結(jié)果與討論

視覺觀察

在不同表面活性劑和鹽度水平下的視覺觀察表明，NaCl和表面活性劑類型對(duì)油包水乳液的穩(wěn)定性有顯著影響。制備具有不同表面活性劑和NaCl濃度的各種乳液樣品后，觀察乳液樣品在10天內(nèi)的穩(wěn)定性（圖4-1）。乳液樣品在制備后立即呈現(xiàn)均質(zhì)；然而，含有Triton X-100和0.1 M NaCl的樣品在僅幾分鐘后（第1天）就顯示出 coalescence 的證據(jù)。24小時(shí)后（第2天），含有0.1 M NaCl的樣品顯示出清晰的油層，而不含NaCl的樣品僅顯示有限的油 coalescence。在第5天和第10天觀察到類似趨勢，含有NaCl的乳液樣品比不含NaCl的樣品顯示更多 coalescence。結(jié)果清楚地表明，乳液穩(wěn)定性隨NaCl濃度增加而隨時(shí)間降低。此外，SDS（即帶電表面活性劑）穩(wěn)定的乳液似乎更容易受鹽度變化的影響。通常，增加的NaCl濃度導(dǎo)致更快的 coalescence，這些視覺觀察與先前的研究一致。

接觸角

其他樣品（100 ppm SDS和僅DI水）的接觸角隨時(shí)間相對(duì)恒定。對(duì)照（無表面活性劑的DI水）的接觸角在不同NaCl濃度（10??至1 M）下介于162°和172°之間（圖4-2(a)）。表面活性劑水接觸角測量的詳細(xì)信息見支持信息（圖B5和B6）。SDS樣品的接觸角介于166°和155°之間，與僅DI+NaCl溶液（無表面活性劑）相似，且不受鹽度影響。然而，Triton X-100溶液具有最低的接觸角，特別是在低NaCl濃度下。Triton X-100樣品的接觸角從10??至10?1.? M NaCl濃度增加從95.9°增至120°，可能由于離子強(qiáng)度增加。NaCl濃度的進(jìn)一步增加不改變接觸角，從10?1.?至1 M NaCl保持恒定在約120°。接觸角隨鹽度的變化可能由于NaCl濃度增加改變了玻璃的潤濕性。

濕滴（DI+表面活性劑+NaCl）的力平衡可以用Young方程描述。對(duì)于水-油-玻璃系統(tǒng)，方程可寫如下：

γws + γowcosθ - γos = 0

其中γws是水-固體（W/S）界面張力，γow是油-水（O/W）界面張力，γos是油-固體（O/S）界面張力。由于Triton X-100樣品的接觸角在NaCl濃度低于10?2.? M時(shí)約為90°，γowcosθ可忽略（≈0），表明W/S和O/S界面張力相似。隨著NaCl濃度增加，W/S界面張力也增加，這可以通過重新排列Young方程顯示：

θ = cos?1((γos - γws)/γow) = arccos((γos - γws)/γow)

其中-1 ≤ (γos - γws)/γow ≤ 0。鑒于所有測試樣品的接觸角均高于90°（圖4-2(a)）且O/W界面張力（γow）隨NaCl濃度變化相對(duì)較?。▓D4-2(b)），分子應(yīng)為負(fù)（γos < γws）。由于測量的接觸角不接近90°，其中油-顆粒界面張力（γos）和水-顆粒界面張力（γws）相等，這些樣品不太可能形成顆粒穩(wěn)定乳液。然而，Triton X-100樣品的接觸角范圍從95.9°至120°，在NaCl濃度低于10?2.? M時(shí)具有形成顆粒穩(wěn)定乳液的潛力。顆粒被水和油的潤濕是確定顆粒穩(wěn)定乳液潛力的關(guān)鍵參數(shù)。顆粒穩(wěn)定乳液，也稱為Pickering乳液，往往比用表面活性劑或二氧化硅（本測試中為石英）穩(wěn)定的乳液更穩(wěn)定。因此，添加NaCl預(yù)計(jì)會(huì)降低含有非離子表面活性劑（即Triton X-100）的艙底水中的乳液穩(wěn)定性。

界面表面張力

表面活性劑的主要作用是降低界面表面張力，以促進(jìn)液滴破裂并防止重新 coalescence。界面表面張力直接與乳液形成所需能量相關(guān)。因此，較低的表面張力意味著乳液形成所需能量較少，導(dǎo)致更小的液滴和更穩(wěn)定的乳液。水包油界面張力測量結(jié)果如圖4-2(b)所示。對(duì)照（無表面活性劑）的界面表面張力在10?? M NaCl時(shí)為27.4 mN·m?1，且值相對(duì)恒定，范圍從23.3至32.3 mN·m?1，無論NaCl濃度如何，確認(rèn)無表面活性劑時(shí)需要大量能量生產(chǎn)乳液。

在表面活性劑存在下，10?? M NaCl時(shí)的界面張力降至SDS和Triton X-100分別為6.5和2.1 mN·m?1（圖4-2(b)）。含水SDS膠束的界面張力隨NaCl濃度增加從初始6.8降至低于1.6 mN·m?1，當(dāng)NaCl濃度超過10?1.? M時(shí)，表明含SDS的水更可能隨鹽度增加形成乳液。對(duì)于Triton X-100，表面張力也降低，但隨NaCl濃度不顯著，從3.3至2.1 mN·m?1。結(jié)果顯示高鹽度艙底水中乳液形成的潛力更大。然而，視覺觀察也表明高NaCl濃度的乳液往往更不穩(wěn)定（圖4-1）。這可能是“鹽析”的結(jié)果，其中增加的鹽度導(dǎo)致乳液穩(wěn)定表面活性劑與水的相互作用減少，從而降低乳液穩(wěn)定性。

CLSM分析

各種乳液樣品的CLSM顯微照片如圖4-3所示。SDS乳液的乳液尺寸隨NaCl濃度增加而增加（從10?? M時(shí)的8.6微米至1 M時(shí)的18.1微米），表明乳液隨NaCl增加傾向于 coalescence，而Triton X-100乳液隨NaCl濃度增加尺寸減?。◤?0?? M時(shí)的13.0微米至1 M時(shí)的7.5微米）（圖B7）。然而，觀察到比SDS更少的乳液液滴，即使在同一深度，表明Triton X-100乳液在NaCl濃度下更不穩(wěn)定且 coalescence 更快。似乎需要更多NaCl量來 coalescence SDS乳液比Triton X-100乳液，當(dāng)比較相似乳液尺寸時(shí)（例如，SDS在10?1 M NaCl時(shí)為12.2微米，Triton X-100在10?3 M NaCl時(shí)為13.2微米）（圖4-3）。24小時(shí)后，乳液尺寸變化顯著減小，乳液尺寸在1.6-3.9微米范圍內(nèi)，無論NaCl濃度如何，SDS和Triton X-100均相似（圖B7）。然而，CLSM圖像清楚地顯示Triton X-100乳液液滴在高NaCl濃度下（例如0.1-1 M NaCl）幾乎被去除，且僅少量液滴在24小時(shí)水力停留時(shí)間（HRT）后被發(fā)現(xiàn)（圖4-3）。通常，隨時(shí)間推移，由于 coalescence，預(yù)期更少的單個(gè)液滴，然而，由于油和水之間的密度差異，油滴傾向于漂浮到樣品頂部并形成乳液液滴層，這一過程稱為 creaming（圖B8）。

CLSM調(diào)查表明：1) NaCl隨時(shí)間促進(jìn)乳液 coalescence，2) 在NaCl存在下（>0.1 M NaCl），使用非離子表面活性劑允許比陰離子表面活性劑更好的油包水乳液分離，3) 乳液尺寸僅不提供油穩(wěn)定性信息，且應(yīng)與乳液液滴密度相關(guān)聯(lián)。例如，Triton X-100乳液在0.1 M NaCl中的小液滴尺寸通常預(yù)期導(dǎo)致穩(wěn)定乳液；然而，樣品最終在初始時(shí)間0小時(shí)（第1天）最不穩(wěn)定（圖4-1）。