Устойчивость пен

В отношении пен, как и других дисперсных систем, различают агрегативную и седиментационную устойчивость.

Пены относятся к термодинамически неустойчивым лиофобным дисперсным системам. Избыточная поверхностная энергия [см. формулу (16.2)] вызывает процессы, которые ведут к изменению размеров пузырьков пены и к ее разрушению, и определяет агрегативную устойчивость пен. Из всех лиофобных дисперсных систем с жидкой дисперсионной средой пены самые неустойчивые.

Как уже отмечалось подвижность границы раздела Ж—Г и стекание жидкой дисперсионной среды за счет гравитации приводит к уменьшению размеров пузырьков пены. Одновременно происходят процессы, ведущие к увеличению размеров пузырьков.

К числу их относится диффузия газов (воздуха) из мелких пор в более крупные, а также за счет утончения и прорыва слоя жидкости между пузырьками. Последний процесс по аналогии со слиянием капель называют коалесценцией. Повышение размеров пузырьков сопровождается структурной перестройкой пены — перемещением узлов и каналов, что может способствовать разрушению пены. Кроме того, разрушение пены вызывают внешние факторы, такие как уменьшение или увеличение давления и ряд других.

Основным параметром, характеризующим агрегативную устойчивость пен, является скорость уменьшения в единице объема пены удельной поверхности (v _y.п) или увеличения размеров пузырьков за счет их укрупнения (Δ v ^/_у.п). За агрегативную устойчивость (А _у) принимают величину, обратную скорости снижения удельной поверхности v _у.пили скорости увеличения среднего размера пузырьков v ^/_у.п, а именно

(16.4)

Сопоставление агрегативной устойчивости различных пен v _y.п проводят при одинаковом значении удельной поверхности или размеров пузырьков:

На практике оценку агрегативной и седиментационной устойчивости пен проводят при помощи коэффициента устойчивости К _У, который выражается уравнением

К _у= τ_p/ V _п, (16.5)

где τ_р, V _п— время разрушения и первоначальный объем пены.

Коэффициент устойчивости определяют по времени жизни столба пены определенной высоты, чаще 3 или 5 см. Кроме того, устойчивость пены определяют по времени ее разрушения в зависимости от приложенного давления. Так, время τ_pдля столба пены высотой 3 см, образованной при использовании альбумина в качестве пенообразователя (0,1 моль/л) при давлении 10⁴Па, составляет 11 ± 2 мин.

Пленки, обрамляющие пузырьки и образованные однокомпонентной жидкостью, спонтанно утончаются до определенной критической толщины разрыва (≈30 нм). Поэтому в однокомпонентной жидкости время жизни пены ничтожно мало; пены разрушаются практически сразу после их образования, т.е. после прекращения механического воздействия. Пенам придают ycтойчивость ПАВ. В присутствии ПАВ по достижении критической толщины пленки не разрываются, а скачкообразно переходят в более тонкие пленки, толщиной 5—10 нм, которые получили название «черные пленки». Эти весьма тонкие пленки не отражают свет и на темном фоне выглядят черными; отсюда их название.

Полиэдрические пены (см. рис. 16.1, в) образуют каркас, который в известной степени придает этим пенам агрегативную устойчивость. Однако эта устойчивость нарушается в результате утончения стенок, укрупнения крупных ячеек пены за счет исчезновения мелких, разрыва пленок жидкости и отекания ее в нижнюю часть пены под действием гравитации.

Когда концентрация дисперсной фазы незначительна и образуются шарообразные пузырьки газа, способные к взаимному перемещению, говорят о седиментационной неустойчивости пен. Пузырьки получают возможность всплывать, и тем самым нарушается седиментационная устойчивость пен.

Для получения пен, а также для придания им необходимой устойчивости применяют специальные вещества, называемые пенообразователями. Пенообразователи могут быть двух типов. Первые из них дают малоустойчивые пены, время жизни которых исчисляется всего десятками секунд. К ним относятся спирты, низшие члены ряда жирных кислот, ряд других ПАВ, не обладающих моющим действием (см. гл. 21).

Ко второму типу пенообразователей относятся мыла и синтетические коллоидные ПАВ (см. параграфы 21.1—21.3). К этому же типу принадлежит ряд природных ВМС, к числу которых относятся белки, желатин и др. Время жизни пен под действием подобных реагентов составляет уже минуты и даже часы.

Пены, полученные встряхиванием воды, исчезают мгновенно. Золи муки способны создавать пену в присутствии пенообразователей первого типа. Взбитые сливки, в состав которых входят пенообразователи второго типа, являются уже более устойчивой системой.

Устойчивость пены в присутствии пенообразователей определяется кинетическим, структурно-механическим и термодинамическим факторами, которые могут действовать отдельно или в совокупности. В случае использования ПАВ эти факторы обусловлены одним и тем же — адсорбцией молекул в тонком слое жидкости оболочки пены. Подобный слой в увеличенном масштабе показан на рис. 16.3. Кинетический фактор связан с изменением поверхностного натяжения на границе раздела фаз. Если этими фазами являются жидкость (вода) и газ (воздух), то для пен речь идет о поверхностном натяжении σ_ЖГ. В результате изменения поверхностного натяжения замедляется отток жидкости из пены и ее утончение, что приводит к увеличению времени жизни пены.

Адсорбционный слой ПАВ изменяет структуру поверхности границы фаз и определяет механическую

прочность этой структуры. Кроме того, в тонком слое (см. рис. 10.4) возникает расклинивающее давление, которое препятствует утончению пленки и характеризует термодинамический фактор устойчивости.

На практике иногда необходимо исключить пенообразование как нежелательный процесс. Для разрушения образующейся пены применяют различные механические, физические и химические способы. Механические способы осуществляются струей воздуха, с помощью вращательных (мешалок, центрифуг) и других устройств. Физические способы основаны на термическом воздействии (нагрев, охлаждение), использовании электромагнитного излучения и вибрации. Широко распространен химический способ борьбы с пенообразованием путем использования специальных веществ, называемых пеногасителями. К их числу относятся жиры, масла, некоторые ПАВ, эфиры, жирные кислоты и ряд органических соединений. Так, например, при производстве сахара, когда образующаяся пена отрицательно сказывается на выходе готового продукта, в качестве пеногасителя применяют серосодержащие органические соединения.