大豆油微乳液冰浆的制备及其性能研究.pdf
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1、第 44 卷 第 5 期2023 年 10 月大豆油微乳液冰浆的制备及其性能研究Vol.44,No.5October,2023文章编号:0253-4339(2023)05-0139-07doi:10.3969/j.issn.0253-4339.2023.05.139大豆油微乳液冰浆的制备及其性能研究吴 欣 孙志高(苏州科技大学环境科学与工程学院 苏州 215009)摘 要 冰浆具有良好的储冷和流动换热能力,应用前景广阔。本文选择大豆油作为油相,复配 Tween80 和 AEO-3 为表面活性剂,戊醇为助表面活性剂,用 Shah 法制备了微乳液。实验研究了油相与表面活性剂的质量比、表面活性剂的
2、HLB 值、表面活性剂和助表面活性剂的质量比(Km 值)对微乳液增溶水量的影响,筛选出了微乳液制备的最佳配比:油相与表面活性剂的质量比为 14,Tween80 与 AEO-3 的质量比为 64(HLB 值为 11.6),Km 值为 21。选择该配比下含水量为 50%的微乳液,对其粒径、电导率和稳定性进行了测试分析。利用该微乳液制备了冰浆,研究了冰浆的蓄冰率、表观粘度和循环稳定性。实验结果表明,50%含水量的大豆油微乳液为 W/O 型微乳液,循环稳定性良好,且制备的微乳液冰浆有较高的蓄冰率和良好的流动性。关键词 微乳液;冰浆;蓄冰率;循环稳定性;大豆油中图分类号:TB34;TB61+1;TK02
3、文献标识码:APreparation and Properties of Soybean Oil Microemulsion Ice SlurryWu Xin Sun Zhigao(School of Environment Science and Engineering,Suzhou University of Science and Technology,Suzhou,215009,Jiangsu,China)Abstract Ice slurry has good application prospects owing to its good cold thermal energy st
4、orage capacity and flow heat transfer ability.In this study,soybean oil microemulsions were prepared using the Shah method,where soybean oil was used as the oil phase,Tween80 and AEO-3 as surfactants,and amyl alcohol as a cosurfactant.The influence of the mass ratio of the oil phase to the surfactan
5、t,HLB value of the surfactant,and mass ratio of surfactant to cosurfactant(Km value)on the water increase in the microemulsion was investigated experimentally.The optimum ratio of the microemulsion was obtained,where the mass ratio of the oil phase to surfactant,the mass ratio of Tween80 to AEO-3,an
6、d the Km valuewere 1 4,6 4(HLB value 11.6),and 2 1,respectively.The properties and structure of the microemulsions were analyzed in terms of particle size,electrical conductivity,and stability.Ice slurry was prepared using the microemulsion.The ice storage rate,apparent viscosity,and cycle stability
7、 of the ice slurry prepared using the microemulsion were tested and analyzed.The experimental results show that the soybean oil microemulsion with 50%water content is a W/O microemulsion with good stability.The prepared microemulsion ice slurry exhibits a good ice storage rate and fluidity.Keywords
8、microemulsion;ice slurry;ice storage rate;cycling stability;soybean oil 收稿日期:2022-07-20;修回日期:2022-09-01 冰浆是由冰晶粒子和水构成的一种蓄冷介质1-3,具有较大的冷量储存能力,传热性能良好,广泛应用于建筑储能与节能、食品保鲜、矿井降温及医疗等行业4-5。冰浆的制备研究主要在两方面,即蓄冰技术的研究和蓄冰介质的研究。蓄冰技术可分为静态制冰和动态制冰两种。静态制冰蓄冷系统主要有冰盘管式、完全冻结式和冰球式蓄冷系统等;动态制冰蓄冷系统包括过冷法制冰、壁面刮削法制冰、真空喷射式制冰、直接接触式制冰和流
9、化床法制冰等6-7。由于动态制冰技术中过冷法制冰具有系统简单且传热效率高的优点,本文采用过冷法制备冰浆。传统以水为介质制备冰浆存在制冰效率低、黏附壁面等缺点8-10,为有效解决上述问题,近年来研究用纳米流体、乳液、微乳液等介质制备冰浆。郑钦月等11研究了表面活性剂种类对纳米流体真空制冰的影响,发现以纳米 Fe2O3作为制冰工质添加剂,CTAB作为表面活性剂的制冰效果优良。杨明明12以液体石蜡乳液为介质制备了冰浆,结果表明乳液冰浆具有良好的重复性,具有较高的含冰率。朱先伟等13以十二烷微乳液为介质制备了冰浆,实验结果表明微乳液冰浆未黏附壁面,具有良好的流动性,在制冰/融冰过程中稳定性良好。与乳液
10、相比,微乳液具有更好的稳定性,可长期使用,在冰浆制备方面更具优势。微931第 44 卷 第 5 期2023 年 10 月制 冷 学 报Journal of RefrigerationVol.44,No.5October,2023乳液冰浆制备的文献还很少,近年来发表的用于制备冰浆的微乳液类型大多为 O/W 型,W/O 型微乳液制备冰浆研究较少。本文以大豆油为油相制备了 W/O型微乳液,并以此为介质制备了冰浆,探讨微乳液和冰浆制备的影响因素,优化微乳液冰浆的制备。1 实验部分1.1 实验材料 实验材料主要包括油相(大豆油)、表面活性剂(Tween80 和 AEO-3)、助表面活性剂(戊醇)。具体实
11、验材料如表 1 所示。表 1 实验材料Tab.1 Experimental materials实验材料纯度生产厂商大豆油试剂级上海麦克林生化试剂有限公司Tween80化学纯国药化学试剂有限公司AEO-399%青岛优索化学科技公公司戊醇99%上海麦克林生化试剂有限公司蒸馏水实验室自制1.2 实验装置 微乳液冰浆制备实验装置如图 1 所示,主要由高低温试验箱、搅拌器、安捷伦数据采集器、T 型热电偶、计算机等组成。高低温试验箱的控温范围为-40120,温度波动度为0.3。图 1 实验装置Fig.1 Experimental apparatus1.3 微乳液的制备 微乳液的制备主要有加水法(Shah
12、法)14-15和加助表面活性剂法(Schulman 法)16。由于加助表面活性剂法临界点不易判断,故本文采用加水法制备大豆油微乳液。具体步骤如下:将油相、表面活性剂和助表面活性剂按一定质量比混合均匀,在恒温25 下边搅拌边逐滴加入去离子水,观察体系由浊至清或由清至浊的现象,记录临界点时的各组分百分比。为了筛选大豆油微乳液的最佳配比,本文以最大增溶水量17为指标,用单因素轮换法进行实验。1.4 微乳液体系筛选1.4.1 油相与表面活性剂质量比的确定 首先固定 Km 值为 1 1和 Tween80 与 AEO-3 的质量比为 5 5(HLB 值为 10.5),通过实验研究油相与表面活性剂的质量比分
13、别在 2 1、1 1、1 2、1 3、14、15、16、17、1 8、1 9时增溶的水量,结果发现油相与表面活性剂的质量比小于 1 3均能增溶较大的水量,但从经济性和稳定性考虑,选择油相与表面活性剂的质量比为 14。1.4.2 HLB 值的确定 固定 Km 值为11和油相与表面活性剂质量比为14,实验研究 Tween80 和 AEO-3 的质量比分别为91、82、73、64、55、46、37、28、9 1时大豆油微乳液的增溶水量,Tween80 和AEO-3 的质量比在64时增溶的水量最大,所以选择 Tween80 和 AEO-3 的质量比为 64,此时混合表面活性剂的 HLB 值为 11.6
14、。1.4.3 Km 值的确定 固定油相与表面活性剂质量比为 14和 Tween80与 AEO-3 的质量比为 64,实验研究表面活性剂与助表面活性剂的质量比(Km 值)分别为 12、11、21和31时大豆油微乳液的增溶水量,发现 Km 值为 21时大豆油微乳液能增溶水量最大,选择 Km 值为 21制备微乳液。1.4.4 增溶水量的确定 综上筛选出油相与表面活性剂的质量比为 1 4,Tween80 与 AEO-3 的质量比为 64,Km 值为 21的助表面活性剂,制备微乳液。利用微乳液制备冰浆,研究不同含水量的大豆油微乳液制备冰浆黏附壁面的情况和冰浆制备效率,选择以增溶 50%水量的大豆油微乳液
15、为制备冰浆的介质。1.5 冰浆的制备 利用过冷法制备微乳液冰浆,步骤如下:将 50%含水量的大豆油微乳液置于高低温实验箱,设定恒温空气浴温度为-5,微乳液逐渐被冷却,微乳液在冷却过程中边冷却边用搅拌机搅拌,保证微乳液温度均匀。经过一段时间后微乳液冷却结晶制备成冰浆。1.6 冰浆蓄冰率的确定 将图 1 保温杯中称量的热水与微乳液冰浆混合均匀,根据能量守恒定律,保温杯中的热水释放的热量与微乳液冰浆融化吸收的热量相等。微乳液冰浆的蓄冷量包括:大豆油、Tween80、AEO-3 和戊醇的显热;冰晶融化前和融化后水的显热;冰晶的融化潜热;041第 44 卷 第 5 期2023 年 10 月大豆油微乳液冰
16、浆的制备及其性能研究Vol.44,No.5October,2023微乳液中未制成冰的水的显热。蓄冷量的计算式为:Q=(Te-Tb)(como+cs1ms1+cs2ms2+ccmc)+(Td-Tb)cw(mw-mi)+cimi+miHi+(Te-Td)cwmw(1)式中:Q 为微乳液冰浆的蓄冷量,kJ;Hi为冰的融化热,kJ/kg;Tb、Td、Te分别为微乳液冰浆的初始温度、融化温度和稳定后的平衡温度,;c 为比热容,kJ/(kg );m 为质量,kg;下标 o、s1、s2、c、w、i 分别代表大豆油、Tween80、AEO-3、戊醇、水和冰。热水释放的热量为:Qh=Q+QL=(Th-Te)cw
17、mh(2)式中:Qh为热水释放的热量,kJ;Q 为微乳液冰浆的吸收的热量,kJ;Th为热水混合前的温度,;mh为热水的质量,kg;QL为热水和冰浆混合过程中的热量损失,kJ。实验用的保温杯的保温性能良好,且外面还有一层保温装置,在短时间内可忽略热量损失。因而式(2)可简化为:Qh=Q=(Th-Te)cwmh(3)根据式(1)和式(3)可以计算出浆体的蓄冰率:蓄冰率=mimo+ms1+ms2+mc+mw=(Th-Te)cwmh-(Te-Tb)(como+cs1ms1+cs2ms2+ccmc+cwmw)(Td-Tb)(ci-cw)+Hi(mo+ms1+ms2+mc+mw)(4)2 结果与讨论2.1
18、 微乳液的表征2.1.1 微乳液的粒径 微乳液的粒径通常为 10100 nm18-19。采用马尔文激光密度仪对所制备的微乳液进行粒径测试,判断其粒径是否在上述范围内。图 2 所示为 50%含水量的大豆油微乳液的粒径分布,制备的微乳液的平均粒径为 91.82 nm,在微乳液粒径的范围内,表明所制备为微乳液。2.1.2 微乳液的电导率 微乳液的类型可通过电导率法20和染色法21来判断其类型,微乳液通常分为 W/O、O/W 和双连续三种类型。根据渗滤电导模型22,随着含水量的增加,可以把电导率曲线分为上升、平缓和下降三个阶段,三个阶段也分别对应了 W/O、双连续和 O/W三种类型,这是电导率法判断微
19、乳液类型的理论依据。图 3 所示为大豆油微乳液随含水量的增加电导率的变化,当含水量增至 25%后,随着含水量的增加,电导率迅速上升,此时微乳液为 W/O 型,这是因图 2 大豆油微乳液的粒径分布Fig.2 Particle size distribution of soybean oil microemulsion为含水量增大意味着油包水型微乳液滴的浓度增大,导致液滴间频繁发生碰撞,产生水通道,形成导电链,使溶液导电能力迅速上升。但当含水量达到约 58%时,电导率的增加趋势变缓,直至体系的电导率达到最大值(含水率为 68%),此时微乳液为双连续型,这是因为双连续中水通道和油通道形成交错的网络,
20、油不导电,导电链减少,使溶液导电率增长缓慢。电导率在达到最大后继续增加含水量,电导率开始缓慢下降,此时微乳液变为 O/W 型,这是因为水包油型微乳液的浓度因水的稀释而逐渐降低,液滴之间的相互作用变小,电导率缓慢下降。由图 3 可知,本文制备的 50%含水量的微乳液为 W/O 型微乳液。该微乳液的表观粘度为 25 mPas,远大于水的粘度 0.89 mPa s,也间接说明微乳液为 W/O 型。图 3 大豆油微乳液电导率Fig.3 Electrical conductivity of soybean oil microemulsion2.1.3 微乳液的储存稳定性 微乳液是否保持澄清透明是判别其稳
21、定性的主要方法23-24。将 50%含水量的大豆油微乳液样品封闭放置在室温下贮存90 d,观察大豆油微乳液的稳定性。图 4 从左至右分别为大豆油微乳液储存 30、60、90 d 的图片,微乳液依旧澄清透明,未发生分层现象,说明微乳液具有良好的稳定性。141第 44 卷 第 5 期2023 年 10 月制 冷 学 报Journal of RefrigerationVol.44,No.5October,2023图 4 微乳液储存后的状态Fig.4 State of microemulsion after storage2.2 冰浆的表征2.2.1 冰浆的凝固和融化特性 图 5 所示为大豆油微乳液在
22、环境温度为-5 下的凝固和 10 下的融化曲线,大豆油微乳液冰浆的相变温度为-1.6,过冷度为 0.6。微乳液冰浆的相变温度低于 0,可能是微乳液制备过程中添加了戊醇所致。微乳液冰浆在蓄冰 0.5 h 后融化,融化温度为-0.1,初始微乳液冰浆释放显热冷量,温度逐渐升至-0.1,然后微乳液冰浆释放潜热冷量,温度保持不变,最后体系中无冰晶粒子,微乳液与壁面对流换热,温度再次升高。图 6 所示为大豆油微乳液制备的冰浆在静置和流动时的状态,微乳液冰浆在制备过程中未黏附壁面,流动性良好,故 50%含水量的大豆油微乳液可用于冰浆的制备。图 5 微乳液冰浆凝固和融化过程曲线Fig.5 Solidifica
23、tion and melting curves of microemulsion ice slurry2.2.2 冰浆的蓄冰率 蓄冰率是影响冰浆性能的重要因素25。图 7 所示为微乳液冰浆的蓄冰率随蓄冰时间的变化。在冰浆制备的初始阶段,热阻较小,微乳液冰浆的蓄冰率随时间的增加而快速增加,但随着冰浆制备时间的增加,热阻变大,蓄冰率增加变得缓慢。在冰浆制备2 h之前,蓄冰率的增长速度快,为冰浆快速生成阶段。但由于本文的含水量只有 50%,冰浆制备 2 h 的蓄冰图 6 微乳液冰浆静置和流动状态Fig.6 Static and flowing state of microemulsion ice s
24、lurry图 7 微乳液冰浆的蓄冰率Fig.7 Ice storage rate of microemulsion ice slurry率达到 27%,此时蓄冰率已经很大。故 2 h 后冰浆的蓄冰率增长速度开始下降,进入冰浆缓慢生成阶段。图 8 微乳液冰浆的表观粘度Fig.8 Apparent viscosity of microemulsion ice slurry2.2.3 冰浆的表观粘度 冰浆的粘度也是影响冰浆性能的重要因素26,图 8 所示为大豆油微乳液冰浆的表观粘度随蓄冰时间的变化。表观粘度随蓄冰时间的增加而上升,这与冰浆的蓄冰率增加是一致的。在 2 h 之前表观粘度的增长十分缓慢,
25、但 1.5 h 之后表观粘度增长迅速(对应的蓄冰率为 24%)。对比图 7 中蓄冰率随蓄冰时间的变化,冰浆的表观粘度着蓄冰率的增长而增长,但蓄冰率较低时表观粘度增加较慢。这是由于蓄冰率越低的冰浆溶液中冰晶粒径增长越慢;但随着蓄冰率的增加,冰晶的粒径增长变快,冰浆的粘度上升,流动性也随之变差27。241第 44 卷 第 5 期2023 年 10 月大豆油微乳液冰浆的制备及其性能研究Vol.44,No.5October,20232.2.4 微乳液冰浆制备/融化过程中的循环稳定性 将微乳液在-5 和 30 两个温度下分别进行冰浆的形成和融化实验,研究微乳液的稳定性,共进行了 300 次的循环实验。图
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