液－液傳質過程中液滴內界面湍動現象

余光雄，林晗丹，焦放健，顏 俊，沙 勇

（廈門大學化學化工學院，福建 廈門361005）

在液－液相際傳質過程中，由于物質跨越界面的傳遞，可使相界面及附近的密度、表面張力等物理化學性質發生改變，從而可能導致界面流體產生流體運動，即界面湍動.通常由表面張力變化導致的表面張力梯度引發的界面湍動，稱為Marangoni對流，而由密度變化導致的重力梯度引起的界面湍動，稱為Rayleigh對流［1－2］；如果能充分利用界面湍動對界面更新的促進作用和對傳質過程的增強作用，可極大地提高傳質速率［3－4］.

由于界面湍動在臨近界面處發生，其濃度場和速度場難以測量，目前多利用紋影法、投影法、干涉法等光學測試手段，對其湍動形態進行觀察.通過利用液－液萃取傳質手段，研究者對界面湍動進行了直接光學觀察，考察了不同傳質條件下的界面湍動結構，獲取的形態眾多，結構復雜［5－12］.Guzun等［7］觀察了液－液體系傳質過程中的界面湍動現象，在水－乙酸－乙酸丁酯體系的界面上觀察到細胞對流結構.Juel等［8］研究了兩層液體中的Bénard－Marangoni對流，得到四邊形、六邊形等多種對流結構，不同傳質條件下，界面湍動結構差異顯著.目前的光學觀察研究集中在觀測平坦界面內或液滴外側空間出現的界面湍動形態，通常為湍動充分發展后的形態［13－14］，缺乏界面湍動完整的時空演化過程觀測；對于液滴內部出現的界面湍動現象則缺乏了解，原因在于液滴為圓球狀，對光線有匯聚作用，故對液滴內部出現的界面湍動無法進行直接光學觀測，尚需精巧設計的實驗以觀察液滴內部界面湍動現象及其演化過程.

本文使用放大投影法觀察了液－液體系中，溶質在單個液滴分散相與連續液相之間的傳質引發的液滴內部界面附近的界面湍動現象，以獲取液滴界面湍動現象的直接視覺證據.

1 實驗裝置和方法

實驗裝置如圖1所示，點光源發出的發散光首先通過實驗盒，若盒內液體介質在傳質過程中出現界面湍動現象，則光通過介質時，折射率發生變化，在投影屏上會出現明暗不均的投影圖像，即可通過照相機實時記錄.通用的投影觀測方法是利用平行光通過觀測介質成像，因此獲取的投影成像與光通過介質區域的大小相同，不利于觀測細節.本實驗采用LED點光源發出的發散光成像，在屏幕上得到的是光通過實驗盒介質區域的放大圖像，有利于實時記錄傳質導致的液滴界面湍動投影圖像［15］.

實驗盒由兩塊光學玻璃構成，其兩側與底部使用硅膠片密封，形成一內部空間長為12cm、寬為12cm、間距為0.6mm的狹長容器.實驗時，將實驗盒垂直放置在水平臺上，置于光源和投影屏之間，先用注射器向實驗盒中注入連續相液體，然后使用針式注射計量泵，通過平頭針管將分散相液體注入實驗盒內連續相液體內部，形成一定直徑的液滴懸浮在連續相中；關掉注射泵并迅速撤出注射針，即可觀察并記錄投影屏上由于液－液傳質導致的液滴界面湍動圖像.由于實驗盒內液層厚度僅為0.6mm，液滴形態為薄圓片，連續相液體與分散相液體之間的兩相圓形界面清晰，方便觀察液滴內部發生的界面湍動現象；此配置可視之為從球形液滴中截取一個豎直截面進行觀察，可避免圓球狀液滴對光線的匯聚干擾，同時避免了圓球狀液滴內界面湍動流動重疊所導致的觀測困難，而且此豎直截面配置包含了密度梯度變化的影響，液滴傳質過程中發生的界面湍動可包含Rayleigh對流和Marangoni對流.如將圖1實驗裝置整體旋轉90°，實驗盒水平放置，此時球形液滴即相當于從球形液滴中截取一個水平截面進行觀察，由于液層水平放置，而且很薄，此水平截面配置可忽略由密度梯度引發的Rayleigh對流，此時觀察到的界面湍動可認為只是由Marangoni對流構成.

圖1 實驗裝置示意圖Fig.1 Experimental schematic diagram

實驗的分散相液滴采用水和丙酮混合液，利用丙酮分別向甲苯和甲基異丁酮兩種連續相的擴散，改變丙酮由液滴內向外部的傳質條件，觀察液滴內部由于傳質導致的界面湍動現象.實驗在常溫常壓下進行，使用的有機溶劑均為分析純，水為去離子水.實驗前將連續相液體組分與分散相液體組分進行預飽和，以排除實驗過程中這兩者之間的傳質對溶質擴散傳質的影響.

2 實驗結果與討論

2.1 水（分散相）－丙酮（溶質）－甲苯（連續相）

此實驗體系以甲苯作為連續相，丙酮水溶液液滴作為分散相，溶質丙酮在水溶液中的起始質量分數為25%，傳質過程為丙酮從水溶液液滴向甲苯中擴散.

2.1.1 豎直截面

如圖2所示，初始液滴直徑為4mm，當傳質開始后，液滴外側上部出現了大片向上擴散的液柱，而液滴內界面四周均出現渦流胞.由于水的密度為998kg／m3，丙酮密度為790kg／m3，甲苯密度為867kg／m3，丙酮密度小于水和甲苯，丙酮在水溶液液滴向甲苯連續相的擴散中，導致液滴界面外側甲苯相的密度減小，在液滴外側上部引發了強烈的Rayleigh對流.而在液滴內側，由于丙酮的表面張力小于水，當其向外擴散時，液滴內丙酮含量減少，液滴界面張力變大，而且丙酮和水存在較大密度差，在液滴內側出現的界面湍動為Rayleigh對流和Marangoni對流綜合作用的表現.當兩液相一開始接觸，液滴內側的界面湍動立即發生，并在t＝4s時形成較為穩定的湍動結構，隨著丙酮從水溶液液滴向甲苯的傳遞，傳質強度逐漸減弱，液滴直徑逐漸變小，液滴內部湍動渦流胞逐漸減小，直至消失，在t＝132s時，液滴界面兩側界面湍動幾乎完全消失，界面清晰可見.在傳質過程中，液滴內部界面湍動局限于界面附近，尺度較小，沒有充滿整個內部空間.

圖2 丙酮從水溶液液滴向甲苯擴散過程中的界面現象Fig.2 Interfacial phenomena induced by acetone diffusion from water droplet to toluene

2.1.2 水平截面

如圖3所示，初始液滴直徑為3mm，丙酮從水溶液液滴向甲苯開始擴散后，液滴界面內側即出現Marangoni對流渦流胞結構，但受液滴尺寸限制，此Marangoni對流不能充分發展，渦流對流結構紊亂；隨著傳質的進行，液滴直徑逐漸減小，Marangoni對流強度逐漸減弱，直至166s時界面恢復成規則平穩的圓形.與圖2包含Rayleigh對流的液滴內部界面湍動現象相比，液滴內部的湍動強度大，湍動結構充滿液滴內部空間.

2.2 水（分散相）－丙酮（溶質）－甲基異丁酮（連續相）

實驗時，以甲基異丁酮作為連續相，丙酮水溶液液滴作為分散相，溶質丙酮在水溶液中的起始質量分數為25%，傳質過程為丙酮從水溶液液滴向甲基異丁酮中擴散.

圖3 丙酮從水溶液液滴向甲苯擴散過程中的Marangoni對流Fig.3 Marangoni convection induced by acetone diffusion from water droplet to toluene

2.2.1 豎直截面

初始液滴直徑為3.5mm，傳質開始時，由于丙酮表面張力小于水，導致丙酮向外擴散時液滴界面內側界面張力增大，而且丙酮和水之間存在較大密度差，在液滴內側出現的界面湍動為Rayleigh對流和Marangoni對流綜合作用的表現.然而，丙酮密度為790 kg／m3，甲基異丁酮密度為796kg／m3，兩者密度差很小，因此界面外側的Rayleigh對流較之水－丙酮－甲苯體系較弱.當擴散過程一開始，液滴界面內側立即出現規則的渦流胞結構如圖4（a）所示，這些渦流胞隨后不斷融合、生長并破裂形成新的渦流胞，且隨著擴散過程的進行，液滴界面的渦流胞逐漸變小，Marangoni對流也逐漸衰弱，液滴直徑隨時間變小、界面不斷變薄.同水－丙酮－甲苯體系類似，液滴內部界面湍動在Rayleigh對流和Marangoni對流的綜合作用下，局限于界面附近.

圖4 丙酮從水溶液液滴向甲基異丁酮擴散過程中的界面現象Fig.4 Interfacial phenomena induced by acetone diffusion from water droplet to methyl isobutyl ketone

2.2.2 水平截面

初始液滴直徑為3mm，當丙酮水溶液液滴在甲基異丁酮中形成時，由于丙酮向甲基異丁酮連續相的擴散，在液滴內部出現界面湍動Marangoni對流.由圖5（a）所示，傳質開始時液滴內部即形成 Marangoni渦流胞，這些渦流胞相互作用，不斷融合破裂，強度劇烈充滿液滴內部空間，隨著傳質過程進行，Marangoni渦流胞減小且強度減弱，液滴直徑也不斷減小，直至液滴內部空間平穩.與圖4中 Marangoni對流與Rayleigh對流同時發生時的界面湍動現象比較可知，在液滴內部僅存Marangoni對流時，界面湍動更為劇烈.

圖5 丙酮從水溶液液滴向甲基異丁酮擴散過程中的Marangoni對流Fig.5 Marangoni convection induced by acetone diffusion from water droplet to methyl isobutyl ketone

3 結 論

在水－丙酮－甲苯和水－丙酮－甲基異丁酮兩種體系中，液滴內部界面湍動現象放大投影觀察結果表明，液滴內部的界面湍動強烈，對傳質有強烈的促進作用.Marangoni對流單獨作用下的液滴內部界面湍動強度大，可充滿整個液滴內部，而當 Marangoni對流與Rayleigh對流耦合存在時，液滴內部界面湍動強度較小，僅存在于液滴界面內側附近，不能充滿整個液滴內部空間.

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