油-水混合時兩相界面積的測定方法

2023-06-21 18:20:36

專利名稱：油-水混合時兩相界面積的測定方法
技術領域：
本發明屬於二元化合物的萃取動力學技術領域，具體涉及油-水混合時兩相 界面積的測定方法。
背景技術：
測定兩相界面積是應用高速攪拌法研究萃取動力學的一個關鍵，只有獲得此 參數後才能進一步判斷擴散傳質的影響何時被消除，並進一步測得反應速率常數 和各反應物的反應級數。表面活性劑指具有固定的親水和親油基團，在溶液 的表面能定向排列，並能使表面張力顯著下降的物質，大多數萃取劑或反萃 劑都是表面活性劑，具有表面活性，從而在界面上產生吸附。由Gibbs等溫吸附 方程可知，改變表面活性劑的濃度，測量不同濃度下兩相間的界面張力，可以求
得含表面活性劑溶液的界面超量。Gibbs等溫吸附方程為formula see original document page 3式中，C。為表面活性劑的濃度，mol/m3; r為界面超量，mol/m2; y為界面 張力，N/m; R為氣體常數，8. 314J mo1—1 K; T為溫度，K。
當表面活性劑的濃度一定時，在一定的轉速下攪拌兩相體系，使兩相界面積 大大增加，表面活性劑在界面上的吸附將使得本體有機相內的濃度有所下降。由 物料衡算得到兩相界面積St的計算式
formula see original document page 3
式中，C。、 C'分別為攪拌前後本體有機相中表面活性劑的的濃度，mol/m3; V。為有機相體積，m3。
1985年，Aprahamian建立了測定液液分散體系兩相界面積的界面吸附法， Watarai應用界面吸附法成功的測定了高速攪拌池中的兩相界面積。但是現有的界面吸附法具有很大的局限性，它要求兩相界面積在高速攪拌時大大增加，在攪 拌前後本體有機相中表面活性劑濃度的變化量能夠被測得，而此變化量通常是微
量，因此要求體系中表面活性劑的濃度也是微量級。在後處理實際體系中，萃取 劑的量大都不是微量級的，所以界面吸附法在後處理萃取體系中的應用受到限 制。
另外，照相法也常用於測定油-水混合兩相間的界面積，但是此方法所測得 的結果只是靠近壁面出的狀況，它以此處的結果代表整個分散體系的結果，其間 的誤差無法估計。應用光散射法測定油-水混合兩相間的界面積也有報導，但是 此方法需要其它方法進行標定，而且體系中引入探頭使測量區域的流動條件發生 改變，在高速攪拌時對攪拌狀況的影響更嚴重。

發明內容
(一) 發明目的
針對現有的界面吸附法測定兩相界面積的局限性，本發明旨在提供一種能廣 泛應用於化學、化工實際體系中的油-水混合時兩相界面積的測定方法。
(二) 技術方案
為實現上述目的，本發明提供如下技術方案。
一種油-水混合時兩相界面積的測定方法，包括如下操作步驟
1) 測出真實體系中的兩相間的界面張力。
2) 配製含不同濃度的表面活性劑有機相溶液，測量各有機相溶液與真實體 系中水相相同的水相間界面張力。做界面張力隨表面活性劑濃度變化圖，找出低 濃度時並且變化率最大時所對應的表面活性劑濃度值。以此濃度作為模擬體系中 的表面活性劑的濃度。
3) 使用陰離子型表面活性劑調節模擬體系兩相間的界面張力，使模擬體系 的界面張力與真實體系的界面張力相等。
4) 取不同轉速下模擬體系中的本體有機相樣品，測得有機相樣品的濃度。
5) 根據初始有機相中表面活性劑的濃度值，用公式(1)、 (2)求得模擬體 系在不同轉速下的兩相界面積值。此值近似等於真實體系在相同攪拌狀況下的兩 相界面積值。所述的表面活性劑是萃取劑或反萃劑。
所述的陰離子型表面活性劑為羧酸鹽、硫酸酯鹽、磺酸鹽或磷酸酯鹽等。 例如，羧酸鹽可以是乙酸鈉、丙酸鈉等；硫酸(酯)鹽可以是十二垸基硫酸 鈉、十六垸基硫酸鈉；磺酸鹽可以是十二垸基苯磺酸鈉、琥珀酸酯磺酸鈉，磷 酸酯鹽可以是十二垸基磷酸酯鉀鈉、七烷基磷酸酯二乙醇胺鈉。 (三)發明效果
影響油-水混合體系中混合狀況的因素有轉速、攪拌槳大小和形狀、相比、
分散相的粘度和兩相界面張力等，其中，界面張力對其影響較大。而分散相的粘
度較低時，體系中液滴的直徑大小几乎不受其影響，其影響可以忽略不計。油-
水兩相混合時，或有機相或水相為分散相，並且實際情況中有機相中的溶劑和萃
取劑大都屬於低粘度物質，萃取劑濃度變化對有機相粘度的影響極小，所以對油
-水兩相攪拌狀況的影響可以忽略不計。據此，本發明建立了一個在相同的攪拌 條件下與真實體系的攪拌狀況近似相同的模擬體系，用模擬體系間接測出了真實
體系中兩相界面積值，從而大大拓寬了界面吸附法的應用條件和範圍。


圖l界面張力隨TBP有機相濃度變化圖2不同轉速下的有機相樣品萃Pu後的a計數(取30uL有機相制樣)； 圖3兩相界面積隨攪拌轉速變化圖。
具體實施例方式
下面結合附圖對本發明的技術方案作進一步闡述。
在t^2rC下，測定了30。/。TBP-煤油與l. Omol/L HN(V溶液體系在高速攪拌時不 同轉速下的兩相間的界面積值。其中水相體積為15.0mL，有機相體積為30.0mL， 反應容器體積為3. OcmX 3. 0cmX6. Ocm，攪拌漿處於水相中。此攪拌體系中 3(F。TBP-煤油為分散相，並且屬於低粘度物質。
其操作過程如下。
1) 測得真實體系(30。/。TBP-煤油+l mol/L HN03)中的界面張力為9. 2mN/m。
2) 配製含不同濃度TBP的TBP-煤油溶液，並測量不同濃度的TBP-煤油溶液與1.0mol/L HN03水溶液的界面張力。作界面張力隨TBP有機相濃度變化圖。 如圖1所示。由圖可得當TBP的濃度為O. 15 mol/W時，界面張力隨TBP濃度變 化的斜率較大，並且此時TBP的濃度較小，界面積變化時TBP濃度的變化率較大。 選用O. 15mol/V的TBP-煤油作為模擬體系的有機相，水相保持不變，為L0mol/L HN03。並測得0. 15 mol/n^的TBP-煤油與1. 0raol/L剛03水溶液的界面張力為44. 4 mN/m。用酸鹼滴定法測得O. 15 mol/m3的TBP-煤油與1. 0mol/L昍03水溶液充分 混合後，有16. 8%的TBP與朋03絡合為TBP 昍03並進入到有機相中。
3) 向模擬體系(30.0mL的0.15 mol/m3的TBP-煤油+15. 0mL的1.0mol/L HN03)的水相中逐漸加入陰離子表面活性劑十二垸基硫酸鈉，當其濃度為0.0014 mol/L時，體系中的界面張力降為9.2 mN/m。該模擬體系與真實體系的界面張力 已達到相同。
陰離子型表面活性劑十二烷基硫酸鈉屬於強表面活性劑，所需量極少，幾乎 對水相的粘度無影響；並且它只存在於水相中，與有機相中的萃取劑也不作用。
4) 固定攪拌漿的位置和高度，在一定的轉速下穩定5分鐘後。將取樣槍頭的 埠內部填充少量聚丙烯纖維作為有機相分相物質，高度大約8mm，用取樣槍吸 取500uL上層本體有機相，轉移到乾淨的試管中並封好。改變轉速從0到 4500r/min，分別取樣，並且每次取完樣後及時補充500uL的原始有機相。
5) 分別向所取的樣品中加入200uLPu的硝酸溶液，其中Pu的濃度遠遠大於 0.15mol/m3，以保證TBP萃取Pu達到飽和。充分振蕩萃取10分鐘後離心分相，取 30uL上層溶液用有機相小盤制樣，每個樣品平行制3個，烤乾並測其a計數。由此 可得到不同轉速下對應的a計數，如圖2。當轉速為0時，即有機相中自由TBP的 濃度為0.1511101/111、83.2%=0.125 mol/m3，以此時萃取Pu後所制的樣品的a計數為 基準，可以算得不同a計數所對應的自由TBP的濃度，利用公式(2)算出模擬體 系在不同轉速下的兩相界面積值，其結果如圖3。從而間接測出了真實體系在不 同轉速下的兩相界面積值。
顯然本領域的技術人員可以對本發明進行各種修改和變型而不脫離本發明 的精神和範圍。這樣，假若本發明的這些修改和變型屬於本發明權利要求其等同 技術的範圍內，則本發明也意圖包含這些修改和變型。
權利要求
1.一種油-水混合時兩相界面積的測定方法，其特徵在於，它包括如下操作步驟1)測出真實體系中的兩相間的界面張力；2)配製含不同濃度的表面活性劑有機相溶液，測量各有機相溶液與真實體系中水相相同的水相間界面張力。做界面張力隨表面活性劑濃度變化圖，找出低濃度時並且變化率最大時所對應的表面活性劑濃度值。以此濃度作為模擬體系中的表面活性劑的濃度；3)使用陰離子型表面活性劑調節模擬體系兩相間的界面張力，使模擬體系的界面張力與真實體系的界面張力相等；4)取不同轉速下模擬體系中的本體有機相樣品，測得有機相樣品的濃度；5)根據初始有機相中表面活性劑的濃度值，用公式(1)、(2)求得模擬體系在不同轉速下的兩相界面積值。此值近似等於真實體系在相同攪拌狀況下的兩相界面積值。<![CDATA[ = -1 RT ( Ln C 0 ) T--- ( 1 ) ]]>式中，C0為表面活性劑的濃度，mol/m3；Γ為界面超量，mol/m2；γ為界面張力，N/m；R為氣體常數，8.314J·mol-1·K；T為溫度，K。<![CDATA[ S i= ( C0 - C ) V 0 --- ( 2 ) ]]>式中，C0、C』分別為攪拌前後本體有機相中表面活性劑的的濃度，mol/m3；V0為有機相體積，m3。
2. 根據權利要求1所述的油-水混合時兩相界面積的測定方法，其特徵在於 所述的表面活性劑是萃取劑或反萃劑。
3. 根據權利要求1所述的油-水混合時兩相界面積的測定方法，其特徵在於 所述的陰離子型表面活性劑為羧酸鹽、硫酸酯鹽、磺酸鹽或磷酸酯鹽等。
4. 根據權利要求3所述的油-水混合時兩相界面積的測定方法，其特徵在於 所述的陰離子型表面活性劑為十二烷基硫酸鈉。
全文摘要
本發明公開了一種油-水混合時兩相界面積的測定方法。它建立了一個在相同的攪拌條件下與真實體系的攪拌狀況近似相同的模擬體系，用模擬體系間接測出了真實體系中兩相界面積值，從而大大拓寬了界面吸附法的應用條件和範圍。
文檔編號G01N13/02GK101561384SQ20091014219
公開日2009年10月21日 申請日期2009年6月5日 優先權日2009年6月5日
發明者卞曉豔, 周燚平, 臣 左, 宇 張, 張柏青, 張瑾珠, 晏太紅, 李傳博, 鄭衛芳 申請人:中國原子能科學研究院