摘要：化學(xué)穩(wěn)定的乳液由于膠束穩(wěn)定性而難以破乳。許多物理和化學(xué)方法已被用于乳液破乳/分離；然而，大多數(shù)操作參數(shù)基于經(jīng)驗數(shù)據(jù)和整體分析。在進(jìn)一步推進(jìn)這些工藝之前，需要對乳液進(jìn)行多尺度理解。本研究利用針型微電極和共聚焦激光掃描顯微鏡(CLSM)在微尺度上表征了含有不同類型表面活性劑（Triton X-100和十二烷基硫酸鈉[SDS]）在不同NaCl濃度下的模擬艙底水乳液。使用微電極，可以清晰地觀察到跨越油/水界面的擴(kuò)散過程，這似乎與乳液形成動力學(xué)和質(zhì)量傳遞有關(guān)。雖然乳液穩(wěn)定性隨NaCl濃度增加而降低，但SDS（陰離子表面活性劑）在鹽度增加時更容易形成乳液，需要比Triton X-100（非離子表面活性劑）乳液更多的鹽度才能聚結(jié)。在NaCl濃度低于10?2·?M時，Triton X-100乳液表現(xiàn)出形成顆粒穩(wěn)定乳液的潛力。研究表明，使用非離子表面活性劑比陰離子表面活性劑能更好地實現(xiàn)水包油分離。由未知添加劑引起的乳液pH值的顯著變化，對操作pH敏感的乳液破乳/分離過程（例如電絮凝）具有影響。

引言

艙底水是一種受管制的混合物，包含海水以及積聚在船舶最低部分的任何被油、溶劑、表面活性劑和顆粒物污染的水。游離或懸浮的油（即機械乳液）可以通過簡單的物理過程（例如撇油）容易地從水相中分離；然而，在艙底水中形成的化學(xué)穩(wěn)定的水包油乳液（即化學(xué)乳液）是出了名的難以破乳，可能導(dǎo)致不符合現(xiàn)有的海洋排放法規(guī)（油濃度<15 ppm）。因此，開發(fā)創(chuàng)新的破乳方法從而將油從水中分離出來，以確保船載艙底水的適當(dāng)處理至關(guān)重要。與機械乳液不同，化學(xué)乳液能夠無限期地保持穩(wěn)定的均相狀態(tài)。許多油/水分離器和預(yù)處理或后處理單元工藝已被開發(fā)并用于船載處理艙底水乳液。其中，基于重力的油水分離器(OWS)已使用數(shù)十年處理不穩(wěn)定的機械乳液，而膜過濾等較新的后處理技術(shù)已用于乳液去除。電絮凝(EC)等預(yù)處理工藝也因其通過原位生產(chǎn)混凝劑（而不是傳統(tǒng)混凝中使用的大量化學(xué)藥劑，需要大容量的化學(xué)品儲存）實現(xiàn)破乳而受到關(guān)注。這些技術(shù)有效，但仍依賴于經(jīng)驗確定的設(shè)計參數(shù)。更好地理解船載環(huán)境中的油/水乳液形成、穩(wěn)定性和破乳，將有助于開發(fā)能夠減輕船載乳液形成及其不良后果的技術(shù)。然而，我們對水包油乳液穩(wěn)定性和化學(xué)性質(zhì)的理解仍然不完整，并且由于缺乏實驗工具，油/水乳液界面的原位表征一直具有挑戰(zhàn)性。

本研究的目的是利用微剖面表征、共聚焦激光掃描顯微鏡(CLSM)分析以及接觸角和界面張力等傳統(tǒng)表征方法，評估表面活性劑和鹽度對模擬艙底水化學(xué)形成油水乳液穩(wěn)定性的影響。特別是，應(yīng)用針型微電極作為一種新穎獨特的工具進(jìn)行原位乳液表征，以研究化學(xué)物質(zhì)跨油/水界面的傳輸與乳液穩(wěn)定性之間的關(guān)系，這是傳統(tǒng)方法未曾應(yīng)用的。針型電化學(xué)微電極在環(huán)境系統(tǒng)中的應(yīng)用改變了我們研究生物膜、墊層和沉積物的方式。由于其尖端直徑?。?-20μm），它們可用于在微尺度上進(jìn)行測量，提供整體尺度測量無法獲得的機理信息。在此，我們提出了一個系統(tǒng)性評估模擬艙底水的方法，以尋找微剖面表征、CLSM分析和傳統(tǒng)表征方法（接觸角和界面張力）之間的關(guān)系，從而更好地理解乳液穩(wěn)定性。測試了兩種不同類型的表面活性劑（Triton X-100作為非離子表面活性劑，十二烷基硫酸鈉[SDS]作為陰離子表面活性劑）在不同NaCl濃度下的乳液穩(wěn)定性。使用微電極進(jìn)行的pH、氧化還原電位(ORP)和溶解氧(DO)微剖面表征提供了化學(xué)物質(zhì)跨油水界面?zhèn)鬏數(shù)男畔ⅲ佑|角、界面張力和CLSM評估則提供了物理性質(zhì)和形態(tài)信息?？傮w而言，這項多尺度（宏觀和微觀）研究為艙底水膠束形成及相關(guān)乳液穩(wěn)定性提供了有意義的信息，可能有助于開發(fā)改進(jìn)的有效乳液處理方案。

實驗部分

乳液制備。乳液樣品使用由海軍水面作戰(zhàn)中心卡德洛克分部(NSWCCD)（馬里蘭州西貝塞斯達(dá)）提供的海軍標(biāo)準(zhǔn)艙底混合物(NSBM)#4制備。選擇兩種不同的表面活性劑作為具有充分研究特性的代表性陰離子和非離子表面活性劑（Triton X-100作為非離子表面活性劑，SDS作為陰離子表面活性劑）。雖然Triton X-100通常不用于消費清潔產(chǎn)品，但SDS和Triton X-100的分子和化學(xué)性質(zhì)與船上發(fā)現(xiàn)的表面活性劑相似。還測試了不同鹽度（10??-1 M NaCl，間隔為10?·?）的乳液樣品，以代表一系列艙底水條件。制備了兩種不同類型的乳液：微乳液和宏乳液。微乳液制備方法：將1000 ppm(0.1%)NSBM#4和100 ppm Triton X-100或SDS混合于40 mL Milli-Q水中，使用均質(zhì)器（Omni Tissue Master,Model 125,10 mm發(fā)生器探頭）以35000 rpm攪拌2分鐘，隨后進(jìn)行10分鐘的超聲處理（40 kHz,Branson Bransonic Cleaner,Model B200），并使用0.22μm膜（Millex GP PES,SLGP033RS）過濾。宏乳液樣品采用相同的程序制備，但使用10000 ppm(1%)NSBM#4且不進(jìn)行過濾。微乳液樣品是均質(zhì)的，不包含油層，如支持信息圖S1所示。由于微乳液不代表艙底水乳液，因此本研究主要制備和評估宏乳液樣品。

圖S1.使用0.1%NSBM#4和100 ppm Triton X-100制備的合成水包油宏乳液和微乳液樣品照片。