掃描電鏡在功能化磁性納米粒子處理廢棄機(jī)加工乳液機(jī)制研究中的應(yīng)用

機(jī)械加工過(guò)程產(chǎn)生的廢棄乳化液含有大量表面活性劑和礦物油，由于大量表面活性劑的存在，形成了納米尺寸的微小油滴，同時(shí)表面活性劑成為一層穩(wěn)定的保護(hù)膜，很難實(shí)現(xiàn)有效破乳。

 

目前常用的處理技術(shù)有氣浮、化學(xué)絮凝聯(lián)合氣浮、化學(xué)和電化學(xué)技術(shù)、化學(xué)破乳劑、膜技術(shù)及生物技術(shù)等。由于油滴尺寸小、質(zhì)輕，通常需要很長(zhǎng)的停留時(shí)間，油水分離比較緩慢且低效。

 

盡管化學(xué)破乳劑具有廣泛的應(yīng)用，但是處理后化學(xué)破乳劑會(huì)在留在水中，產(chǎn)生嚴(yán)重的二次污染，并且很難實(shí)現(xiàn)破乳劑的回收。開(kāi)發(fā)新型高效和低成本的機(jī)加工廢液處理技術(shù)成為亟待解決的問(wèn)題。

 

同濟(jì)大學(xué)研究者設(shè)計(jì)合成了一種功能化磁性納米粒子(Functional magnetic nanoparticle, FMNPs），并通過(guò)飛納電鏡溫控樣品杯研究了 FMNPs 對(duì)廢棄乳化液的處理效果及其破乳過(guò)程和機(jī)制。

 

 

破乳過(guò)程

 

 

在 FMNPs 作用下乳液的破乳經(jīng)歷了兩個(gè)過(guò)程：

 

首先是 FMNPs 分散并吸附到液滴表面，引起液滴的絮凝聚并，液滴的尺寸有一定程度的增大；

 

隨后，在磁場(chǎng)的作用下，表面吸附有 FMNPs 的液滴群體進(jìn)行定向遷移，遷移過(guò)程中，由于液滴間的相互擠壓也會(huì)出現(xiàn)液滴的進(jìn)一步聚并，最終液滴從連續(xù)相中分離出來(lái)。

 

(A-C) FMNPs 在液滴表面的分布 (D) FMNPs 與乳化劑 (0.125 g/L SDBS) 的結(jié)合狀況，(E) FMNPs與乳化劑 (1.0 g/L SDBS) 的結(jié)合狀況，(F) 乳化劑 (1.0 g/L SDBS) 的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

 

FMNPs 加入到乳狀液中后，先要經(jīng)歷擴(kuò)散過(guò)程，遷移到液滴表面（A-C），并與液滴表面的表面活性劑發(fā)生相互作用，進(jìn)而粘附在液滴表面。由于液滴與表面活性劑間的結(jié)合，會(huì)改變?nèi)闋钜涸�本的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)（D-F）。乳液有一定程度的失穩(wěn)，出現(xiàn)液滴的絮凝和聚并，液滴的尺寸增大，最后在磁場(chǎng)作用下分離出來(lái)。

 

在此類含水樣品的研究中，傳統(tǒng)掃描電鏡（SEM）無(wú)法直接觀察樣品，通常需要將樣品干燥后在放入 SEM 觀察，但是干燥后樣品中的凝膠結(jié)構(gòu)塌陷，破壞了樣品內(nèi)部真實(shí)的形貌。

 

飛納（Phenom）電鏡溫控樣品杯可以將含水樣品迅速冷凍，然后放入樣品倉(cāng)觀察，保留了樣品內(nèi)部的空間結(jié)構(gòu)，對(duì)于含水樣品的研究提供了一套快速可行的研究方案。

 

利用飛納電鏡溫控樣品杯觀察在不同活性劑濃度下，乳液結(jié)構(gòu)的變化

 

含水樣品研究方法對(duì)比

 

· Cryo-SEM：操作復(fù)雜、樣品制備復(fù)雜、成本高
· 干燥（冷凍干燥）：結(jié)構(gòu)塌陷，不利于 “破乳” 機(jī)制分析
· Phenom 溫控樣品杯：操作簡(jiǎn)單、效率高、成本低

 

參考文獻(xiàn)

 

Peng, K., Xiong, Y., Lu, L., Liu, J., & Huang, X. (2018). Recyclable Functional Magnetic Nanoparticles for Fast Demulsification of Waste Metalworking Emulsions Driven by Electrostatic Interactions. ACS Sustainable Chemistry & Engineering, 6(8), 9682-9690.