874380985毕业设计中英文翻译Shirasu多孔玻璃(SPG)中表面活性剂类型对微泡形成的影响.doc
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1、Shirasu多孔玻璃(SPG)中表面活性剂类型对微泡形成的影响Masato Kukizakia, Yoshinari BababMiyazaki Prefecture Industrial Technology Center, 16500-2 Higashi-kaminaka, Sadowara, Miyazaki, 880-0303, Japanb Faculty of Engineering, Department of Applied Chemistry, University of Miyazaki, 1-1, Gakuen Kibanadai Nishi, Miyazaki, 88
2、9-2192, Japan摘要 我们最近提出了一种应用Shirasu多孔玻璃(次)膜狭窄的孔径分布来产生单分散性微泡的新方法. 在研究中,为研究SPG膜中表面活性剂类型对微泡形成过程的影响,应用带不同电荷的表面活性剂进行了微泡形成实验。分别选取钠正十二烷基苯聚氧(SDBS),乙烯(20 )失水山梨醇单月桂酸酯(吐温20 )和溴化十六烷基三甲铵( CTMA )作为阴离子,非离子和阳离子表面活性剂。加压空气通过SPG膜进入浓度为2.0摩尔每M3的表面活性剂溶液,膜平均孔径5.1微米,跨膜压/泡点压比为1.1 。系统中含有十二烷基苯磺酸钠和Tween 20时,从膜产生的单分散微气泡平均直径分别为35
3、.6和43.0微米.由于膜表面负电荷对CTMA正电荷的静电吸附作用降低了膜表面亲水基团的作用,CTMA存在的系统中产生的是多分散性气泡。SDBS系统产生的微气泡小于Tween20系统,这可能是在SDBS存在的条件下,由于气泡表面负电荷和膜表面负电荷之间强烈的静电排斥作用,微气泡刚刚产生就与膜表面发生分离。Twee20的气相通量是SDBS的11-15倍。由于SDBS产生的活性微孔的比例要低于Tween20和CTMA,这个结论是合理的。关键词:单分散性微气泡;Shirasu多孔玻璃膜;表面活性剂;气相通量 2008爱思唯尔版权所有1概述微泡有许多潜在的应用等领域中的制药,食品,化工,化妆品行业。在
4、医疗领域,微泡预计将适用许多领域的发展,如超声造影剂和靶向给药 1-6 ,而在食品工业7,,例如,食品中的凝胶和奶油的密度和质地将有控制的统一分散到这些泡沫材料中。此外, 在化学工业,如微孔塑料泡沫 8 。在所有这些应用中,微泡生产的规模控制是至关重要的。此外,须在这些应用中添加表面活性剂的水相,以促进微泡的稳定形成。表面活性剂在泡沫形成有两个主要作用:1. 表面活性剂分子吸附到新成立的气水界面,减少气水界面张力以促进微泡形成。2. 表面活性剂使微泡合并或聚集并使其稳定。因此,表面活性剂的选择对这些应用是非常重要的。至于分散微气泡的形成,已有相关理论 7,10-14 。例如,加南-卡尔沃和略
5、7 首先介绍了分散在毛细管的流量集中形成微泡的方法。斯特茨基等 10,11 说明微泡的单分散方法直接代替分散微泡。Yasuno等 12 介绍了使用微纤维生成分散微泡。徐等人 13 介绍使用交叉流动破裂技术形成分散微泡。我们最近提出了一种新的产生分散微泡 14,15 及采用SPG膜 16-18 方法。这种技术可以让单分散微泡形成膜的SDS浓度非常低(小于0.05重。 ,小于相应的表面张力58.0mNm - 1 ) 。这最有可能由于不饱和吸附的SDS分子(离子)增加而在新成立的气水界面泡沫聚在膜表面。 然而,表面活性剂的影响类型的气泡形成原理迄今尚未明确。因此本研究目的是探讨表面活性剂的微泡从SP
6、G膜的形成。利用三种不同类型的表面活性剂(阳离子,阴离子和非离子表面活性剂),表面活性剂类型的分散性程度对微泡组成影响,以及泡沫/孔径比,和气态相通量进行了研究。两者之间的相互作用及膜表面亲水基的表面活性剂的微泡形成过程中也在其中进行了讨论。2 .实验2.1 材料空气和10 mol/m l氯化钾的水溶液组成的气液分散系统水溶液含有表面活性剂。钠正十二烷基苯(十二烷基苯磺酸钠;分子量,分子量= 349g/mol) ,聚氧乙烯( 20 )失水山梨醇单月桂酸酯(Tween20兆瓦= 1228gmol - 1 )和溴化十六烷基三甲铵( CTMA ,分子量= 364gmol - 1 ) ,分别用作阴离子
7、,非离子和阳离子表面活性剂。要确定临界胶束浓度( CMC ) 和这些表面活性剂之间的关系,气水的表面张力和面活性剂浓度等,使用Wilhelmy板法表面张力计( CBVP 3号,协和界面科学有限公司,日本埼玉)进行了测量,其测定温度为298K。图1所示,CMC为十二烷基苯磺酸钠,Tween20和CTMA分别为0.50 , 0.14和0.11 mol/ml。因此,每个表面活性剂浓度定为2.0 mol/ml,高于CMC 19 。所有水pH值的阶段测量数字pH值(HM- 20J , DKKTOWA有限公司,日本东京)的范围为6.8 至7.0 。SDBS(试剂级)从东京化工有限公司(日本东京)购买 。氯
8、化钾,吐温20和CTMA (所有试剂级)也从Wako纯化学工业有限公司购买。SPG膜微泡产生的大小和尺寸分布的受各种操作和工艺参数影响:膜孔径 14,19 ,孔隙均匀 14,19 ,膜润湿性 20 ,跨膜压力 14,19 ,跨flowvelocity的thewater阶段 19 ,水相粘度 15 ,气水界面张力(表面张力) 19 。因此,在这种方法下,添加表面活性剂对于单分散微泡的形成,将对微泡构成产生深刻影响。在我们之前的研究中,已说明在包含十二烷基硫酸钠( SDS )气液分散体系表面活性剂浓度对气泡的形成影响,以作为一个阴离子表面活性剂 19 。实验结果表明,相比大聚分散气泡的产生,由此产
9、生的气泡尺寸几乎受表面活性剂浓度之间的空气和0.05-0.5十二烷基硫酸钠溶液影响,其相应的表面张力的58.0 - 36.5mNm 。空气气缸(人造空气,纯度“ 99.999 )由日本精细制品有限公司(枥木县,日本)制造。气水的表面张力mN/m图1 气水的表面张力和表面活性剂浓度之间的关系表1 研究实验中所用的SPG膜的平均孔径及孔径例平均孔径, Dm (_m)平均孔比率, pm ()1.03.110.00.580.550.582.2.SPG 膜平SPG膜( 10毫米 40毫米, 厚度0.5mm)有四个不同的平均孔径分别为1.0 , 3.1 , 5.0和10.0微米,为在钠钙氧化镁氧化铝-系统
10、中与母玻璃的相分离并为以后的酸浸做准备。膜准备步骤在以前已描述 18。在这种情况下,SPG膜有统一大小孔隙,形成三维网络,这反映了玻璃相分离结构 17,18 。膜的平均孔径和孔隙度的测定汞porosimeter ( Poresizer 9320 ,麦克有限公司,美国)列于表1 中。平均孔径有相应的直径为50 的相对累积孔径分布曲线,孔隙度,计算时使用下列公式: (1)VP是膜孔体积单位膜的质量,在本研究中由上述汞porosimeter确定,pm是膜的真正密度,由pycnometer确定( Quantachrome - 1000 , YUASA -离子,有限公司,日本大阪) 。该SPG膜小室潜力
11、,由流势方法所确定 21,22 , 其中的流潜力,E是所造成的压力降的膜(跨膜压力, p )和Zeta电位当时由亥姆霍兹-斯莫罗卓夫斯基方程计算 23,24 : (2)和分别是粘度和水相电导率,Eo是介电常数的可用空间,并r是水相对介电常数。KCl用来作为支持电解质,一对黑色的铂电极位于膜的两边。膜组件最初是充满水的阶段的跨膜压力然后采用以下三个步骤 21 :1 )加压从0到50 kPa时, ( 2 )保持压力,及( 3 ) 降压为0千帕。粘度测量使用旋转粘度计( DVL - B号, TOKIMEC有限公司,日本东京) 。水的导电性由电导率仪测定(第ES - 12 ,堀场有限公司,日本京都)
12、。相介电常数是接近的水相对含水量。所有测量数据进行测定时温度为298K。Zeta电位使用均衡器测量计算出的E /峰。 ( 2 ) 。SPG膜接触角的评价从以下进行:随着温度提到873K ,光滑无孔和玻璃板块可以从SPG膜开始 17 。这一处理方法, 硅氧烷团对玻璃表面凝结,形成硅氧烷团体和水的变化,如图2( a )所示 。由于硅氧烷群体基本上是疏水性 25 ,亲水的煅烧玻璃板将低于SPG膜。玻璃钢板浸泡于盐酸溶液,硅氧烷表面上与水反应生成硅氧烷基团 26 如果SPG膜焙烧上述873K ,然后由此产生的玻璃板浸泡入盐酸溶液,SPG膜表面的硅氧烷基团密度将玻璃板表面上的密度是相同的。因此,spg膜
13、与玻璃板表面润湿性是相同的。在非多孔玻璃板加热SPG膜1023K为3小时,然后浸泡到2moldm - 3盐酸溶液中,玻璃盘子表面上的水相液滴接触角的测量使用接触角仪( DropMaster 500 ,协和界面科学有限公司,日本)测定温度为298K。 (a)脱水sianol组和补液的硅氧烷组(b)sianol组的离解图2 在SPG膜上的硅氧基的脱水及补水2.3微泡的形成和气泡尺寸分布测量气泡的形成在石英光纤单元中( 10毫米 40毫米 50毫米,并在2毫米厚度),在粒径分布分析仪( SALD2100 ,岛津有限公司,日本京都)测量气泡直径分布(见图3 ) 。使用硅橡胶密封件附着在的底部光学单元,
14、。最初是充满水的阶段单元容积为10.8立方厘米,空气(气相)被引入下表面的膜,并逐步通过膜,同时照射激光波长690nm测定298K时。水阶段空气压力和平均压跨膜压力的计算之间有一定差异。水的流量,保持不变在20cm-3/h的。当微泡开始从SPG膜形成表2 泡点压力测量值平均孔径Dm(m) 表面活性剂 泡点压力PBP(kPa)1.03.15.010.0SDBSTween20CTMASDBSTween20CTMAFreeDBSTween20CTMASDBSTween20CTMA12514889344820511922139134光衍射/散射峰使用激光衍射粒度分析仪检测。气泡点压力决定于跨膜压力的光
15、的衍射/散射峰测定测量。泡点压力,在这项研究中列于表2 中。由直径分布的微泡膜形成跨膜压力大于泡点压力,使用上述粒径分布分析仪测定【14,15】. 跨膜压力适用范围由9至148千帕,相当于的跨膜/泡点压力比1.00-1.55 。空空气折射率( 1.0 )被采用。这分析器允许泡沫检测范围0.050-1000米。在所有的实验中,中,泡沫形成之前没有光的衍射/散射峰。平均气泡直径表示为相应的气泡直径50%的相对累积气泡直径分布曲线。通量气态阶段(空气) Jg计算使用以下 19 :Jg=Q/A (3)Q是体积流量使用流量计测量空气测得,并表示大气( 101.30KPa )压力下;A是有效膜面积(在本研
16、究中2.16平方厘米) 。十二烷基苯磺酸钠和Tween 20 ,该5.0微米膜产生的微泡,用光学显微镜观察(BHS-323 ,奥林巴斯株式会社,日本) 。 激光 光学分子水相水相(a)俯视图激光相水有压气体 有压气体(b)侧视图 (c)前视图图 3 说明一个SPG膜形成泡沫过程,并使用激光衍射法测量气泡尺寸分布表3 平均孔径为5.0微米SPG膜 Zeta电位和接触角,水气表面张力的测定值表面活性剂Zeta电位(mv)接触角表面张力(mN/ m)FreeSDBSTween20CTMA-31.3-25.3-20.3-1.8228135575.129.637.227.6 相对体积%相对体积%相对体积
17、%气泡直径(微米)气泡直径(微米)气泡直径(微米)气泡直径(微米)相对体积%图4 表面活性剂SDBS,Tween20,CTMA,在SPG膜形成的气泡平均孔径分布,分配使用时产生的气泡水阶段。跨膜/泡点压力比定为1.1 。所有的表面活性剂浓度为2.0mol/ml 。3.结果和讨论 3.1 Zeta电位和SPG膜接触角正如表3所列的在22c10mol/ml氯水溶液Zeta电位的测量值和5.0微米SPG膜接触角和平均孔径分别- 31.3mV和22。这些结果表明,该膜是带负电荷和亲水在这种情况下由于羟基的存在,如silanol团体的表面 26-28 的silanol组膜表面离解如图2( b ) 26
18、。 3.2 表面活性剂在微泡的大小和粒度分布作用类型用一个5.0微米的膜进行表面活性剂对气泡尺寸和粒径分布的影响类型的研究。如图4所示,在没有表面活性物质(在10mol/mKCL溶液中)SPG膜产生气泡的直径分布。其系统含有十二烷基苯磺酸钠,吐温20和CTMA在跨膜/泡点压力比为1.1 。在没有没有表面活性剂条件下,聚分散的大型气泡平均泡沫直径为729微米,如图4(d)所示。这大概是因为在孔开口时,微泡形成立即合并。类似的现象在一个包括空气和水,表面活性剂的系统微气泡形成的微硅微可观察12 。Yasuno等 12 使用微光学显微镜及录像设备采用了硅微通道板观察原位形成。他们指出,在系统中没有表
19、面活性剂,分散微泡形成微泡并立即合并,而在系统含有钠十二烷基( SDS )和Tween20 ,单分散微泡形成在微通道发生。对于十二烷基苯磺酸钠和吐温20 ,单分散微泡平均气泡直径为35.6和43.0微米,如图4(a)(b)所示。图5显示使用这两个表面活性剂下5.0微米膜产生的微泡。相反,在CTMA载系统形成聚分散气泡的平均泡沫直径63.2微米(图4 (c)。3.3在泡沫形成与阴离子,非离子和阳离子表面活性剂类型从这些实验结果的影响看,表面活性剂在泡沫形成作用类型是利用SPG膜讨论。保持SPG膜表面亲水性是为实现从膜分散微泡形成有必要的20。表面活性剂和膜表面之间的相互作用是膜表面亲水性一个关键
20、影响因素。膜的Zeta电位也是一个重要参数,表示表面活性剂及膜表面之间的相互作用。此外,接触角是理解膜表面水润湿性的一个重要参数。表3显示的是5.0微米膜测量的Zeta电位,膜和水相之间接触角被实验系统利用。十二烷基苯磺酸钠,静电斥力之间相互作用存在于十二烷基苯磺酸钠分子(离子)极性基团的阴离子的和负荷电膜的表面。吐温20 尽管亲水基的表面活性剂和Tween - 20 分子与膜表面之间没有强有力的斥力存在,一水合层仍然涵盖亲水组膜。 膜表面亲水性可保持在泡沫形成过程中。对十二烷基苯磺酸钠和Tween 20 ,原来的膜低接触角分别为8 和13 ,支持这一想法,即膜亲水表面仍然存在微泡的形成过程中
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