更多内容请点击

水力空化在乳液制备领域的应用研究进展

董波 ,  王智峰 ,  侯凯军 ,  徐振 ,  王逸伟 ,  郭绪强

现代化工 ›› 2025, Vol. 45 ›› Issue (S2) : 69 -73.

PDF (2408KB)
现代化工 ›› 2025, Vol. 45 ›› Issue (S2) : 69-73. DOI: 10.16606/j.cnki.issn0253-4320.2025.S2.013
技术进展

水力空化在乳液制备领域的应用研究进展

作者信息 +

Research progress on application of hydrodynamic cavitation in emulsion preparation

Author information +
文章历史 +
PDF (2465K)

摘要

阐述了水力空化的原理及其空化效应,以及该项技术在乳液制备方面的乳化作用机制;此外,分类综述了近10年来水力空化在乳液制备领域的应用研究进展,并对其进行了总结,展望了未来研究方向。

Abstract

The principle and cavitation effects of hydrodynamic cavitation technology are expounded,and the emulsification mechanism of this technology in the preparation of emulsions is described.Furthermore,the latest research progress on the application of hydrodynamic cavitation technology in the emulsion preparation field over the recent decade is categorically reviewed and summarized.Also,the research directions in hydrodynamic cavitation technology for preparing emulsion in the future are prospected.

Graphical abstract

关键词

水力空化 / 研究进展 / 乳液制备 / 技术应用 / 空化效应

Key words

hydrodynamic cavitation / research progress / emulsion preparation / technical application / cavitation effect

引用本文

引用格式 ▾
董波,王智峰,侯凯军,徐振,王逸伟,郭绪强. 水力空化在乳液制备领域的应用研究进展[J]. , 2025, 45(S2): 69-73 DOI:10.16606/j.cnki.issn0253-4320.2025.S2.013

登录浏览全文

4963

注册一个新账户 忘记密码

乳化是将一种液体以微小液滴的形式分散到另一种不混溶液体中的过程,是食品、保健品、化妆品、制药和化学加工中的常见过程[1]。生产的乳状液的类型(油包水或水包油,通常缩写为W/O或 O/W)主要取决于2种液体的体积比、液体的添加顺序和乳化剂的性质。乳液制备的技术和设备多种多样,包括机械搅拌容器、高速分散机、高压均质器、胶体磨、超声波、膜、微通道、水力空化等[2]。根据在工业和实验室生产中的用途,常用乳液生产设备大致可归为2类。搅拌容器、高压均质器和高速分散机被归类为工业生产设备,高能耗和设备复杂、昂贵是主要的缺点;膜和超声波则被归类为实验室规模的开发设备,存在能量需求高、规模化难度大、成本高等缺点。水力空化因在设备放大与能效上具有明显优势,为在实验室和工业规模上生产液-液乳状液提供了一种有吸引力的选择[3]。

1 水力空化原理及其空化效应

水力空化的原理是液体流过收缩装置(如孔板、文丘里管、节流阀等)时,液体速度增加,局部压力下降,当压力降至饱和蒸气压以下,引起液体闪蒸,产生大量气化泡;而随着液体的流动,液体压力逐步恢复,产生的空泡膨胀、急速塌陷[4]。由于空泡塌缩内爆会释放出巨大的能量,产生各种空化效应,从而引发物理和化学转变[5]。因此,近些年来,水力空化在废水处理、生物柴油制备、食品加工、脱硫脱硝、乳液制备等领域被广泛研究及应用[6-7]。
空化泡溃灭时所产生的巨大能量主要表现为以下3种效应[7-8]。
(1)机械效应。空泡溃灭时产生强大的冲击波和高速微射流(最大速度可达150 m/s以上),从而在液体中形成强烈的扰动、湍流、破碎和巨大的剪切力等机械效应。
(2)热效应。空泡溃灭时形成局部“热点”,气泡内部温度可达5 200 K;气-液交界面上的温度可达1 900 K。
(3)化学效应。空泡溃灭所形成的高温、高压条件导致高分子分解、化学键断裂和自由基产生等一系列反应。

2 水力空化乳化作用机制

水力空化制备乳状液的乳化作用机制主要是利用其机械效应[9]。在水力空化乳化过程中,连续相中产生空化气泡,液-液两相边界附近的空泡发生溃灭,产生高速微射流和高强度的局部微湍流等机械效应,致使分散相逐步被剪切、破碎成细小的液滴;在乳化剂分子的作用下,均匀地分散在连续相中,最终达到稳定的液滴尺寸分布,形成稳定的乳状液。相较于其他乳液制备方法,水力空化产生的空化现象可以在分子水平上耗散能量,从而增强液滴破裂和分散所需的混合程度[5]。空化的机械效应提高了液滴的破碎率,改善了液滴的尺寸分布,甚至将分散相的液滴破碎成纳米级。因此,近年来水力空化成为一种制备O/W型纳米乳液的有前途且高效的均质技术,并取得了一些积极的结果[10]。

3 水力空化乳化装置

目前,水力空化制备O/W型乳状液技术主要集中在应用研究方面,主要考察了空化装置的结构和操作参数、体系的物化性质等对于所制备乳状液的液滴粒径和物理稳定性的影响。同时,研究最多的水力空化发生装置主要包括孔板型、文丘里管型、涡流型、旋转型等[11]。基于此,本文中将从水力空化装置类型的角度出发,分类综述水力空化制备 O/W型乳状液技术的研究进展,旨在为相关研究者提供一定的借鉴与指导。

3.1 孔板和文丘里管型水力空化装置

孔板和文丘里管是应用最为广泛的水力空化装置,它们可以在低能量输入下产生理想的空化强度,并且没有动态运动部件[5]。Ramisetty等[12]应用水力空化装置制备水包椰油乳状液,实验装置如图1所示,主管路流量通过旁路阀门进行调节。文章研究了不同操作条件(内相含量、乳化剂加量、入口压力、循环次数)以及不同形式的文丘里管结构(圆型、狭缝型)对制备的乳状液性质的影响。结果发现,液滴尺寸随着入口压力的增加而减小;狭缝型文丘里管对液滴粒径减小的效果更明显,并且形成稳定乳状液所需的空化循环次数较少。
Carpenter等[13]利用水力空化技术、Span-80和Tween-80为乳化剂、芥子油为原料来制备水包油型纳米乳液。文章重点研究了空化数和空化器结构(不同形状的孔板及文丘里管)对纳米乳液稳定性的影响。研究发现,圆形单孔孔板由于具备流通面积大、比周长较小的特点,因而乳化效率是最高的。在最佳空化数为0.19(入口压力为1 MPa)时,应用该孔板空化处理90 min所制备的乳液液滴尺寸最小可达到87 nm。此外,乳状液的动力学稳定性不受离心力、加热这些作用条件的影响,可保持稳定长达3个月。
Patil等[14]研究了使用不同类型的水力空化器(单孔板和圆型、狭缝型文丘里管)制备稳定的姜黄油/脱脂牛奶乳状液的效果。结果表明,3种不同的空化器中,圆型文丘里管在入口压力0.7 MPa、处理时间45 min条件下获得的乳液稳定性最好,平均液滴直径最小为246.5±0.5 nm。
Agrawal等[15]采用空化辅助技术制备了水包香茅油纳米乳液。研究发现,水力空化比超声空化可节能3~4倍;然而,超声空化在最佳条件下产生的乳液尺寸可达60 nm,水力空化仅能将液滴尺寸减小到200 nm,因此可以探究一种组合方式。
秦宗禹等[16]以Na2CO3作为乳化剂,采用文丘里型水力空化装置制备了稠油水包油型乳状液。研究表明,在稠油体积分数为70%、Na2CO3为1 000 μg/g、乳化温度为30℃的条件下,水力空化法和机械搅拌法所制备乳状液的油滴平均粒径(D4,3)分别达到20.75、23.02 μm;水力空化法所制备乳状液的油滴粒径更小且分布均匀,乳状液的物理稳定性更高。

3.2 涡流型水力空化装置

空化也可以利用旋流式射流现象在流体动力学上产生[17-19]。Vivek V.Ranade团队针对涡流水力空化制备O/W型乳状液进行了较多的研究工作[3,20-26]。Thaker等[3,20]使用低压涡流水力空化装置来制备水包菜籽油乳状液。他们的主要研究重点是开发CFD和种群平衡模型来研究单次通过该装置的液滴破裂。然而,该涡流型装置制备的乳状液为粗乳状液。在0.05~0.25 MPa的工作压力范围内,获得的最小尺寸可达~10 μm,这明显高于孔板和文丘里管装置。虽然水力空化技术可以产生强烈的空化条件,但与孔板/文丘里管不同,基于涡流的空化装置在纳米尺度上合成乳状液(即纳米乳液)的效率尚未得到测试。
Thaker等[21]还采用多程涡流水力空化装置来制备乳状液,实验装置如图2所示。文章系统研究了通过次数、油相类型和装置规模等因素对液滴破碎和液滴粒径分布的影响。结果表明,水包菜籽油乳状液的液滴粒径分布(DSD)表现出双峰性质。DSD的双峰特性随着通过次数的增加而降低,并最终在通过55次后消失。当装置压降为250 kPa时,通过35次后可将乳状液的Sauter平均直径d32从 66 μm降低到~2 μm,通过105次后可将Sauter平均直径d32降低到~1 μm。此外,四氯乙烯-水体系在通过15次(1 μm)时的d32明显低于菜籽油-水体系(2.5 μm)。
Upadhyay等[22]同样采用涡流水力空化装置制备了水包菜籽油乳液,定量研究了通过次数(单位质量乳液能耗)和油相体积分数对DSD、Sauter平均直径以及液滴破碎效率的影响。研究表明,随着通过次数的增加,Sauter平均直径逐渐减小,DSD向更小的液滴尺寸偏移。在一定的临界油相体积分数(αoc=0.35)之内,Sauter平均直径与油相体积分数无关,因此液滴破碎效率随着油相体积分数的增加而线性增加;在αoc之外,Sauter平均直径随着油相体积分数的进一步增加而增加,因此液滴破碎效率与油体积分数无关。液滴的破碎效率随着单位质量能耗(E)的增加而降低,并与E-0.8呈正比。
在上述研究的基础上,Gode等[23]采用不同类型的装置和不同规模的涡流型水力空化装置进行了水包5%菜籽油乳液的连续乳化实验,实验装置如图3所示。研究发现,不论装置规模大小,所有乳化装置在单位质量乳液能耗(E)较低时均表现出多峰DSD;随着E值的增加,DSD的多峰特性逐渐减弱。在所有装置中,涡流水力空化装置展现出较低的Sauter平均直径(d32)和DSD、较低的单位质量能耗(E)以及较高的乳化能效(η)。其中,在E=2.6 kJ/kg时,最小规模的涡流水力空化装置的能量效率最高为0.16%。
Yang等[27]采用旋转涡轮机,研究了不同压力、不同时间下涡流空化对大豆分离蛋白(SPI)乳化及理化性质的影响。结果表明,随着空化压力和处理时间的增加,SPI的平均粒径明显减小,溶解度明显提高,乳化活性指数(EAI)和乳化稳定性指数(ESI)等特性都得到显著改善。

3.3 其他类型水力空化装置

Tang等[28]自行设计了新型的液哨式水力空化装置来制备乳状液,该装置在孔板出口处设置了一块“刀状”的挡板,实验装置如图4所示。当粗乳状液流过孔板时,形成高速射流并冲击挡板,引起挡板周边发生高频振动,从而产生高强度的空化、湍流作用,使得粗乳液进一步破碎成更小、更均匀的液滴。本研究采用该装置制备一种W/O/W型多重乳状液作为药物输送载体,实验发现,随着操作压力和乳化循环次数的增加,乳状液的物理稳定性显著提高,所制备的乳液粒径约为600 nm。此外,该装置还用于制备O/W型微乳液,在入口操作压力为800 psi、孔板与刀片之间距离为0.6 cm的优化条件下,乳液液滴尺寸最小为476 nm[29]。
Zhang等[30]采用阀门作为水力空化器来制备粒径100 nm以下的水包油型乳状液,实验装置如图5所示,通过控制阀门的开度可以调节入口压力。结果发现,乳状液的平均液滴尺寸随着入口压力、空化次数和表面活性剂浓度的增加而减小,在入口压力120 psi、空化6次后形成了平均粒径为27 nm的乳状液,而且乳状液在储存8个月后仍然保持着很好的物理稳定性。

4 结语与展望

(1)孔板和文丘里管型水力空化装置在产生更高的空化强度方面提供了最大的灵活性,所制备乳状液的液滴粒径较小,甚至达到纳米级,物理稳定性较好。此外,这些设备需要较少的维护和较低的材料成本,并且相对容易扩大规模,但是存在着入口压力要求较高、容易堵塞和侵蚀等缺点。
(2)为了进一步降低能耗,将总传递能量以空化活动的形式最大限度地耗散到溶液中,研究者们开发出新的涡流型水力空化装置。与孔板和文丘里管相比,该类装置所制备乳状液的液滴粒径相对较大(粗乳状液)。因此,需要通过优化入口压力、通过次数和旋转速度等操作参数,从而可以生产更加精细的乳状液。
(3)目前,水力空化乳液制备技术的相关文献主要集中在应用研究方面,主要研究了空化装置的结构和操作参数、分散相含量、乳化剂类型和用量等对于所制备乳状液的液滴粒径和物理稳定性的影响,而关于水力空化乳化作用机制方面的研究还很少。因此,需要设计实验从微观层面研究水力空化对液滴破碎以及乳液生成的作用机制,同时建立合适的数学模型来预测和控制液滴粒径分布。
(4)未来还需进行更多的实验室规模的工作,使得水力空化设备的均质效率、所制备乳液的物理稳定性获得更好的结果,并在此基础上逐步放大实验,将水力空化乳液制备技术扩展到工业规模。

参考文献

原文顺序 | 出版日期 | 本文引用
[1]

Wu Z, Tagliapietra S, Giraudo A, et al. Harnessing cavitational effects for green process intensification[J]. Ultrasonics Sonochemistry, 2019, 52:530-546.

[2]

Gupta A, Eral H B, Hatton T A, et al. Nanoemulsions:Formation,properties and applications[J]. Soft Matter, 2016, 12(11):2826-2841.
[3]

Thaker A H, Ranade V V. Towards harnessing hydrodynamic cavitation for producing emulsions:Breakage of an oil drop in a vortex based cavitation device[J]. Chemical Engineering and Processing-Process Intensification, 2022, 180:108753.
[4]

Rajoriya S, Carpenter J, Saharan V K, et al. Hydrodynamic cavitation:An advanced oxidation process for the degradation of bio-refractory pollutants[J]. Reviews in Chemical Engineering, 2016, 32(4):379-411.
[5]

Carpenter J, Badve M, Rajoriya S, et al. Hydrodynamic cavitation:An emerging technology for the intensification of various chemical and physical processes in a chemical process industry[J]. Reviews in Chemical Engineering, 2017, 33(5):433-468.
[6]

Panda D, Saharan V K, Manickam S. Controlled hydrodynamic cavitation:A review of recent advances and perspectives for greener processing[J]. Processes, 2020, 8(2):220.
[7]

孙逊, 赵越, 玄晓旭, 等. 基于水力空化的化工过程强化研究进展[J]. 化工进展, 2022, 41(5):2239-2251.
[8]

陶跃群. 水力空化降解废水中有机污染物的理论与实验研究[D]. 北京: 中国科学院大学(中国科学院工程热物理研究所), 2018.
[9]

Zheng H, Zheng Y, Zhu J. Recent developments in hydrodynamic cavitation reactors:Cavitation mechanism,reactor design,and applications[J]. Engineering, 2022, 19:180-198.
[10]

Carpenter J, Pinjari D V, Kumar Saharan V, et al. Critical review on hydrodynamic cavitation as an intensifying homogenizing technique for oil-in-water emulsification:Theoretical insight,current status,and future perspectives[J]. Industrial & Engineering Chemistry Research, 2022, 61(30):10587-10602.
[11]

Wang B, Su H, Zhang B. Hydrodynamic cavitation as a promising route for wastewater treatment-a review[J]. Chemical Engineering Journal, 2021, 412:128685.
[12]

Ramisetty K A, Pandit A B, Gogate P R. Novel approach of producing oil in water emulsion using hydrodynamic cavitation reactor[J]. Industrial & Engineering Chemistry Research, 2014, 53(42):16508-16515.
[13]

Carpenter J, George S, Saharan V K. Low pressure hydrodynamic cavitating device for producing highly stable oil in water emulsion:Effect of geometry and cavitation number[J]. Chemical Engineering and Processing:Process Intensification, 2017, 116:97-104.
[14]

Patil L, Gogate P R. Large scale emulsification of turmeric oil in skimmed milk using different cavitational reactors:A comparative analysis[J]. Chemical Engineering and Processing-Process Intensification, 2018, 126:90-99.
[15]

Agrawal N, Maddikeri G L, Pandit A B. Sustained release formulations of citronella oil nanoemulsion using cavitational techniques[J]. Ultrasonics Sonochemistry, 2017, 36:367-374.

[16]

秦宗禹, 董波, 金昺曦, 等. 水力空化强化稠油加碱乳化降黏的研究[J]. 现代化工, 2023, 43(1):128-133.

[17]

Simpson A, Ranade V V. 110th Anniversary:Comparison of cavitation devices based on linear and swirling flows:Hydrodynamic characteristics[J]. Industrial & Engineering Chemistry Research, 2019, 58(31):14488-14509.
[18]

Sarvothaman V P, Simpson A, Ranade V V. Comparison of hydrodynamic cavitation devices based on linear and swirling flows:Degradation of dichloroaniline in water[J]. Industrial & Engineering Chemistry Research, 2020, 59(30):13841-13847.
[19]

Simpson A, Ranade V V. Flow characteristics of vortex based cavitation devices:Computational investigation on influence of operating parameters and scale[J]. AIChE Journal, 2019, 65(9):e16675.
[20]

Thaker A H, Ranade V V. Drop breakage in a single-pass through vortex-based cavitation device:Experiments and modeling[J]. AIChE Journal, 2023, 69(1):e17512.
[21]

Thaker A H, Ranade V V. Emulsions using a vortex-based cavitation device:Influence of number of passes,pressure drop,and device scale on droplet size distributions[J]. Industrial & Engineering Chemistry Research, 2022, 62(45):18837-18851.
[22]

Upadhyay M, Ravi A, Ranade V V. Dense oil in water emulsions using vortex-based hydrodynamic cavitation:Effective viscosity,sauter mean diameter,and droplet size distribution[J]. Industrial & Engineering Chemistry Research, 2024, 63(11):4977-4990.
[23]

Gode A, Thaker A H, Ranade V V. Comparison of devices used for continuous production of emulsions:Droplet diameter,energy efficiency and capacity[J]. Chemical Engineering and Processing-Process Intensification, 2024, 203:109881.
[24]

Thaker A H, Boreham P, Kourousis K I, et al. Liquid-liquid emulsion produced by 3D-printed vortex-based hydrodynamic cavitation device[J]. Chemical Engineering & Technology, 2023, 46(9):1970-1976.
[25]

Ravi A, Ganjare A V, Ranade V V. At-line characterization of droplet size distributions using a simple,voltage-based sensor for continuous production of dense oil in water emulsions[J]. Industrial & Engineering Chemistry Research, 2025, 64(7):4105-4115.
[26]

Pandey D K, Thaker A H, Ranade V V. A simplified drop breakage model for emulsion-producing fluidic devices:Application to fluidic oscillator,helical coil and vortex-based cavitation device[J]. Chemical Engineering Research and Design, 2024, 205:733-747.
[27]

Yang F, Liu X, Huang Y, et al. Swirling cavitation improves the emulsifying properties of commercial soy protein isolate[J]. Ultrasonics Sonochemistry, 2018, 42:471-481.

[28]

Tang S Y, Sivakumar M. A novel and facile liquid whistle hydrodynamic cavitation reactor to produce submicron multiple emulsions[J]. AIChE Journal, 2013, 59(1):155-167.
[29]

Parthasarathy S, Siah Ying T, Manickam S. Generation and optimization of palm oil-based oil-in-water (O/W) submicron-emulsions and encapsulation of curcumin using a liquid whistle hydrodynamic cavitation reactor (LWHCR)[J]. Industrial & Engineering Chemistry Research, 2013, 52(34):11829-11837.
[30]

Zhang Z, Wang G, Nie Y, et al. Hydrodynamic cavitation as an efficient method for the formation of sub-100 nm O/W emulsions with high stability[J]. Chinese Journal of Chemical Engineering, 2016, 24(10):1477-1480.

基金资助

中国石油天然气股份公司科技管理部重大科技专项项目(2023ZZ36)

AI Summary AI Mindmap
PDF (2408KB)

146

访问

0

被引

导航
相关文章

AI思维导图

/

〈 〉

京ICP备09035943号-37
版权所有 ©《现代化工》编辑部
地址：北京市朝阳区安定路33号化信大厦B座206　邮政编码：100029
编辑部电话：010-64444090　E-mail:mci@cncic.cn
技术支持：北京玛格泰克科技发展有限公司