余光雄，林晗丹，焦放健，顏 俊，沙 勇

（廈門大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院，福建 廈門361005）

在液－液相際傳質(zhì)過程中，由于物質(zhì)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(xué)性質(zhì)發(fā)生改變，從而可能導(dǎo)致界面流體產(chǎn)生流體運(yùn)動，即界面湍動.通常由表面張力變化導(dǎo)致的表面張力梯度引發(fā)的界面湍動，稱為Marangoni對流，而由密度變化導(dǎo)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(jìn)作用和對傳質(zhì)過程的增強(qiáng)作用，可極大地提高傳質(zhì)速率［3－4］.

由于界面湍動在臨近界面處發(fā)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(xué)測試手段，對其湍動形態(tài)進(jìn)行觀察.通過利用液－液萃取傳質(zhì)手段，研究者對界面湍動進(jìn)行了直接光學(xué)觀察，考察了不同傳質(zhì)條件下的界面湍動結(jié)構(gòu)，獲取的形態(tài)眾多，結(jié)構(gòu)復(fù)雜［5－12］.Guzun等［7］觀察了液－液體系傳質(zhì)過程中的界面湍動現(xiàn)象，在水－乙酸－乙酸丁酯體系的界面上觀察到細(xì)胞對流結(jié)構(gòu).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(jié)構(gòu)，不同傳質(zhì)條件下，界面湍動結(jié)構(gòu)差異顯著.目前的光學(xué)觀察研究集中在觀測平坦界面內(nèi)或液滴外側(cè)空間出現(xiàn)的界面湍動形態(tài)，通常為湍動充分發(fā)展后的形態(tài)［13－14］，缺乏界面湍動完整的時空演化過程觀測；對于液滴內(nèi)部出現(xiàn)的界面湍動現(xiàn)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(nèi)部出現(xiàn)的界面湍動無法進(jìn)行直接光學(xué)觀測，尚需精巧設(shè)計的實(shí)驗(yàn)以觀察液滴內(nèi)部界面湍動現(xiàn)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(zhì)在單個液滴分散相與連續(xù)液相之間的傳質(zhì)引發(fā)的液滴內(nèi)部界面附近的界面湍動現(xiàn)象，以獲取液滴界面湍動現(xiàn)象的直接視覺證據(jù).

1 實(shí)驗(yàn)裝置和方法

實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示，點(diǎn)光源發(fā)出的發(fā)散光首先通過實(shí)驗(yàn)盒，若盒內(nèi)液體介質(zhì)在傳質(zhì)過程中出現(xiàn)界面湍動現(xiàn)象，則光通過介質(zhì)時，折射率發(fā)生變化，在投影屏上會出現(xiàn)明暗不均的投影圖像，即可通過照相機(jī)實(shí)時記錄.通用的投影觀測方法是利用平行光通過觀測介質(zhì)成像，因此獲取的投影成像與光通過介質(zhì)區(qū)域的大小相同，不利于觀測細(xì)節(jié).本實(shí)驗(yàn)采用LED點(diǎn)光源發(fā)出的發(fā)散光成像，在屏幕上得到的是光通過實(shí)驗(yàn)盒介質(zhì)區(qū)域的放大圖像，有利于實(shí)時記錄傳質(zhì)導(dǎo)致的液滴界面湍動投影圖像［15］.

實(shí)驗(yàn)盒由兩塊光學(xué)玻璃構(gòu)成，其兩側(cè)與底部使用硅膠片密封，形成一內(nèi)部空間長為12cm、寬為12cm、間距為0.6mm的狹長容器.實(shí)驗(yàn)時，將實(shí)驗(yàn)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?qū)嶒?yàn)盒中注入連續(xù)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(shí)驗(yàn)盒內(nèi)連續(xù)相液體內(nèi)部，形成一定直徑的液滴懸浮在連續(xù)相中；關(guān)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(zhì)導(dǎo)致的液滴界面湍動圖像.由于實(shí)驗(yàn)盒內(nèi)液層厚度僅為0.6mm，液滴形態(tài)為薄圓片，連續(xù)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(nèi)部發(fā)生的界面湍動現(xiàn)象；此配置可視之為從球形液滴中截取一個豎直截面進(jìn)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(nèi)界面湍動流動重疊所導(dǎo)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(zhì)過程中發(fā)生的界面湍動可包含Rayleigh對流和Marangoni對流.如將圖1實(shí)驗(yàn)裝置整體旋轉(zhuǎn)90°，實(shí)驗(yàn)盒水平放置，此時球形液滴即相當(dāng)于從球形液滴中截取一個水平截面進(jìn)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(fā)的Rayleigh對流，此時觀察到的界面湍動可認(rèn)為只是由Marangoni對流構(gòu)成.

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置示意圖Fig.1 Experimental schematic diagram

實(shí)驗(yàn)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(xù)相的擴(kuò)散，改變丙酮由液滴內(nèi)向外部的傳質(zhì)條件，觀察液滴內(nèi)部由于傳質(zhì)導(dǎo)致的界面湍動現(xiàn)象.實(shí)驗(yàn)在常溫常壓下進(jìn)行，使用的有機(jī)溶劑均為分析純，水為去離子水.實(shí)驗(yàn)前將連續(xù)相液體組分與分散相液體組分進(jìn)行預(yù)飽和，以排除實(shí)驗(yàn)過程中這兩者之間的傳質(zhì)對溶質(zhì)擴(kuò)散傳質(zhì)的影響.

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 水（分散相）－丙酮（溶質(zhì)）－甲苯（連續(xù)相）

此實(shí)驗(yàn)體系以甲苯作為連續(xù)相，丙酮水溶液液滴作為分散相，溶質(zhì)丙酮在水溶液中的起始質(zhì)量分?jǐn)?shù)為25%，傳質(zhì)過程為丙酮從水溶液液滴向甲苯中擴(kuò)散.

2.1.1 豎直截面

如圖2所示，初始液滴直徑為4mm，當(dāng)傳質(zhì)開始后，液滴外側(cè)上部出現(xiàn)了大片向上擴(kuò)散的液柱，而液滴內(nèi)界面四周均出現(xiàn)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(xù)相的擴(kuò)散中，導(dǎo)致液滴界面外側(cè)甲苯相的密度減小，在液滴外側(cè)上部引發(fā)了強(qiáng)烈的Rayleigh對流.而在液滴內(nèi)側(cè)，由于丙酮的表面張力小于水，當(dāng)其向外擴(kuò)散時，液滴內(nèi)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(nèi)側(cè)出現(xiàn)的界面湍動為Rayleigh對流和Marangoni對流綜合作用的表現(xiàn).當(dāng)兩液相一開始接觸，液滴內(nèi)側(cè)的界面湍動立即發(fā)生，并在t＝4s時形成較為穩(wěn)定的湍動結(jié)構(gòu)，隨著丙酮從水溶液液滴向甲苯的傳遞，傳質(zhì)強(qiáng)度逐漸減弱，液滴直徑逐漸變小，液滴內(nèi)部湍動渦流胞逐漸減小，直至消失，在t＝132s時，液滴界面兩側(cè)界面湍動幾乎完全消失，界面清晰可見.在傳質(zhì)過程中，液滴內(nèi)部界面湍動局限于界面附近，尺度較小，沒有充滿整個內(nèi)部空間.

圖2 丙酮從水溶液液滴向甲苯擴(kuò)散過程中的界面現(xiàn)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(kuò)散后，液滴界面內(nèi)側(cè)即出現(xiàn)Marangoni對流渦流胞結(jié)構(gòu)，但受液滴尺寸限制，此Marangoni對流不能充分發(fā)展，渦流對流結(jié)構(gòu)紊亂；隨著傳質(zhì)的進(jìn)行，液滴直徑逐漸減小，Marangoni對流強(qiáng)度逐漸減弱，直至166s時界面恢復(fù)成規(guī)則平穩(wěn)的圓形.與圖2包含Rayleigh對流的液滴內(nèi)部界面湍動現(xiàn)象相比，液滴內(nèi)部的湍動強(qiáng)度大，湍動結(jié)構(gòu)充滿液滴內(nèi)部空間.

2.2 水（分散相）－丙酮（溶質(zhì)）－甲基異丁酮（連續(xù)相）

實(shí)驗(yàn)時，以甲基異丁酮作為連續(xù)相，丙酮水溶液液滴作為分散相，溶質(zhì)丙酮在水溶液中的起始質(zhì)量分?jǐn)?shù)為25%，傳質(zhì)過程為丙酮從水溶液液滴向甲基異丁酮中擴(kuò)散.

圖3 丙酮從水溶液液滴向甲苯擴(kuò)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(zhì)開始時，由于丙酮表面張力小于水，導(dǎo)致丙酮向外擴(kuò)散時液滴界面內(nèi)側(cè)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(nèi)側(cè)出現(xiàn)的界面湍動為Rayleigh對流和Marangoni對流綜合作用的表現(xiàn).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(cè)的Rayleigh對流較之水－丙酮－甲苯體系較弱.當(dāng)擴(kuò)散過程一開始，液滴界面內(nèi)側(cè)立即出現(xiàn)規(guī)則的渦流胞結(jié)構(gòu)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(kuò)散過程的進(jìn)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(nèi)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(kuò)散過程中的界面現(xiàn)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(dāng)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(xù)相的擴(kuò)散，在液滴內(nèi)部出現(xiàn)界面湍動Marangoni對流.由圖5（a）所示，傳質(zhì)開始時液滴內(nèi)部即形成 Marangoni渦流胞，這些渦流胞相互作用，不斷融合破裂，強(qiáng)度劇烈充滿液滴內(nèi)部空間，隨著傳質(zhì)過程進(jìn)行，Marangoni渦流胞減小且強(qiáng)度減弱，液滴直徑也不斷減小，直至液滴內(nèi)部空間平穩(wěn).與圖4中 Marangoni對流與Rayleigh對流同時發(fā)生時的界面湍動現(xiàn)象比較可知，在液滴內(nèi)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(kuò)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(jié) 論

在水－丙酮－甲苯和水－丙酮－甲基異丁酮兩種體系中，液滴內(nèi)部界面湍動現(xiàn)象放大投影觀察結(jié)果表明，液滴內(nèi)部的界面湍動強(qiáng)烈，對傳質(zhì)有強(qiáng)烈的促進(jìn)作用.Marangoni對流單獨(dú)作用下的液滴內(nèi)部界面湍動強(qiáng)度大，可充滿整個液滴內(nèi)部，而當(dāng) Marangoni對流與Rayleigh對流耦合存在時，液滴內(nèi)部界面湍動強(qiáng)度較小，僅存在于液滴界面內(nèi)側(cè)附近，不能充滿整個液滴內(nèi)部空間.

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