유화 중 냉각 및 가열 온도 사이클의 영향

유화 반응이란?

유화 한 액체의 작은 물방울이 다른 섞이지 않는 액체에 고르게 분산되는 과정입니다. 액체-액체 계면 현상입니다. 기름과 물과 같은 두 가지 섞이지 않는 액체를 용기에 넣으면 두 개의 뚜렷한 층으로 분리됩니다. 밀도가 낮은 기름은 물 위에 떠 있습니다. 적절한 계면활성제를 첨가하고 혼합물을 격렬하게 저어주면 기름을 물에 분산시켜 에멀전을 형성할 수 있습니다. 유화라고 하는 이 과정은 종종 온도 변화, 용매 조정 또는 상 전이에 의존하여 물방울 분산을 최적화합니다. 계면활성제의 선호하는 곡률은 이러한 조건에서 변하여 제어된 온도 사이클에서 물방울이 고에너지 상태로 분해되는 것을 용이하게 합니다.

서로 섞이지 않는 두 액체인 기름과 물을 분리하는 방법과 계면활성제를 첨가하여 균일한 에멀전을 형성하는 과정을 설명합니다.

유화 분야의 글로벌 에너지 효율성 과제

글로벌 유화 공정 매년 약 1억 톤의 에멀젼을 생산합니다. 그러나 기존 에멀젼 기술의 에너지 효율성은 놀라울 정도로 낮습니다. 미세 물방울의 경우 0.01% 미만입니다. 이 효율성은 초미크론 에멀젼의 경우 더욱 낮아집니다. 고전단 또는 고압 기계 장치가 과도한 열을 발생시켜 많은 제약, 화장품 및 식품 성분과 호환되지 않기 때문입니다.

위상 반전 자체 유화 기술

더 큰 분자를 가진 비극성 오일의 경우, 상 반전 자가 유화 기술이 개발되었습니다. 이 기술은 온도 변화 또는 계면활성제 농도 조정에 의존하여 선호하는 계면 곡률을 수정합니다. 이 원리는 거친 에멀전에서 물방울을 얼리고 이어서 녹이는 온도 사이클을 포함하며, 이로 인해 자발적인 물방울 분해가 발생합니다. 기존의 유화 방법은 일반적으로 내부 및 외부상은 75°C–90°C 교반과 냉각을 하기 전에 많은 에너지가 소모됩니다.

에멀전 품질에 대한 온도의 영향

유화 온도는 유화 품질에 상당한 영향을 미칩니다. 엄격한 온도 제한은 없지만, 고융점 물질의 녹는점, 유화제 종류, 오일과 물 상의 용해도와 같은 주요 요인을 고려해야 합니다. 또한, 두 상의 온도는 거의 동일하게 유지되어야 합니다. 예를 들어, 왁스나 고융점 오일(70°C 이상)을 유화할 때, 저온 수성 상을 도입하면 왁스나 지방 결정이 침전되어 거친 유화가 생성될 수 있습니다. 일반적으로 유화는 75°C~85°C에서 수행됩니다. 고융점 오일의 경우 온도를 더 높여야 할 수 있습니다.

온도에 따른 입자 크기 변화

유화 온도는 또한 유화 입자 크기에 영향을 미칠 수 있습니다. 예를 들어, 지방산 비누 음이온 유화제는 80°C에서 유화될 때 약 1.8–2.0μm의 입자 크기를 갖는 유화제를 생성하는 반면, 60°C에서는 약 6μm입니다. 그러나 비이온 유화제의 경우 온도는 입자 크기에 미치는 영향이 약합니다.

온도 사이클링 중 물방울 분해 메커니즘

분산된 알케인 물방울에 적용된 냉각 및 가열 사이클은 상당한 물방울 모양 전환 및 분해 메커니즘을 유도합니다.

• M1: 냉각 중에 물방울이 자연적으로 파열됩니다.
• M2/M3: 얼어붙은 물방울이 녹으면서 터진다.

1.5 wt% C16SorbEO20 계면활성제로 안정화된 펜타데칸 에멀전의 물방울에 대한 미세한 이미지는 온도 사이클링 전후의 구조적 변화를 보여줍니다. 냉각 속도 0.2 K/min 및 가열 속도 1.6 K/min에서 측정한 이러한 사이클은 동결-해동(F/T) 사이클의 수가 증가함에 따라 평균 물방울 직경(예: dN50 및 d32)이 감소하는 것을 보여줍니다.

벌크 에멀젼의 실험 연구

대량 에멀전 실험에서 15ml 샘플을 7°C에서 2시간 동안 동결한 다음 25°C에서 녹였습니다. 초기 냉각 및 가열 속도는 ≈0.4 K/min으로 측정되었고, 점차 주변 온도로 감소했습니다. 이러한 사이클은 효과적으로 물방울 크기를 줄여 온도에 민감한 에멀전화 공정에서의 잠재력을 강조했습니다.

산업 전반에 걸친 응용 프로그램

자가 유화 공정은 제약, 화장품, 식품과 같이 엄격한 온도 제어가 필요한 산업에서 에멀전을 생산하는 데 상당한 가능성을 가지고 있습니다. 이 접근 방식은 높은 에너지 소비 및 민감한 성분과의 호환성 문제와 같은 기존 방법에서 제기되는 과제를 해결합니다.

에너지 효율성 및 환경적 이점

냉각/가열 속도와 온도 범위를 최적화함으로써 이 기술은 에너지 효율을 개선하고 환경 영향을 줄일 수 있습니다. 또한 이 방법은 나노분산을 안정화하거나 고급 소재 합성을 위한 복합 에멀전을 생산하는 것과 같은 다른 응용 분야로 확장될 수 있습니다.

도전과 미래 전망

그 잠재력에도 불구하고 자가 유화는 특정한 한계에 직면합니다. 예를 들어, 특정 온도 범위나 계면활성제에 대한 의존성은 광범위한 재료에 대한 적용성을 제한할 수 있습니다. 게다가 확장성과 경제적 실행 가능성을 위해 공정을 최적화하려면 추가 연구가 필요합니다.

향후 발전 사항은 다음과 같습니다.

• 분자 동역학 시뮬레이션과 통합하여 계면 현상을 더 잘 이해합니다.
• 자가유화와 초음파 또는 기계적 기술을 결합한 하이브리드 유화 방법 개발
• 환경 친화적인 계면활성제와 에너지 효율적인 온도 제어 시스템에 대한 탐구.

결론

결론적으로, 온도 사이클 구동 자가 유화는 향상된 효율성과 지속 가능성을 갖춘 고품질 유화를 만드는 유망한 기술입니다. 현재의 과제를 해결하고 혁신적인 접근 방식을 활용함으로써 이 기술은 다양한 산업에서 유화 공정에 혁명을 일으킬 수 있습니다.

LNEYA의 SUNDI 시리즈 동적 온도 제어 시스템은 120°C에서 350°C까지의 광범위한 온도 범위와 0.5에서 1200kW까지의 냉각 용량으로 정밀하고 지능적인 온도 관리를 제공합니다. 이 시스템은 뛰어난 생산 안정성과 반복성을 보장합니다. 고급 플레이트 열교환기와 튜브 히터를 장착하여 빠른 가열 및 냉각 성능을 제공합니다.


초고온 냉각 기술을 갖춘 이 시스템은 열 전달 매체를 증발시키지 않고 300°C에서 직접 냉각할 수 있어 다양한 범위(-80°C~190°C, -70°C~220°C, -88°C~170°C, -55°C~250°C, -30°C~300°C)에 걸쳐 지속적인 온도 제어가 가능합니다.


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