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乳化液的粒子分散及電荷試驗

在設計一個處理破乳劑液體系之前,我們有必要知道一些關于這個體系的事實。首先,應當確定系統變化的程度,這是一個連續不斷的問題。還是一個僅僅在于設備清洗完時的一個改變?如果清理在晚上進行,是傾倒水還是其它液體的大容積呢?是酸或堿液以任意間隔加入嗎?在一個相當長的時期里,取出典型的試樣,確定能被期望的那樣的變化的程度,溫度的變化是從白天到晚上呢,還是從冬天到夏天呢?

乳狀液粒子大小分布

我們知道,乳狀液中極細的粒子會慢慢沉淀下來,這對確定體系粒子大小的分布是有用的。因為,在通常情況下,粒子大小分布是不容易確定的。如果,聚結發生了,當你測量它的時候,分布就可以改變。有許多方法可以確定粒子大小。首先,體系的外表將提供一些線索。如果液滴大小超過200μm,單個的液滴是可見的;粒子大小介于10-100μm之間,將使乳狀液顯現乳白色;從10-1μm顯現藍白色,從1-0.5μm顯現煙灰色,再低,體系將是透明的。顏色是一般微粒大小的指示,但它不能真正地區分粒子大小的分布。詳述粒子大小的分布方法以3個原則為基礎。一個方法,使用顯微鏡在每一個大小范圍記錄液滴數目。另一個方法,應用沉淀物的速度與粒子大小的關系。第三個方法,以不用大小的液滴在不同方向發散光的事實為基礎。
最古老的方法是以視覺觀察為基礎。乳狀液試樣放在顯微鏡下,或者每一大小范圍的液滴數被直接計算,在初次試驗中,或者給試樣顯微照相,然后再印刷放大。每一液滴的大小展現在印刷體里,是被估計和記錄過的。這是一個消耗時間和冗長乏味的過程。一些精制的方案和裝置使得事情變得容易和迅速。
從散射數據可以得到一些粒子大小分布的印象。發散光線的角度和強度可反映粒子大小和形狀。利用乳狀液兩相折射指數和光的波長也可測定粒子大小和尺寸。能夠使用單色光確定折射指數。在單色散體系中,我們能夠得到粒子大小,假設液滴是球形的,在真實的乳狀液中物質粒子大小的分布比較復雜,使測量強度與反射角畫圖不一致。對一個單個大小的液滴,曲線顯示了一系列最大和最小點,從這些數據。大小可以被計算出來,每一液滴的大小都有它自己的曲線,在具有大小分布的乳狀液里,所有這些曲線都是重疊的,這些方法的細節在一些文獻中已有報道。
另一種確定粒子大小分布的方法是使用沉淀(作用)數據。我們先前已經陳述了stokes'定律,它也可以表達為:D=k(h/t)1/2,這里k=(18n/Gd1d2)1/2。因此,直徑為D的粒子將在一定時間t內通過一段距離h。如果我們有懸浮的液滴,它們將是穩定的,在時間t后,所有的粒子比直徑D大,將從懸浮物表面下降一個距離h。如果我們從表面測量在一定時間和距離內懸浮物質的量,我們就能計算大小分布,測量懸浮物質的量可能是一個問題,一方面,在測試房間內一個金屬盤旋掛在靈敏度高的天平的一臂上,當液滴落在盤上,增加的質量可以測到,另一方面,小試樣從不同深度在測量間歇中被取出,對懸浮物質直接分析,懸浮物質量的測量也能夠通過確定混合物的密度獲得。
有一種稱作“Sedigraph”的儀器,它能得到固體顆粒的粒子大小。而且這種顆粒又被用于對乳狀液的測定的許多例子中,用校準x光線光束的辦法,儀器可以確定粒子大小。這些粒子是隨著時間的推移降低沉積速度的,這些儀器并不是為了用于乳狀液而最終設計的,但它已經試著用于O/W和W/O乳狀液,在乳狀液應用中,乳狀液應該是穩定的,不易聚合。為了便于觀察,在試驗中,對乳狀液稀釋要小心,不能導致不穩定性產生。
另一種儀器是“Coulter counter”,它用于獲得乳狀液粒子大小分布數據。

乳狀液的分散歷程

一旦得到粒子大小分布,如何應用?我們想避免產生和破壞乳狀液。如大小分布隨時間變化,則乳狀液可能被破壞。如當時
乳狀液進行某種處理,它的大小分布變化則給出了設計過程的線索。
考慮到一種液體能被分散于另一種液體中,這包含著什么樣的過程呢?液體的一部分幾乎無滯流地流入另一種液體。它可以劇烈地流入。蒸汽可以被引入液體再液化,一種液體在另一種液體中的溶解能力會改變。攪動接觸的兩種液體,或是液體受其它的剪應力都會引起沉淀的發生。
討論分散機理細節前,有必要回顧一下實驗粒子大小分布不同的方法。不許運用哪種方法。最后得到的是一系列粒子大小范圍的數目。常用測定這些數據的方法,是作一張半徑--粒子坐標圖。橫坐標通常為半徑。但也有直徑對質量百分比圖(或體積百分比),這有其特別用途。必須注意分清不同方法的不同意義,對于組成為10-l00μm液滴體系,每個直徑為10、20、 30、40、50、60、70、80、90和100μm,這個圖形看上去與圖5(a)外形相似。如我們畫的體積百分比-直徑圖,外形如圖5(b),如為累積的體積百分比-直徑圖。則像圖5(c)。這些數據列于表2中,這是一種不通常的分布。但可得出一點,粒子直徑平均為55μm,沒有平均大小粒子。
所有在15μm內的粒子僅占30%,其為總體積的24%。另一方面除去30%的最大粒子將除去總體積的74%。但同時,除去30%最
小的粒子只能占略多于1%的總體積。
現在我們應看到一些機理,一種液體分散到另一種液體中。這些過程能產生哪種粒子的分布。對于第一個問題,一般認為是一種液體液滴總懸浮于另一種液體中。假設系統是不變重力和完全靜止的。液滴假設為球形之間,如果當液滴為扁長(香腸狀或膠囊狀)形時半徑的大小,液滴將被割斷(在脖子處)形成為兩個小的液滴,這個過程被畫于圖6(a,b,d-f)中。典型的此過程將導致兩個各為原體積一般的小液滴的產生,如過程中總具有更多的功能,液滴將破碎成幾個點滴。
如液滴有足夠的能量以克服在扁球形時的表面束縛力會向球形轉變。然后破碎成幾個液滴。此過程被描述在圖6(c,g-i)中,在各種情況下大量的較小的衛星式液滴形成。
如一種液體部分注入另一液體,不能混合的液體幾乎沒有任何湍流出現,將形成圓筒形。圓筒形液滴不穩定,分裂為幾個湍流,則分裂較快。新形成的液滴可相互碰撞,這樣形成更多的小液滴,它們中的一些會再凝聚,在這些情況下,如液體以鋼板、刀片或小刀刀鋒一樣以類似切割的形式沖撞表面,沖成扁球體,大量的小液滴會形成。


實際上這幾種過程會同時存在。粒子分散過程的細節也受每相黏滯度、系統剪切力、界面能量和液態粒子或溶解物質的影響。
這些分散過程中的每一種都趨向于產生典型的粒子大小分布。慢慢將油滴漏入具有較小剪切力的水溶液系統中將導致大點滴的產生。
黏性分散相傾向于產生大的液滴。從尖端分離開的液滴趨于幾乎相同的尺寸,并產生小液滴。由于剪切力的存在而產生較小的液滴并加寬起分布。所用剪切力越大轉變成較小尺寸粒子的分布越多,但只能達到某一點,在亞微粒子范圍中粒子尺寸的產生。需要特殊的條件。由自乳化作用。冷凝技術和高剪切力超聲波攪拌都可能獲得亞微粒子。這就意味著如果想試著進行破乳作用問題的研究,則可能推斷出產生這個問題的方法。如果粒子尺寸小于10μm并分布很窄,則可能猜想乳化劑存在于內相中,如果分布是寬的并有許多大尺寸液滴,通過激烈的攪拌就會很容易地解決這種穩定作用的乳狀液,多模式分布可推斷出有幾個原因產生。粒子大小分布隨時間的變化指出這個體系固有穩定性。

顆粒電荷試驗

測得乳狀液的另一個特性是粒子電荷,液滴可有幾種方式獲取電荷。如果有離.5乳化劑存在,則乳化劑吸附在粒子上并分布其電荷。如外相是絕緣的則液滴可獲得靜電荷。由于外部磁場或電場而在液滴上獲得電荷。對于水包油型乳狀液粒子上的電荷是確定乳化劑類型的非常好的線索。我們以前提到過粒子電荷測驗者驗證乳狀液類型的方法。這種方法在瀝青鋪路工業得到發展。最初,大部分瀝青乳狀液用陰離子乳化劑如油酸銨、油酸鈉制備。這些乳化劑把負電荷分布到瀝青粒子上,最近時期陽離子乳化劑逐漸應用,在乳狀液中沉浸兩個電極并用低電壓直流電通過乳狀液使液滴吸到陰極或陽極。這樣可測到粒子電荷。當然,粒子電荷能提供所涉及的乳化劑穩定劑的線索,粒子電荷測試的用途限制在外相導電的乳狀液。

 

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