2.5 PCNF協(xié)同電絮凝破乳機(jī)制分析

為深入剖析磁性破乳劑PCNF協(xié)同電絮凝破乳機(jī)制，采用COMSOL軟件仿真模擬乳化油滴聚集過(guò)程，并對(duì)油滴聚并機(jī)理進(jìn)行微觀分析。通過(guò)控制COMSOL軟件中的參數(shù)，找出影響油滴聚集的關(guān)鍵因素。最后對(duì)實(shí)驗(yàn)各階段進(jìn)行Zeta電位和油滴粒徑分析，探究PCNF加入后對(duì)破乳過(guò)程的影響。

2.5.1 油滴聚集過(guò)程模擬分析

模型中兩個(gè)聚結(jié)油滴的直徑均為2.4?mm，油滴中心間距為3.0?mm。在材料參數(shù)方面，水相的黏度為1.01×10?3?Pa·s，而在實(shí)驗(yàn)溫度下，油相的動(dòng)力黏度約為0.674?Pa·s。油水界面張力為0.025?N/m。根據(jù)文獻(xiàn)可知，油滴聚集的實(shí)驗(yàn)結(jié)果與模擬結(jié)果在相應(yīng)的時(shí)間點(diǎn)高度一致，從而驗(yàn)證了COMSOL數(shù)值模擬軟件的準(zhǔn)確性。圖7為雙油滴和油滴群在電場(chǎng)作用下發(fā)生聚集的過(guò)程。

從圖7(a)可以看出，油滴聚集過(guò)程可分為兩個(gè)階段：第一階段，兩個(gè)油滴聚集前，在靜電力吸引下相互接近的過(guò)程中，會(huì)產(chǎn)生極化形變，并且隨著時(shí)間的推移，油滴的形變程度也會(huì)越來(lái)越大；第二階段，當(dāng)兩個(gè)油滴接近到一定程度時(shí)，在靜電力和分子作用力的協(xié)同作用下，油膜發(fā)生破裂，兩個(gè)油滴開(kāi)始合并，并在界面張力的影響下重新恢復(fù)為球狀。從圖7(b)可以看出，當(dāng)體系中出現(xiàn)較多油滴時(shí)，距離較小的油滴之間往往很容易相互聚集形成大油滴，而大油滴之間卻很難再聚集。這可能是由于小油滴的聚集過(guò)程導(dǎo)致周?chē)鲌?chǎng)發(fā)生變化，反過(guò)來(lái)會(huì)阻礙其他油滴的聚集。由此也可以看出，雙油滴在聚集過(guò)程中僅需要電場(chǎng)就可以輕松實(shí)現(xiàn)聚集，但實(shí)際情況(油滴群聚集過(guò)程)下單純的電場(chǎng)條件對(duì)油滴聚集的效果往往很難達(dá)到要求。

2.5.2 雙油滴聚并機(jī)制分析

根據(jù)前文，油滴聚集過(guò)程可劃分為兩個(gè)關(guān)鍵階段：油滴形變并相互靠近，以及油滴合并恢復(fù)球形。第一階段對(duì)于油滴能否成功聚集(即破乳)至關(guān)重要。圖8(a)展示了單個(gè)液滴在電場(chǎng)作用下的受力情況及形變，其中藍(lán)色區(qū)域表示油滴初始狀態(tài)，黑色輪廓顯示為形變后的油滴。油滴在體系中會(huì)受到電場(chǎng)力(F)、界面張力(F)以及黏性阻力(F)的共同影響。電場(chǎng)力促進(jìn)油滴形變，而界面張力和黏性阻力則需被克服。在電場(chǎng)力作用下，油滴表面的負(fù)電荷會(huì)向正極移動(dòng)，導(dǎo)致油滴兩端帶有相反極性的電荷，形成誘導(dǎo)偶極。圖8(b)顯示，在外電場(chǎng)作用下，油滴極化，兩端帶有異種電荷，相鄰油滴的近端因極性相反而在電場(chǎng)力作用下相互吸引，直至發(fā)生碰撞。若界面張力變小，油滴的變形程度會(huì)變大，油滴靠近時(shí)間變短。電場(chǎng)力是推動(dòng)油滴靠近的主要?jiǎng)恿?，而界面張力和黏性阻力則對(duì)油滴聚集造成阻礙。

2.5.3 油滴聚集的關(guān)鍵因素模擬分析

為了印證油滴聚集機(jī)理分析的準(zhǔn)確性，使用COMSOL模擬軟件分別考察電場(chǎng)強(qiáng)度和界面張力對(duì)油滴聚集的影響。保持其他條件不變，分別對(duì)乳化液施加1、3、5、8、10、15、20、30?kV/cm的電場(chǎng)強(qiáng)度，探究油滴在不同電場(chǎng)強(qiáng)度下的靠近時(shí)間，結(jié)果見(jiàn)圖9(a)。同理，設(shè)置油滴界面張力分別為0.020、0.025、0.030、0.035、0.040、0.045?N/m，探究界面張力對(duì)油滴靠近時(shí)間的影響，結(jié)果如圖9(b)所示。

已有研究表明，隨著電場(chǎng)強(qiáng)度的增加，油滴聚集時(shí)間顯著縮短。圖9(a)的模擬結(jié)果也顯示了類(lèi)似的趨勢(shì)，即油滴靠近時(shí)間隨電場(chǎng)強(qiáng)度的增加呈指數(shù)性下降趨勢(shì)。這是由于油滴相互靠攏的驅(qū)動(dòng)力是兩個(gè)油滴之間的偶極聚合作用力，而偶極聚合作用力與電場(chǎng)強(qiáng)度的平方成正比。所以隨著電場(chǎng)強(qiáng)度的持續(xù)增大，油滴之間的靠近時(shí)間逐漸縮短，油滴間靠近的速率變大。通過(guò)宏觀實(shí)驗(yàn)也可以得到相同的趨勢(shì)。由圖9(b)可知，隨著界面張力的增大，油滴靠近時(shí)間先不斷延長(zhǎng)，然后逐漸穩(wěn)定。因?yàn)榻缑鎻埩Φ脑龃髸?huì)使油滴的形變程度減小，油滴實(shí)際運(yùn)動(dòng)距離變遠(yuǎn)，靠近時(shí)間變長(zhǎng)。在此過(guò)程中，隨著界面張力的增加，油滴的最大形變幅度以指數(shù)形式降低，從而使接近時(shí)間最終達(dá)到一個(gè)穩(wěn)定值。為驗(yàn)證模擬結(jié)果的可靠性，使用Kibron?dIFT雙通道動(dòng)態(tài)界面張力儀對(duì)PCNF投加前后的油水界面張力進(jìn)行實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，結(jié)果表明，加入PCNF后，乳化油廢水的界面張力明顯降低，從24.14?mN/m降到12.06?mN/m。由此說(shuō)明，增大電場(chǎng)強(qiáng)度或者減小界面張力都可以有效促進(jìn)油滴的快速聚集，2.5.2節(jié)中的機(jī)理分析得以印證。

2.5.4 破乳劑協(xié)同電場(chǎng)破乳機(jī)制分析

增大電場(chǎng)力最主要的方法就是增加反應(yīng)器中的電場(chǎng)強(qiáng)度，但電場(chǎng)強(qiáng)度的增加往往意味著更高的能耗，并且電場(chǎng)強(qiáng)度過(guò)大會(huì)導(dǎo)致油滴聚集后再次破裂。電場(chǎng)破乳的目的是通過(guò)促進(jìn)分散相油滴之間的聚合，實(shí)現(xiàn)分散相和連續(xù)相的有效分離，電分散現(xiàn)象是破乳的逆過(guò)程，會(huì)大大降低破乳效果。減小界面張力也能大大促進(jìn)破乳過(guò)程，這也是實(shí)驗(yàn)引入破乳劑的原因。研究發(fā)現(xiàn)，破乳劑的主要目標(biāo)是通過(guò)吸附在界面上和減少界面膜上膠質(zhì)與瀝青質(zhì)的存在來(lái)實(shí)現(xiàn)油水分離，取代成膜物質(zhì)，降低膜的強(qiáng)度和界面張力，實(shí)現(xiàn)破乳。同時(shí)，本實(shí)驗(yàn)制備的磁性破乳劑PCNF為陽(yáng)離子型破乳劑，其具有可吸附油水界面的負(fù)電荷、降低靜電作用、增加油滴之間碰撞幾率的優(yōu)勢(shì)。

Zeta電位和界面張力都與顆?；蛴偷沃g的相互作用有關(guān)，界面張力的變化會(huì)影響油滴的形變和聚集，進(jìn)而影響Zeta電位分布。Zeta電位作為衡量膠體分散系統(tǒng)穩(wěn)定性的一個(gè)重要指標(biāo)，它的絕對(duì)值越大，則說(shuō)明該體系的穩(wěn)定性越好，也就是在溶解或分散時(shí)具有較強(qiáng)的抗團(tuán)聚作用；Zeta電位的絕對(duì)值越小，則膠粒之間的排斥力越小，膠粒的穩(wěn)定性越差，越容易形成團(tuán)聚。

圖10展示了在三個(gè)不同階段Zeta電位及平均粒徑的變化，第1階段為乳化油廢水的配備，第2階段為添加磁性破乳劑PCNF和絮凝劑PFS并攪拌10?min，第3階段為進(jìn)行電化學(xué)反應(yīng)90?min。實(shí)驗(yàn)用乳化油廢水為陰離子表面活性劑含油廢水，其初始Zeta電位為?51.3?mV，表面帶負(fù)電荷。在引入磁性破乳劑PCNF和絮凝劑PFS后，水中形成了帶正電荷的多核羥基絡(luò)合物。這些絡(luò)合物能夠吸附并中和膠體顆粒的電荷，減少雙電層厚度，從而降低Zeta電位。Zeta電位的降低有利于膠體顆粒的脫穩(wěn)和聚集，促進(jìn)其沉淀。

在磁性破乳劑的絮凝過(guò)程中，觀察到Zeta電位的增加超過(guò)了傳統(tǒng)絮凝劑PFS，這表明Fe?O?的磁性響應(yīng)性和PFS的正電荷特性在PCNF體系中形成了協(xié)同作用。Fe?O?的磁性使得絮體在磁場(chǎng)作用下能夠快速分離，而PFS的正電荷則通過(guò)電中和作用促進(jìn)了絮體的形成。這種協(xié)同作用不僅提高了絮體的穩(wěn)定性，還增強(qiáng)了絮體的吸附性能，從而進(jìn)一步提高了對(duì)乳化油的去除效率。從平均粒徑的變化曲線可以看出，隨著反應(yīng)的進(jìn)行，粒徑不斷增大，而在加入PCNF的體系中，粒徑增長(zhǎng)速度更快，相比PFS提高了35%，表明加入PCNF對(duì)乳化油廢水的處理效果更佳。這種性能增強(qiáng)的潛在機(jī)制可能歸因于磁性破乳劑的固有磁性吸引力和擴(kuò)展的比表面積，這增加了污染物之間有效碰撞的幾率。此外，PCNF所具有的表面活性，能夠吸附在油水界面上，替代原有的表面活性物質(zhì)(如乳化劑)，減少界面張力，從而提升了整體的絮凝能力。

3 結(jié)論

①與單純電化學(xué)以及傳統(tǒng)絮凝劑相比，電化學(xué)與PCNF耦合工藝對(duì)乳化油廢水的處理效果最優(yōu)，當(dāng)PCNF投加量為2.0?g/L時(shí)，對(duì)COD和油的去除率均可達(dá)到96%以上，COD濃度降至43?mg/L，含油量降至3.72?mg/L。基于電荷中和原理，通過(guò)引入氯化鈣優(yōu)化工藝參數(shù)，采用1.5?g/L?PCNF?+?0.5?g/L?CaCl?的藥劑投加組合，在保持高效處理效果的同時(shí)，將電解時(shí)間縮短至90?min，可顯著降低處理成本。

②采用COMSOL模擬軟件揭示了電場(chǎng)力驅(qū)動(dòng)油滴極化聚集的機(jī)理，PCNF通過(guò)降低界面張力削弱乳狀液的穩(wěn)定性，實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證界面張力降低幅度達(dá)50%。Zeta電位與粒徑分析進(jìn)一步證實(shí)PCNF能加速絮體形成，其粒徑增速較PFS提高35%。電化學(xué)與PCNF耦合工藝兼具高效性與經(jīng)濟(jì)性，為含油廢水處理提供了可靠的解決方案。