Реферат: Пенообразование в растворах поверхностно-активных веществ

По второму механизму частицы действуют как поверхностно-активные компоненты. Для гидрофильных частиц это достигается модифицированием путем адсорбции или химического «пришивания» к поверхности частиц гидрофобных фрагментов. Слишком высокая гидрофобность частиц приведет к их осаждению. Если получить частично гидрофобизированные частицы, они будут вести себя как поверхностно-активные вещества и проявлять сродство к поверхности вода-воздух. Такие системы образуют очень устойчивые пены. Наилучшая стабилизация достигается, когда краевой угол воды близок к 90°. В этом случае одна половина частицы погружена в жидкость, в другая находится на воздухе.

Аналогичным образом белки стабилизируют пены при значениях рН, близких к изоэлектрической точке. Сильно заряженные белки обычно легко растворяются в воде и не обнаруживают поверхностной активности, а при рН, близких к изоэлектрической точке, белки менее растворимы. Поверхностная активность полимера повышается при уменьшении объемной растворимости. Это справедливо и для белков. Белки концентрируются на границе раствор-воздух по мере приближения рН к изоэлектрической точке. Повышение поверхностной активности отражается в повышении пенообразующей способности. Однако в изоэлектрической точке уменьшается растворимость белка.

Рис. 10. Твердые частично гидрофобизированные частицы действуют как пенообразователи. Оптимальная стабилизация пен достигается, если частицы образуют с водой краевой угол -90°

Пеногасители

В промышленных процессах пенообразование обычно нежелательно, поскольку оно препятствует производству продукта с высокими скоростями. Если пена все-таки появляется в таких системах, как правило, для борьбы с ней в систему вводят вещества, обладающие пеногасящими свойствами. Обычно это поверхностно-активные вещества или системы, разрушающие пену за счет растекания по пенной пленке. Например, пены, стабилизированные ионными ПАВ, можно легко разрушить, распыляя октанол поверх пены. Капли октанола, обладая очень низким поверхностным натяжением, растекаются по пенным пленкам. Этот процесс захватывает слой жидкости под поверхностью, вызывая утончение пенной пленки вплоть до ее разрыва.

Отметим, что октанол можно использовать только путем его распыления. Предварительное смешивание октанола с раствором ПАВ может, наоборот, привести к стабилизации пены, поскольку добавки октанола часто приводят к образованию ламелярной жидкокристаллической фазы с очень высокой способностью стабилизировать пенные пленки. Понятно, что октанол следует использовать с осторожностью, поскольку в конце концов могут образоваться даже более устойчивые пены. Другой механизм пеногашения под действием органических веществ, в том числе и октанола, может состоять в локальном увеличении общего КПУ системы из-за внедрения органических молекул между углеводородными фрагментами молекул ПАВ в монослое на границе вода-воздух. При этом возрастает вероятность возникновения дырок в пенных пленках, в результате происходит понижение пенообразующей способности.

Рис. 11. Согласно общепринятому механизму пеногашения, пеногаситель растекается по поверхности пенной пленки и выталкивает из нее слой жидкости, вызывая утончение пленки вплоть до ее разрыва

С учетом механизма растекания разрабатываются составы моющих средств для посудомоечных машин. Обычно для этих целей используют очень гидрофобные ПАВ типа EO_n - PO_m - EO_w или PO_m - EO_w - PO_m . Такие ПАВ в воде образуют дисперсии, действующие по механизму растекания.

Еще один тип широко используемых пеногасителей основан на силиконовом или минеральном маслах. Капли масла из объема жидкости внедряются в поверхность вода-воздух и растекаются по ней, вызывая разрушение пены, поскольку масла совсем не обладают упругостью. Условие растекания масла по поверхности воды состоит в том, что коэффициент растекания должен быть положительным:

где Ywи г₀ — поверхностное натяжение жидкости, образующей пену, и гасящего пену масла соответственно; y_w /₀ — межфазное натяжение на границе между этими жидкостями. Поверхностное натяжение органических жидкостей обычно находится в интервале от 25 до 40 мН/м, что близко к значениям поверхностного натяжения пенообразующей жидкости в условиях, когда растворенные в ней ПАВ стабилизируют пену. В связи с этим условие растекания требует, чтобы межфазное натяжение границы раздела пеногасящее масло-пенообразующая жидкость было очень низким. Если неравенство не выполняется, масло образует на поверхности вода-воздух линзы. Силиконовые масла относятся к очень хорошим пеногасителям, поскольку имеют низкое поверхностное натяжение и очень низкое межфазное натяжение на поверхности силиконовое масло-вода. Но иногда силиконовые масла оказывают вредное влияние на свойства конечного продукта, тогда их нужно заменять другими веществами с аналогичными свойствами, например минеральными маслами. Эти масла часто имеют более высокие межфазные натяжения на границе минеральное масло-вода, и в этом случае они не растекаются самопроизвольно по поверхности вода-воздух. Для инициирования растекания в минеральные масла вводят определенные ПАВ, например длинноцепочечные жирные амиды. ПАВ адсорбируются на межфазной границе масло-вода, понижая межфазное натяжение. Такие добавки не должны растворяться в водной фазе, поскольку в противном случае они будут переходить из минерального масла в воду, понижая эффективность действия пеногасителя.

В качестве добавок к минеральным маслам-пеногасителям используют также и твердые частицы. Их роль заключается в разрушении так называемых псевдоэмульсионных пленок, иногда возникающих между каплей масла и воздухом. Такая псевдоэмульсионная пленка препятствует вхождению капель масла в поверхностный слой, несмотря на энергетический выигрыш процесса. По-видимому, это происходит из-за высокой вязкости таких пленок.