Методы получения пен

Установлено, что образование сколько – нибудь устой­чивой пены в чистой жидкости невозможно. Пену мож­но получить только в присутствии специального веще­ства стабилизатора, часто называемого пенообразова­телем.

Основные стадии образования пены можно проследить на примере поведения нескольких пузырьков газа, всплы­вающих в воде, содержащей пенообразователь. В каче­стве пенообразователя возьмем ПАВ. Как только в таком растворе появятся пузырьки газа, на их поверхности нач­нут адсорбироваться молекулы ПАВ и образуют евоеобразную «шубу», состоящую из одного слоя молекул. Всплывая, каждый пузырек достигает поверхности жид­кости, давит на нее, растягивает и образует полусфери­ческий купол. Молекулы пенообразователя из раствора устремляются к растущей поверхности, адсорбируются на ней, предотвращал разрыв пленки жидкости. Таким образом, пузырек оказывается окруженным оболочкой уже из двух монослоев пенообразователя, между которы­ми находится пленка жидкости.

Адсорбционные слои ПАВ обеспечивают длительное существование возникающих пленок. Увеличение чис­ла пузырьков на поверхности раствора приводит к их сближению, при этом форма пузырьков постепенно пе­реходит из сферической в многогранную, а толщина жидких перегородок уменьшается, возникают тонкие жидкие пленки. В результате на поверхности раствора сначала образуется монослой газовых пузырьков, затем формируются последующие слои, что приводит к воз­никновению объемной пены, В результате вся жидкость превращается в пену.

Пену, как любую дисперсную систему, можно полу­чить двумя путями: из грубодисперсных систем, исполь­зуя диспергационные методы, и из истинных растворов с помощью конденсационных методов.

ДИСПЕРГАЦИОННЫЕ МЕТОДЫ

Эти методы основаны на дроблении газа на пузырьки при подаче его в раствор пенообразователя. Обычно не­большие порции газа вводят в раствор и дробят их до мелких пузырьков. Легче всего этого добиться, продувая газ через трубку, опущенную в жидкость.

В промышленности обычно используют следующие принципы.

1. Прохождение струй газа через жидкость в аэрационных и барботажных установках, в аппаратах с «пен­ным слоем», в пеногенераторах с сеткой, орошаемой ра­створом пенообразователя.

2. Действием движущихся устройств на жидкость или движущейся жидкости на преграду (в технических аппа­ратах с быстроходными мешалками; при взбивании, встря­хивании, переливании растворов).

3. Эжектирование (франц. `еjection – выбрасывание) воздуха движущейся струей раствора в пеногенераторах.

В настоящее время в технике пены готовят, в основном, диспергационными методами. Во всем мире непрерывно ведется разработка более эффективного оборудования.

КОНДЕНСАЦИОННЫЕ МЕТОДЫ

В этих случаях будущая газовая фаза вначале присут­ствует в виде отдельных молекул, из которых затем обра­зуются пузырьки. Конденсационный способ пенообразования можно осуществить четырьмя путями.

Первый путь – изменить параметры физического со­стояния системы:

• понижая давление пара над раствором;

• повышая температуру раствора.

Этот метод почти мгновенного вспенивания служит наглядной иллюстрацией закона: растворимость газа в жидкости увеличивается при повышении давления и по­нижении температуры. Если снизить давление и увеличить температуру, газ, растворенный в жидкости, сразу начнет выделяться из нее и, если жидкость содержит пенообразователь, образуется пена. Стойкость пены за­висит от свойств и концентрации пенообразователя. Так, лимонад почти не содержит веществ, которые могут иг­рать роль пенообразователей, поэтому, когда мы нали­ваем его из бутылки в стакан, возникающая на поверх­ности жидкости пена почти мгновенно разрушается. Другое дело пиво, которое содержит много пенообразо­вателей.

Аналогичная картина наблюдается при кипячении жидкостей. Если кипящая жидкость содержит пенообра­зователь, то на ее поверхности образуется пена, объем и стойкость которой зависят от природы и концентрации пенообразователя. Достаточно сравнить кипящую воду и кипящее молоко – обильная пена, возникающая над по­следним, переливается через край кастрюли, попадает на раскаленную плиту и превращается в аэрозоль, который образуется из продуктов горения пены.

Второй путь – провести химическую реакцию, со­провождающуюся выделением газа. Примерами могут служить взаимодействие соды с кислотой, пероксида водорода с перманганатом калия, разложение карбоната аммония. Этот путь используется при приготовлении пресного теста, когда в качестве разрыхлителя исполь­зуют питьевую соду NаНСО₃ или карбонат аммония (NH₄)₂CO₃

2NaHCO₃ + 2Н⁺ = Na₂CO₃ + Н₂О + CO₂ .

(NH₄)₂CO₃ + 2Н⁺ = 2NH₃ + H₂O + CO₂ .

Эти реакции протекают в кислой среде, поэтому в муку добавляют лимонную кислоту или смешивают с ней разрыхлитель, готовя так называемый пекарский порошок.

Третий путь – использовать микробиологические процессы, сопровождающиеся выделением газов, чаще всего СО₂.,

Таким путем получают дрожжевое тесто – под дей­ствием дрожжей идет спиртовое брожение гексоз:

С₆Н₁₂О₆ 2СО₂ – +2С₂Н₅ОН.

Выделяющийся углекислый газ обусловливает разрых­ление теста, оно увеличивается в объеме в несколько раз. При производстве пива углекислый газ также образуется в результате микробиологического процесса.

Четвертый путь связан с электрохимическими про­цессами. При электролизе воды на катоде выделяется водород, а на аноде – кислород. За счет пузырьков газа в присутствии ПАВ, вводимого в раствор, образуется пена. Этот метод используется при электрофлотации.

Конденсационные методы широко применяются в пи­щевой промышленности, при производстве пенопласт – масс, в бытовых огнетушителях, в технологии производ­ства пенобетона.