30%)乳狀液的穩定性隨含水率的增加而降低。

表4為低含水率乳狀液在高攪拌轉速下的析水速率。由表4可知,在高攪拌轉速下,隨著乳狀液含水率的增加,析水速率逐漸降低;在相同含水率下,較高攪拌轉速對應的析水速率低于較低攪拌轉速下的析水速率。綜上可知,含水率與攪拌轉速對油包水乳狀液的水相分離行為具有顯著影響;在高攪拌轉速下低含水率乳狀液的穩定性隨含水率的增加而增加。

當含水率(40%、50%)較高時,液滴間的相互作用顯著增強,其沉降行為偏離傳統Stokes定律,需借助經驗模型進行描述。高含水率乳狀液的析水速率采用式(4)計算。

Vsep=Vo·(1-e^(-kW)),W<Wc

式中:Vo為最大油水分層速率,m/s,其大小取決于乳化體系;k為經驗常數,與乳化劑濃度、液滴尺寸、剪切率有關;W為含水率,%;Wc為臨界含水率,%。

表5為高含水率乳狀液在不同攪拌轉速下的析水速率。由表5可知,當攪拌轉速為400~800r/min時,在同一轉速條件下,隨著乳狀液含水率由40%增加至50%,乳狀液的析水速率呈下降趨勢。這是由于高含水率狀態下乳狀液中的水相已形成連續相,水滴的沉降行為受到顯著限制,進而導致析水效率降低(見圖6)。

2.3 CO2過飽和對穩定性的影響

CO2的加入對W/O型乳狀液的穩定性具有雙重作用，其效果取決于含水率和剪切條件。基于實驗觀測結果并結合已有研究成果，可進一步說明CO2對乳狀液穩定性的影響機理。

首先,溶解適量的CO2可顯著降低油水界面張力,使液滴更容易破碎為細小且均勻的分散相顆粒(見圖7)。這一現象使乳狀液的粒徑分布更加集中，小粒徑液滴占比增加,從而增強乳狀液的穩定性。相關研究表明，超臨界CO2處理還可提高乳狀液的儲能模量、屈服應力和黏度，從而提高其抗聚并能力。在本研究中,經CO2處理后的乳狀液液滴形態更趨規則,乳狀液穩定性增強。

其次,CO2的作用效果與乳狀液的含水率密切相關。在中低含水率下,CO2通過降低界面張力、促進液滴細化,提高乳狀液的穩定性。然而,在高含水率下,乳狀液液滴間的相互作用增強,若CO2溢散過量,會破壞油水界面的穩定性,誘發液滴聚并與相分離。因此,CO2對乳狀液的穩定性具有"促進-抑制并存"的特征。

再次,CO2與剪切條件存在耦合效應。在中等攪拌轉速下(600~700r/min),CO2對乳狀液穩定性的調控作用最為突出:在該攪拌轉速下,可實現液滴的充分破碎,避免界面膜結構過度破壞,同時結合CO2降低界面張力的作用,最終使乳狀液達到最佳穩定狀態;當攪拌轉速較小時,液滴粒徑過大且聚并頻繁,CO2難以充分作用于液滴界面;當攪拌轉速較大時,雖然能提升液滴的細化程度,但界面膜容易受損,此時過量的CO2反而會加劇液滴聚并,導致乳狀液穩定性下降。

綜上,CO2過飽和處理可通過降低界面張力、促進液滴細化及增強界面膜穩定性,在中高攪拌轉速和中高含水率下顯著提高乳狀液的穩定性。但是,在極端條件下(高含水率+高CO2分壓或低攪拌轉速),CO2的引入可能誘發界面層失穩,導致乳狀液的穩定性下降。因此,合理調控CO2飽和濃度和工藝條件,是確保其充分發揮乳狀液穩定作用的關鍵。