2结果与分析

2.1剪切速率对稳定性的影响

在RW20型数字搅拌器的实验条件下,不同搅拌转速对应的剪切速率可通过经验公式(见式(1))进行估算,结果如表2所示。

γ=KN

式中:γ为剪切速率,s-1;K为经验系数,取12;N为搅拌转速,r/min。

图3为不同含水率和搅拌转速下乳状液的粒径频率分布对比。由图3可知,乳状液在不同条件下的粒径频率呈单峰分布,且以小粒径液滴为主,存在明显的主峰区。这一结果表明,在所研究的搅拌转速和含水率下，乳状液中绝大部分液滴集中在小粒径范围;乳状液的粒径处于微米级别，呈现明显的近似对数正态分布。

由图3还可知，在相同的含水率下，随着搅拌转速的增大，乳状液的粒径分布发生变化，主峰对应的粒径范围向上移动，搅拌转速越大，小粒径液滴峰值占比越大;在低搅拌转速(400~500r/min)下，小粒径液滴占比相对较低，说明此时剪切速率不足，液滴破碎受限，易发生聚并和沉降，导致乳状液稳定性较差;在中等搅拌转速(600~800r/min)下，剪切力增强，促使液滴进一步细化且分布均匀，油相中残留的乳化剂充分吸附于油水界面，形成更稳定的界面膜，从而显著提升乳状液的稳定性。

综上所述,在中等搅拌转速的剪切作用下,乳状液在粒径细化与稳定性方面能达到较好的平衡,表现出优异的综合性能;剪切速率对油水分层速率的影响主要通过调控液滴破碎程度、界面膜稳定性及聚并行为实现,二者呈非线性关系。

2.2含水率对稳定性的影响

在相同的搅拌转速下,随着含水率的增加,原油乳状液的粒径分布曲线整体上移,小粒径占比增加且均一性增强,粒径分布曲线变得陡峭(见图3)。这是因为:含水率升高导致油水界面接触面积增大,液滴间的平均距离减小,碰撞频率增加;在天然表面活性剂及油中残留乳化剂的稳定作用下,液滴更倾向于破碎,而不是聚并,从而导致小粒径液滴增多;含水率增加后,乳状液整体黏度降低,液滴容易受到剪切作用而进一步破碎,生成更小的液滴。综上可知,在相同的搅拌转速下,含水率对乳状液粒径分布的影响呈非线性趋势。

在低含水率(10%～30%)时,乳状液粒径较大,液滴间碰撞频率较低,其沉降主要受Stokes定律主导。该规律适用于低含水率、稀分散体系。低含水率乳状液的析水速率按式(2)计算。

Vsep=2/9·(ρw-ρo)gd²/μo

式中:Vsep为析水速率,m/s;ρw、ρo分别为水、油的密度,kg/m³;g为重力加速度,m/s²;d为Sauter平均粒径,m;μo为油相的动力黏度,Pa·s。

为保证测量结果的准确性,在相同温度和搅拌转速下测定不少于500个液滴的粒径。基于测试数据,通过式(3)计算Sauter平均粒径,然后将其代入Stokes公式计算水相沉降速率。

d32=Σnidi³/Σnidi²

式中:d32为Sauter平均粒径,μm;ni为各粒径液滴的数量;di为各液滴粒径,μm。

在低搅拌转速下,分析了低含水率乳状液析水速率的变化规律,结果如表3所示。由表3可知,在低搅拌转速下,搅拌转速越小,乳状液表现出较强的析水能力。

观察了低搅拌转速下不同含水率的乳状液在静置0~0.5h期间的积液情况(见图4)。图5为不同含水率乳状液在不同搅拌转速下的累积析液量对比图。

结合表3、图4、图5可知，累积析液量在1.0h内达到峰值;含水率为10%的乳状液在整个实验过程中累积析液量较低，表现出高的稳定性，说明低含水率有助于维持乳化结构的稳定性，延缓分散相水滴的聚并与沉降;含水率为20%的乳状液累积析液量介于含水率为10%与30%的乳状液之间,说明随着含水率的增加,乳状液趋于不稳定,但该趋势并未呈线性关系;在实验进行至1.5h后,不同含水率的乳状液的析水速率均趋于零,趋近析水平衡状态。这一现象进一步表明,高含水率的乳状液虽在早期阶段(0~1.0h)表现出较快的析水速率,但其最终累积析液量受限于乳化界面膜的稳定性,无法持续增加。综上可知,低搅拌转速(400、500r/min)、低含水率(10%、20%、30%)乳状液的稳定性随含水率的增加而降低。

表4为低含水率乳状液在高搅拌转速下的析水速率。由表4可知,在高搅拌转速下,随着乳状液含水率的增加,析水速率逐渐降低;在相同含水率下,较高搅拌转速对应的析水速率低于较低搅拌转速下的析水速率。综上可知,含水率与搅拌转速对油包水乳状液的水相分离行为具有显著影响;在高搅拌转速下低含水率乳状液的稳定性随含水率的增加而增加。

当含水率(40%、50%)较高时,液滴间的相互作用显著增强,其沉降行为偏离传统Stokes定律,需借助经验模型进行描述。高含水率乳状液的析水速率采用式(4)计算。

Vsep=Vo·(1-e^(-kW)),W<Wc

式中:Vo为最大油水分层速率,m/s,其大小取决于乳化体系;k为经验常数,与乳化剂浓度、液滴尺寸、剪切率有关;W为含水率,%;Wc为临界含水率,%。

表5为高含水率乳状液在不同搅拌转速下的析水速率。由表5可知,当搅拌转速为400~800r/min时,在同一转速条件下,随着乳状液含水率由40%增加至50%,乳状液的析水速率呈下降趋势。这是由于高含水率状态下乳状液中的水相已形成连续相,水滴的沉降行为受到显著限制,进而导致析水效率降低(见图6)。

2.3 CO2过饱和对稳定性的影响

CO2的加入对W/O型乳状液的稳定性具有双重作用，其效果取决于含水率和剪切条件。基于实验观测结果并结合已有研究成果，可进一步说明CO2对乳状液稳定性的影响机理。

首先,溶解适量的CO2可显著降低油水界面张力,使液滴更容易破碎为细小且均匀的分散相颗粒(见图7)。这一现象使乳状液的粒径分布更加集中，小粒径液滴占比增加,从而增强乳状液的稳定性。相关研究表明，超临界CO2处理还可提高乳状液的储能模量、屈服应力和黏度，从而提高其抗聚并能力。在本研究中,经CO2处理后的乳状液液滴形态更趋规则,乳状液稳定性增强。

其次,CO2的作用效果与乳状液的含水率密切相关。在中低含水率下,CO2通过降低界面张力、促进液滴细化,提高乳状液的稳定性。然而,在高含水率下,乳状液液滴间的相互作用增强,若CO2溢散过量,会破坏油水界面的稳定性,诱发液滴聚并与相分离。因此,CO2对乳状液的稳定性具有"促进-抑制并存"的特征。

再次,CO2与剪切条件存在耦合效应。在中等搅拌转速下(600~700r/min),CO2对乳状液稳定性的调控作用最为突出:在该搅拌转速下,可实现液滴的充分破碎,避免界面膜结构过度破坏,同时结合CO2降低界面张力的作用,最终使乳状液达到最佳稳定状态;当搅拌转速较小时,液滴粒径过大且聚并频繁,CO2难以充分作用于液滴界面;当搅拌转速较大时,虽然能提升液滴的细化程度,但界面膜容易受损,此时过量的CO2反而会加剧液滴聚并,导致乳状液稳定性下降。

综上,CO2过饱和处理可通过降低界面张力、促进液滴细化及增强界面膜稳定性,在中高搅拌转速和中高含水率下显著提高乳状液的稳定性。但是,在极端条件下(高含水率+高CO2分压或低搅拌转速),CO2的引入可能诱发界面层失稳,导致乳状液的稳定性下降。因此,合理调控CO2饱和浓度和工艺条件,是确保其充分发挥乳状液稳定作用的关键。