化學破乳的影響因素與高分子聚合物破乳研究

1乳化液的特性
乳化液是由乳化油加水稀釋而成,廣泛應用于機械加工行業,具有冷卻、潤滑及清洗作用。在金屬加工、壓延及液壓系統中通常采用水包油型(O/W型)乳化液,大多選用陰離子型乳化劑配制。乳化油的成分主要有各種基礎油、乳化劑、乳化穩定劑、添加劑、防銹油、消泡劑等。由于乳化液中含有大量潤滑油、表面活性劑和脂肪酸鈉鹽等,在循環使用中受摩擦熱、金屬粉塵及周圍環境介質(氧氣、二氧化碳、微生物等)的影響,逐漸腐敗變質失去作用。變質后的乳化液污染物濃度一般都很高。有關測定資料表明,乳化液廢水的含油量可達20000～30000mg/L,CODCr往往高達3000～4000mg/L,BOD也可高達9000mg/L。因此,乳化液廢水若直接向大江大河排放,會導致水體嚴重污染。
   由于乳化劑分子在油-水界面上定向吸附并形成堅固的界面膜,同時增大了擴散雙電層的有效厚度,并且使得雙電層的電位分布寬度和陡度增大,使油高度均勻地分散在水中,從而使乳化液具有相當的穩定性。因此要使乳化液失去穩定性,就必須設法消除或減弱乳化劑保護乳化液穩定的能力,即破壞油-水界面上的吸附膜,減少分散粒子所帶的同種電荷量。實現油水分離、達到破乳的目的。由此可見,破乳是處理乳化液廢水的關鍵之所在。
2實驗與結果分析
2.1　實驗的基本情況
  化學破乳所用破乳劑的類型很多,本實驗用鹽類電解質和無機高分子聚合物作破乳劑,為了便于比較,鹽類電解質全部選用金屬氯化物,主要有NaCl、CaCl2、AlCl3、FeCl3,無機高分子聚合物破乳劑有聚合硫酸鋁和聚合硫酸鐵。
   實驗所用乳化油的成分為:12%石油磺酸鈉,2%OP-10,30%油酸三乙醇胺,5%石油磺酸鋇,78%15號機械油。
2.2　乳化液濃度對投藥量的影響
   在用乳化油加水沖調成乳化液時其濃度一般來說都是比較小的,但實際使用過程中的乳化液其濃度都具有一定的隨機性,本實驗選用濃度分別為2%、4%、8%和10%的乳化液為樣液,以NaCl、CaCl2、FeCl3和聚合硫酸鋁為破乳劑,分別測定其臨界破乳所需破乳劑量的多少，隨著乳化液濃度的增大,破乳劑的用量并未成比例地增加,僅僅是略有增加,可認為乳化液濃度對投藥量的影響不大,一般可忽略不計。
2.3　乳化液的pH值對破乳劑用量的影響
   乳化液一般呈弱堿性,以濃度為4%的乳化液為試樣,用2mol/L的H2SO4調節其pH值,用NaCl、CaCl2、AlCl3、FeCl3和聚合硫酸鋁作破乳劑,分別測定它們在不同的pH值條件下臨界破乳所需用量，對于強酸強堿鹽來說,由于它們在溶液中不發生水解,隨著pH值的減小,H+濃度增加,即H+所起的破乳作用增加,所以破乳劑的用量也逐漸減少,直至調節pH值到3左右,乳化液在H+的作用下直接破乳,因此此時所需破乳劑的用量為零。但對于FeCl3和聚合硫酸鋁等破乳劑在溶液中易水解生成氫氧化物聚合體或絡合離子,起到絮凝破乳的作用,當pH值過低時,則會抑制這類物質的水解,使聚合硫酸鋁等物質的絮凝破乳作用減小,但同時因H+濃度增加,即H+所起的破乳作用增大,所以這類破乳劑隨pH值降低的變化并不明顯,有時為了使水解反應充分進行,需要加入適量堿性調節劑,使在一定的pH值下生成更多的帶正電荷的金屬氫氧化物膠體,以提高這類破乳劑的破乳效率。
2.4　高分子聚合物破乳
高分子聚合物包括各種水溶性的無機高分子聚合物和有機高分子聚合物。用高分子聚合物處理含油污水,可使存在于水中的微細細珠粗大化,以提高分離效率,具有基建投資低、適應性強、操作管理簡單等優點。無機高分子聚合物按金屬鹽類組成可分為鋁鹽系、鐵鹽系;按陰離子成分又可分為鹽酸系和硫酸系。主要品種按開發的時間順序依次為聚合硫酸鋁(PAS)、聚合氯化鋁(PAC)、聚合硫酸鐵(PFS),以及1989年1月由漢迪化學品公司先研制成功的堿式硅酸硫酸鋁(PASS)。今選用價格低廉、自制方便的PAS和PFS作破乳試驗,所用乳化液的濃度為4%、pH值為8.5。用PAS破乳后水呈酸性,需用石灰乳等堿性物質中和后方能達到pH值的排放要求,而石灰乳具有一定的助凝效果,是一種價廉物美的酸性調節劑。與PAS相比,用PFS作破乳劑具有投藥量少、破乳后水質好等優點。
關于高分子聚合物的破乳作用,我們認為可由兩種原因來解釋。其一是由于液珠之間的橋連作用,高分子非離子型聚合物以及帶相同電荷的凝聚劑通過橋連作用引起絮凝破乳;而另一則認為是液珠表面電荷中和所致,加入帶有和液珠表面相反電荷的凝聚劑可因電荷中和而引起絮凝破乳。其實在實際破乳過程中并非只有其中的一種理論起作用,而是兩者兼而有之,只是對破乳所作貢獻的多少而已。
   一般,當pH值大于4時,羥基離子增多,并在各離子羥基之間產生架橋結合。進一步水解則生成難溶的氫氧化物膠體,這些膠體一般都是比較長的線性分子,這些伸展了的線性分子在水中能借助于范德華力,在配位鍵等物理化學作用下產生吸附現象,當凝聚劑聚合物的電荷同乳化液中油滴所帶的電荷符號相反時,靜電引力就成為互相作用的基礎,這些伸展的分子很容易為幾個甚至很多個油珠所吸附,產生凝聚作用,同時,高價正離子也能同時壓縮擴散雙電層,降低動電位,促使油珠相互靠近而產生凝聚,并成為礬花集合成團使乳化液破乳。
   對于80年代初投入使用的PFS,有必要分析一下其特點。PFS是一種無毒無害、化學性質穩定、久存不變質、易溶于水的堿式硫酸鐵聚合物,其分子中具有多核絡合離子結構。PFS中的Fe在水溶液中極易水解,能產生大量疏水性的氫氧化物聚合體, 如:[Fe(H2O)6]3+、[Fe2(OH)3]3+、[Fe8(OH)20]4+等絡合離子,以OH-作為架橋形成多核絡離子,從而變成了巨大的無機高分子化合物。PFS之所以比其他無機絮凝劑絮凝能力高、破乳效果好,根本原因就在于PFS能提供大量如上所述的絡合離子,能夠強烈吸附乳化液中的油珠,通過粘附、架橋、交聯作用,促使油珠凝聚。同時還發生物理化學變化,中和油珠表面電荷,降低其動電位,使油珠相互吸引聚集。因PFS自身具有一定的堿度,因而對pH值的適應范圍比較廣,一般,pH值在4～11之間均有不同程度的處理效果。另外還具有形成礬花的速度快、顆粒大、沉降性能好等優點。因此是一種很有發展前途的破乳劑。
3結論
  破乳劑用量并不隨乳化液濃度的增大而顯著增加。
  因H+自身的作用,pH值越小,堿金屬和堿土金屬電解質破乳劑的用量越少,pH值為3時無須加入任何破乳劑即可破乳。但因H+增多,會抑制過渡金屬離子的水解作用,因而對這類破乳劑的用量影響不明顯。
  PFS是一種新型無機高分子絮凝劑,其自身具有一定的堿度,有巨大的絮凝力,對pH值的適應范圍比較廣,形成礬花的速度快、顆粒大、沉降性能好,污泥體積小,澄清后的水清澈透明,是一種經濟高效的破乳劑。