СПОСОБ СТАБИЛИЗАЦИИ ЭМУЛЬСИЙ И КОЛЛОИДНЫХ РАСТВОРОВ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
METHOD AND APPARATUS FOR STABILISATION OF EMULSIONS AND COLLOIDS

Изобретение относится к технологическим химическим процессам, в частности к нефтехимии, и может быть использовано для стабилизации различных эмульсий и коллоидных растворов, например, при производстве коллоидных и полимерных дисперсий, нефтяных масел, смазочных материалов, технических жидкостей, топлив, лаков, красок и т.п., то есть в процессах, направленных на получение стабильных эмульсий и коллоидных растворов.
На сегодняшний день широко применяются химические методы стабилизации эмульсий, основанные на добавках эмульгаторов, например [1].
Однако добавление в имеющуюся эмульсию дополнительных веществ не всегда допустимо, например при производстве пищевых продуктов или смазочных масел с присадками. Предлагаемый способ позволяет стабилизировать эмульсию без введения дополнительных химических веществ в имеющуюся композицию и без расходования дорогостоящих специальных эмульгаторов. Полевые способы стабилизации эмульсий на сегодняшний день неизвестны.
Более того, известна попытка разделения водно-нефтяной эмульсии с помощью низкочастотного электрического поля [2, 3] фирмы АББ VICTA. Внутрикорпусной электростатический коагулятор этой фирмы, воздействовавший на эмульсию низкочастотным электрическим полем, был установлен на норвежской нефтяной платформе Troll С. Однако на сегодняшний день этот электростатический коагулятор с сайта фирмы АББ исчез, как и другие электростатические коагуляторы. Причиной такого исчезновения может быть наблюдавшийся нами и положенный в основу настоящего изобретения эффект уменьшения в определенных условиях размеров капель эмульсии под действием постоянного поля (т.е. стабилизация эмульсии) вместо ее разделения.
Наиболее близким по технической сущности является способ приготовления коллоидных растворов и устройство для его осуществления /4/. Этот способ заключается в смешивании исходных компонентов и воздействии на них электромагнитным СВЧ излучением, при этом контролируется качество коллоидных растворов (устойчивость против расслаивания - коллоидную стабильность, удельное количество коллоидных образований в смешиваемых растворах и их средний радиус) в процессе смешивания и в готовых коллоидных растворов методом корреляционной спектроскопии рассеянного света, определяя при этом средний радиус, а на основании полученных данных вносят изменения в режим обработки начальной смеси. При этом воздействие СВЧ излучения на смешиваемые компоненты осуществляют при непрерывном протекании смешиваемых компонентов по трубке, помещенной в СВЧ-резонатор со скоростью, необходимой для образования стабильных коллоидных растворов. Однако этот способ не дает возможности стабилизировать уже имеющуюсю эмульсию.
Задачей данного изобретения является создание эффективной экологичной технологии приготовления стабильных эмульсий и коллоидных растворов.
Поставленная задача решается следующим образом. Предлагается способ стабилизации эмульсий и коллоидных растворов, заключающийся в уменьшении размеров капель эмульсии или коллоидных образований растворов, под воздействием на эмульсию или раствор постоянного электрического поля высокой напряженности, а результат обработки контролируется спектральными методами, и на основании полученных данных вносят изменения в процесс обработки.
Предложено контроль размеров капель эмульсии или коллоидных образований растворов осуществлять путем определения их среднего радиуса методом корреляционной спектроскопии рассеянного света.
Воздействие электрического поля на эмульсию или коллоидный раствор осуществляется при непрерывном их протекании по проводящей трубке с центральным неизолированным электродом высокого напряжения со  скоростью, необходимой для уменьшения размеров капель эмульсии или коллоидных образований, достаточного для их стабилизации. Эффект имеет место только при наличии электрофоретического движения капель или коллоидных образований.
Предложено также устройство для стабилизации эмульсий и коллоидных растворов (Фиг.1), содержащее резервуары с исходной эмульсией или коллоидным раствором (1, 2; 2 - альтернативный вариант подачи эмульсии из канистры); краны-регуляторы (3); элементы оптического контроля (4); рабочий объем обработки эмульсии или коллоидного раствора в виде заземленных металлических трубок (5); заземление (6); внутренний высоковольтный электрод трубок рабочего объема (7); изоляторы (8); источник высокого напряжения (9); приемный резервуар (10).
Процесс обработки происходит в заземленной проводящей трубке рабочего объема, содержащей центральный неизолированный электрод высокого напряжения, создающий постоянное электрическое поле, воздействующее на протекающий коллоидный раствор или эмульсию, при наличии электрофоретического движения капель или коллоидных образований.
Кроме того, предложено в качестве устройства для контроля уменьшения размеров капель и коллоидных образований использовать фотонный корреляционный спектрометр.
Таким образом, в процессе обработки эмульсий и растворов полем проводится оценка готовой продукции методом корреляционной спектроскопии рассеянного света. Этот метод позволяет определить размер капель и коллоидных образований и устойчивость готовых эмульсий или коллоидных растворов против расслаивания.
На основании полученных данных вносят изменения в технологию обработки, изменяя напряжение на центральном электроде и скорость протекания эмульсии или раствора через трубки рабочего объема.
С помощью коррелятора определяется время когерентности корреляционной функции интенсивности Те [5], которое связано с коэффициентом диффузии D:
с
2
1/τ=2Г=2Dq,
где q - волновой вектор рассеяния:
<mrow><mi>q</mi><mo>=</mo><mfrac><mrow><mn>4</mn><mi>π</mi><mi>n</mi></mrow><mi>λ</mi></mfrac><mi>sin</mi><mrow><mo>(</mo><mrow><mfrac><mi>θ</mi><mn>2</mn></mfrac></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow>
,
n - показатель преломления среды, λ - длина волны падающего света, θ -угол рассеяния,
р
Через коэффициент диффузии можно рассчитать средний радиус частиц r. Например, для сферических частиц можно использовать формулу Стокса-Эйнштейна:
<mrow><mi>D</mi><mo>=</mo><mfrac><mrow><msub><mi>k</mi><mi>B</mi></msub><mi>T</mi></mrow><mrow><mn>6</mn><mi>π</mi><mi>η</mi><msub><mi>r</mi><mi>p</mi></msub></mrow></mfrac></mrow>
,
B
р
где k - постоянная Больцмана, Т - абсолютная температура, η - сдвиговая вязкость среды, в которой взвешены частицы радиуса r.
В случае, когда взвесь или эмульсия включают частицы нескольких размеров, временная корреляционная функция оказывается суммой нескольких экспонент. В нашем случае для разложения полученной функции по экспонентам использовалась программа DynaLS [http://www.photocor.com/download/Alango/dynals-white-paper.htm], основанная на гистограммном методе с регуляризацией.
5
На фиг.2 представлены результаты обработки программой DynaLS корреляционных функций света, рассеянного эмульсией моющего средства «Золушка» в масле И20А (1.5% «Золушки» в масле), т.е. распределение по размерам капель эмульсии, до (а) и после (b) обработки в постоянном электрическом поле в течение 4 минут в проточном режиме в предложенном в настоящем патенте устройстве. Разбавление до ~ 0.015%, традиционная схема динамического рассеяния света, θ=45°. На фиг. 2 в верхней части изображено окно с графиком распределения частиц по размерам в нанометрах, а в нижней - результат анализа пиков методом регуляризации и методом кумулянтов, В первом методе мы выбираем диапазон аппроксимации с 50 по 220 канал, количество интервалов - 200, границы для вывода размеров с 0,5 по 1е+5 нм (в логарифмическом масштабе), а также уровень фона 0. Данные в таблице относятся к графику в верхней половине фиг.2. Первая колонка означает номер пика, вторая - относительную площадь данного пика, третья показывает средний по данному пику размер, четвертая колонка - позицию максимального значения, пятая означает величину стандартного отклонения. Далее в левом нижнем углу представлен результат обработки методом кумулянтов, Первая строка показывает средний размер, вторая - стандартное отклонение, третья - полидисперсность (стандартное отклонение, деленное на средний размер в квадрате), четвертая - фон, пятая - квадрат относительной остаточной ошибки. Видно, что непосредственно после обработки основной пик распределения частиц по размерам смещается влево более чем в 2 раза, т.е. средний радиус капель эмульсии уменьшился в процессе воздействия полем более чем в 2 раза и таким образом седиметационная устойчивость эмульсии увеличивается в 2раз, т.е. эмульсия стабилизируется.
Из приведенных результатов видно, что предлагаемые способ стабилизации эмульсий и коллоидных растворов и устройство для его осуществления технически реализуемы.
Источники информации
1. С. Маньин, Ж. - Б. Прюдомм, Ф. Шульц. Способ приготовления эмульгированного топлива и устройство для его осуществления. Патент РФ RU 2227155 C2 от 08.12.1999.
2. G. Sande, W. Piasecki, P.G. Nilsen. A coalescing device.// NO patent NO-316109, 2001.
3. В. Пясецкий, М. Флорковский, М. Фульчик и др. Внутрикорпусной электростатический коагулятор//АББ Ревю, 2004, №4, стр.67.
4. К.В. Коваленко, С.В. Кривохижа, Г.В. Ракаева, Л.Л. Чайков «Способ приготовления коллоидных растворов и устройство для его осуществления». Патент РФ RU 2306970, приоритет от 21.12.2005, опубл. 27.09.2007. (Прототип).
5. Г. Камминс, Э. Пайк. Спектроскопия оптического смешения и корреляция фотонов. «Мир», Москва, 1978.