Определение устойчивости пены

Цель работы получение пены и изучение влияния поверхностно-активных веществ, высокомолекулярных соединений и электролитов на ее устойчивость

Оборудование и реактивы: цилиндры с притертой пробкой емкостью 250 мл; пипетки разных объемов; секундомер; растворы поверхностно-активных веществ.

Типичные пены представляют собой сравнительно весьма грубые, высоко концентрированные дисперсии газа (обычно воздуха) в жидкости. Пузырьки газа в таких системах имеют размер порядка миллиметров, а в отдельных случаях и сантиметров. Отдельные пузырьки пены, благодаря избытку газовой фазы и взаимному сдавливанию, теряют сферическую форму и представляют собой полиэдрические ячейки, стенки которых состоят из весьма тонких пленок жидкой дисперсной среды. Пленки пены часто обнаруживают цвета интерференции: это свидетельствует о том, что их толщина соизмерима с длиной световых волн.

От типичных пен, представляющих высоко концентрированные дисперсии газа в жидкости, следует отличать низко концентрированные, в которых отдельные газовые пузырьки находятся на сравнительно большом расстоянии друг от друга. Примером может служит газированная вода. Такие системы очень близки по свойствам к типичным лиозолям или разбавленным эмульсиям. Однако благодаря большой разнице в плотностях жидкой и газовой фазы такие системы обладают очень малой седиментационной устойчивостью и существуют непродолжительное время.

Пены образуются при диспергировании газа в жидкости в присутствии стабилизатора или, как их целесообразно называть в этом случае, пенообразователя. Жидкости без пенообразователей сколько-нибудь устойчивой пены не дают.

Прочность и продолжительность существования (время жизни) пены зависят от свойств пленочного каркаса, в свою очередь определяющихся природой и количеством присутствующих в системах пенообразователей, концентрирующихся в результате адсорбции на межфазной поверхности. К типичным пенообразователям для водной пены относят такие поверхностно-активные вещества, как спирты, жирные кислоты, мыла и мылоподобные вещества, белки. Существенно, эти же вещества обуславливают и устойчивость эмульсий углеводородов в воде.

Агрегативная устойчивость пены изменяется в широких пределах в зависимости от природы и концентрации пенообразователя. Со временем пленки между между пузырьками пены утончаются вследствие вытекания жидкости, пузырьки лопаются, пена разрушается и, наконец, вместо пены остается одна жидкая фаза-раствор пенообразователя в воде или другой жидкости.

Агрегативную устойчивость пены можно характеризовать временем существования пены, т.е. временем, протекшим с момента образования столба пены до момента полного ее разрушения. Другой способ оценки устойчивости пены заключается в пропускании с заданной скоростью через вспениваемую жидкость пузырьков воздуха и определении равновесной высоты образующегося при этом столба пены. Постоянная высота столба пены устанавливается в тот момент, когда скорость процесса разрушения пены становится равной скорости пенообразования и служит мерой устойчивости пены.

Устойчивость пены удобно также изучать по времени жизни отдельного газового пузырька на поверхности жидкости, граничащей с воздухом. С этой целью пузырек воздуха выдавливают с помощью капилляра с загнутым кончиком в соответствующую жидкость. Пузырек всплывает и, достигнув поверхности, задерживается там на определенное время, прежде чем лопнет. Это время жизни пузырька t _max обычно пропорционально времени существования столба пены в целом. Время жизни определяют по формуле 8

, (8)

где Н – высота столба пены,

V – скорость уменьшения высоты пены.

Устойчивость пены измеряется как t _max или как величина времени, за которое высота пены убывает в 2 раза.

Мыла дают гораздо более устойчивые пены, чем спирты и кислоты, очевидно, в связи с наличием в их молекулах ионогенной группы. Также как для кислот и спиртов, максимальная устойчивость пены отвечает мылам со средней длиной углеводородного радикала и их растворам средней концентрации.

Иначе ведут себя высокомолекулярные пенообразователи. Во-первых, время существования пены в этом случае очень велико и может составлять в обычных условиях сотни и даже тысячи секунд. Во-вторых, время существования пены всегда тем выше, чем выше концентрация высоко молекулярного пенообразователя. Помимо природы и концентрации пенообразователя, на устойчивость пены влияют температура, вязкость раствора, присутствие в жидкой фазе электролитов и рН жидкой фазы. К сожалению, точных данных о влиянии этих факторов на устойчивость пены очень мало. Повышение температуры обычно неблагоприятно сказывается на устойчивость пены. Такое действие повышения температуры можно объяснить десорбцией пенообразователя с межфазной поверхности и понижением вязкости дисперсионной среды, что способствует более быстрому вытеканию жидкости в пленке. Повышение температуры вызывает более быстрое разрушение пены, и вследствие того, что при этом ускоряется испарение дисперсионной сред и пленка обезвоживается. Введение в жидкость не разрушающих пену электролитов уменьшает устойчивость пены, образованных низкомолекулярными пенообразователями, но не приводит к ее полной потере. Повышение вязкости среды всегда повышает устойчивость пены.