超亲水/超疏水非对称微通道中甘油/甲酯乳液破乳分离研究

甘油（水相）/脂肪酸甲酯（油相）乳液快速分离是实现生物柴油生产反应分离耦合的关键，采用超亲水/超疏水非对称界面组成的微通道可以实现这个油水乳液体系的快速聚并分离。本项目利用仿生学原理，制备TiO2表面直立纳微阵列材料，通过对阵列材料进行亲水接枝和疏水封闭制得超亲水和超疏水界面材料，构建超亲水/疏水非对称界面微通道进行甘油/甲酯乳液的分离。通过对超亲水/超疏水界面材料制备原理、界面性质、非对称微通道中流体力学行为、乳液液滴聚并和传输行为的研究，建立微通道约束下的流体力学模型、液滴运动模型及聚并模型，实现液滴的快速聚并分离。本研究结果，将对微通道内界面作用原理、非均匀流场及非对称界面约束下的流体力学模型求解提供有益的尝试和探索，并奠定甘油/甲酯乳液等油水乳化体系的快速分离方法的理论基础。

甘油（水相）/脂肪酸甲酯（油相）乳液快速分离是实现生物柴油生产反应分离耦合的关键，采用超亲水/超疏水非对称界面组成的微通道可以实现这个油水乳液体系的快速聚并分离。本项目完成了多种超亲水、超疏水界面的构造方法研究，建立了油/水乳液快速分离微结构装置，探讨了油、水介质在超亲水、超疏水非对称界面上的流动和分散特性，提出了油/水乳化液滴的聚并条件和分离机制，建立了一套非对称表面微小通道快速破乳分离油/水乳液的方法并用于生物柴油酯交换反应中的反应分离耦合过程。.1. 提出了用一种具有规则孔洞结构的新的模板构建具有较高粗糙度的纳/微分级结构表面。利用这种模板用化学镀的方法得到了超亲水的金属镍、铜阵列材料，这些材料表面经过氟硅烷修饰后，转化为具有超疏水特性，并具有很好的稳定性和耐腐蚀性。这些超疏水表面同时具有很好的亲油性。用涂覆的方法得到了超亲水的二氧化钛阵列材料。解释了这种方法构建超亲水超疏水特性表面及其稳定性的机制。.2. 用电化学腐蚀的方法在不同基体（锌、铝、不锈钢）上得到了亲水表面，亲水表面经氟硅烷修饰后，转化为具有超疏水特性，同时具有很好的亲油性。深入讨论了腐蚀液的电化学特性对材料表面结构、亲疏水特性的影响规律。.3.建立了多种疏水亲油-亲水型不同表面(如聚四氟乙烯PTFE和不锈钢SS材料PTFE-SS、PTFE-PTFE、SS-SS)构型的微通道破乳装置，发现壁面的疏水亲油性是微通道破乳水包油乳状液的先决条件。增大乳状液平均粒径、提高乳状液含油率、提高乳状液流速（2~10 mL/min流速范围）、缩短微通道高度、增加微通道长度，可以提高微通道的破乳效率。.4. 将疏水亲油-亲水型微通道用于破乳生物柴油酯交换产物体系和水包油乳状液，可以实现生物柴油生产体系中产物和副产物的快速分离。.5. 总结出“液滴的毛细管数（Ca）尽可能接近临界值（Cacri）促进液滴聚并”、“使液滴处于限制流促进液滴聚并并使其向壁面运动”、“壁面滑移作用降低壁面处的剪切力使液滴能够接触壁面”这三个利于微通道破乳的关键因素。据此提出了微通道的“限制聚并”破乳原理。.6. 计算结果表明壁面滑移现象会使疏水亲油-亲水型微通道内出现非对称流速分布，液滴在通道内会具有向疏水亲油壁面运动的趋势，从而产生疏水亲油-亲水微通道的“额外”破乳效果。