添加表面活性劑對(duì)微泡洗凈的影響

陳長興

江蘇斯?fàn)柊钍邢薰?江蘇連云港 222042

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 試劑

本研究使用的表面活性劑有3種：陰離子表面活性劑十二烷基硫酸鈉（SDS，和光純藥生物化學(xué)）、陽離子表面活性劑十六烷基三甲基溴化銨（CTAB，Nacalai特級(jí)試劑）、非離子表面活性劑聚氧乙烯（十二）月桂醇醚（AE，L-12P，日本東邦化學(xué)工業(yè)）3種表面活性劑。表面活性劑溶液調(diào)制使用的溶劑全部是自來水（硬度約35mg/kg，由碳酸鈣換算而來）。模型污垢是牛脂（日本純正化學(xué)公司），其他試劑使用和光純藥的特級(jí)試劑。

1.2 實(shí)驗(yàn)裝置

微泡發(fā)生裝置上安裝了可調(diào)式流量計(jì)，微泡吹出口裝有亞克力制的測(cè)定槽。液相為自來水或表面活性劑溶液，氣相為大氣。

1.3 氣泡直徑的測(cè)定

微泡發(fā)生裝置工作5min，徹底排除管道中的空氣后，用數(shù)碼顯微鏡VHX-100（Keyence公司）對(duì)通過測(cè)定槽的微泡動(dòng)畫進(jìn)行攝影。該動(dòng)畫用視頻捕捉器VGA2USBPro（Epiphan公司）將動(dòng)畫文件（分辨率1600×1200）導(dǎo)入，測(cè)定焦點(diǎn)重合的氣泡直徑。重復(fù)同樣的操作，直至測(cè)定的氣泡數(shù)合計(jì)達(dá)到300個(gè)。

1.4 氣泡消失時(shí)間的測(cè)定

用燒杯采集剛從微泡發(fā)生裝置出來的微泡水，目視觀察微泡消失的時(shí)間。表面活性劑的添加濃度設(shè)定為10mg/L。

1.5 靜態(tài)表面張力的測(cè)定

在20℃下，用表面張力自動(dòng)測(cè)定儀EZ-Pi（Kibbron公司）測(cè)定表面活性劑溶液的靜態(tài)表面張力。

1.6 微泡洗凈試驗(yàn)

以2-丙醇作為溶劑，在玻璃管（長6.0cm，外徑0.7mm，內(nèi)徑0.5mm）中滴下濃度為0.1%（w/v）的牛脂溶液200mL。然后，在室溫下干燥一晚上，待2-丙醇完全揮發(fā)掉后，用于下一步的洗凈試驗(yàn)。

在管道的一端連接玻璃管進(jìn)行洗凈試驗(yàn)。洗凈溶液是自來水和各種設(shè)定濃度的表面活性劑溶液?？紤]到洗凈溶液會(huì)再次附著到玻璃管壁，因而不能循環(huán)使用玻璃管。洗凈條件為水溫（20±1.5）℃，洗凈時(shí)間3min，流量3.5L/min。為了檢測(cè)微泡的洗凈效果，在沒有產(chǎn)生微泡的條件下也做了同樣的洗凈試驗(yàn)。洗凈后的玻璃管，用流動(dòng)的自來水沖洗管內(nèi)10s，放在室溫下干燥[1]。

2 結(jié)果與討論

2.1 表面活性劑對(duì)氣泡行為的影響

（1）表面活性劑對(duì)氣泡直徑的影響。另外，添加各種表面活性劑時(shí)的平均氣泡直徑與靜態(tài)表面張力。由靜態(tài)表面張力求得 SDS的 cmc約 為 1000mg/L，CTAB的 cmc約 為 260mg/L，AE的cmc約為60mg/L。另外，隨著表面活性劑濃度的增加，靜態(tài)表面張力降低，平均氣泡直徑變小。這表明，表面張力降低，進(jìn)入溶液中的空氣更容易以氣泡形式存在。當(dāng)cmc分別為SDS：50mg/L、CTAB：50mg/L、AE：10mg/L時(shí)，氣泡直徑基本為一定值。因此，本研究認(rèn)為濃度高于cmc時(shí)，無法預(yù)測(cè)微泡的洗凈效果是否有所提高。另外，AE與其他表面活性劑相比，低濃度下的平均氣泡直徑大幅減小，這可能是由于AE的表面活性作用最強(qiáng)。

（2）表面活性劑對(duì)氣泡穩(wěn)定性的影響。表1是添加各種表面活性劑時(shí)的氣泡消失時(shí)間。所有表面活性劑中氣泡消失時(shí)間均為自來水中的2倍。此外，并未發(fā)現(xiàn)因表面活性劑種類不同，氣泡消失時(shí)間出現(xiàn)大的差異。以上結(jié)果表明，添加表面活性劑不僅能減小氣泡直徑，還能提高溶液中氣泡的穩(wěn)定性。

2.2 表面活性劑對(duì)微泡洗凈性的影響

（1）陰離子表面活性劑（SDS）的影響。用微泡洗凈的過程中，隨SDS濃度升高，牛脂的去除率增加，平均氣泡直徑最小的SDS濃度50mg/L條件下的去除率提高15.4%，為微泡單體去除率的1.3倍。因此，添加SDS后微泡泡徑變小，增大了氣液界面面積，提高了牛脂的去除率[2]。

另一方面，比較微泡平均氣泡直徑基本相同的SDS濃度50、100、250mg/L，SDS濃度為250mg/L時(shí)的牛脂去除率大幅提高。這很可能是由于在該濃度條件下，SDS在微泡表面的吸附呈飽和狀態(tài)，牛脂及玻璃管上的SDS吸附量增加使牛脂的附著力降低，在液流等機(jī)械力的作用下，牛脂變得容易被去除。為此，在SDS濃度250mg/L的條件下，牛脂去除與微泡的疏水性吸附無關(guān)，因此，很難說微泡對(duì)牛脂具有洗凈效果。

（2）非離子表面活性劑（AE）的影響。微泡洗凈中，AE與SDS一樣，隨濃度增高牛脂的去除率增加。平均氣泡直徑降至最小的AE濃度為50mg/L，在該條件下牛脂的去除率為22.4%，是微泡單體去除率的1.9倍。

比較AE濃度從10mg/L增加至50mg/L的牛脂去除率發(fā)現(xiàn)，不用微泡洗凈的牛脂去除率為一定值，而用微泡洗凈的牛脂去除率增加。當(dāng)AE濃度從10mg/L增加至50mg/L，靜態(tài)表面張力隨之減小，表面活性劑濃度增加產(chǎn)生的表面活性作用基本不會(huì)對(duì)牛脂的洗凈性產(chǎn)生影響。因此，可以確認(rèn)微泡直徑減小有利于提高洗凈性。

不過，本研究比較了AE濃度10mg/L與50mg/L的微泡洗凈去除率，認(rèn)為由AE濃度增加引起的牛脂去除率比例很小，在AE濃度為10mg/L時(shí)，即可有效提高微泡的牛脂去除率。另外，所有AE濃度條件下的微泡洗凈均能提高牛脂的去除率。

3 結(jié)語

微泡洗凈過程中，在cmc以下的低濃度表面活性劑溶液中能提高洗凈性。推測(cè)這可能是添加表面活性劑后，氣泡直徑變小所致。高濃度表面活性劑溶液和陽離子表面活性劑劑溶液會(huì)降低微泡的洗凈效果。因此，為了有效利用微泡洗凈，應(yīng)使用濃度為cmc1/20-1/6的陰離子或非離子表面活性劑。