Работа № 4. Получение пен и исследование их устойчивости

Цель работы:Получить пену и изучить кинетику ее разрушения

Пенами являются дисперсные системы, в которых дисперсная фаза – газ – распределена в жидкой дисперсионной среде, причем среда представлена в виде тонких прослоек жидкости. Таким образом, пены могут быть определены как высококонцентрированные эмульсии газа в жидкости, подобно обычной высококонцентрированной эмульсии, где имеется вырождение дисперсионной среды в тонкие прослойки, находящиеся между капельками жидкости.

Пены, так же как и эмульсии, находят широкое практическое применение. Они используются при огнетушении, в процессах флотации (пенная флотация), при получении ячеисто-пористых тепло- и звукоизоляционных материалов (пенобетоны, пенопласты, пеностекло), в пищевой промышленности (пастила, мусс) и т. д.

Пена может быть получена встряхиванием раствора пенооб­разователя в цилиндре или пропусканием воздуха через пористый фильтр,, помещенный в раствор пенообразователя. Третий способ получения пен из растворов, дающих высокоустойчивые пены, состоит в том, что струя раствора с определенной высоты падает на поверхность того же раствора, находящегося в ци­линдре.

Пена образуется в том случае, когда скорость образования и подхода пузырьков газа к поверхности жидкости оказывается больше скорости их разрушения. Чем больше скорость образо­вания пузырьков и чем меньше скорость их разрушения, тем более обильная пена может быть получена.

Пены, как в все дисперсные системы, являются термодинами­чески неустойчивыми по причине высокой удельной поверхности и, следовательно, большой величины свободной поверхностной энергии системы.

Для характеристики устойчивости пены обычно принимают время существования пены с момента ее возникновения до полного разрушения или время, за которое высота столба пены убывает в 2 раза.

Устойчивость пены также может быть оценена по времени жизни отдельного пузырька, образованного на поверхности жидкости, или по времени жизни элементарной пленки, образованной данной жидкостью в проволочном (платиновом) кольце. Оба метода могут дать представление об устойчи­вости пены, причем, как правило, устойчивость элементарной пены изменяется параллельно устойчивости пены в целом, хотя в последнем случае могут иметь место более сложные соотношения.

Устойчивость имеет кинетический характер. Рассмотрим, какие же силы обусловливают устойчивость пены, т. е. способность системы определенное время сохранять свое первоначаль­ное состояние.

Многими авторами было показано, что чистые жидкости не дают устойчивой пены, только добавка к ним второго компо­нента может привести к ее образованию. Дистиллированная вода не дает устойчивой пены. Прибавление к ней поверхностно-активных веществ приводит к появлению пены, причем с рос­том концентрации поверхностно-активного вещества интенсив­ность пенообразования увеличивается, проходит через максимум и снова падает для концентрированных растворов. Однако, как показано Ребиндером, такого падения устойчивости с ростом концентрации поверхностно-активного вещества не наблюдается для высокомолекулярных. поверхностно-активных веществ (сапонин, белки), когда устойчивость монотонно возра­стает с ростом концентрации пенообразо­вателя.

Молекулы пенообразователя адсорби­руются на границе раздела фаз таким образом, что их гидрофобная часть на­правлена в сторону газовой фазы, а гид­рофильная — в воду. Гидрофильная часть молекулы гидратируется водой, образуя гидратные слои определенной тол­щины, (как и в случае эмульсий), за­щищающие пузырьки воздуха от коалесценции.

Рассмотрим кинетику разрушения пены. Свеже­приготовленная пена имеет прослойки жидкости, обладающие значительной толщиной и находящиеся между пузырьками газа, покрытыми гидратированными молекулами поверхностно-активного вещества. Толщина гидратных слоев составляет часть от толщины прослоек между пузырьками. Вода, заключенная между пузырьками, начинает стекать вниз — толщина прослойки уменьшается до тех пор, пока гидратные слои двух поверхностей не придут в соприкосновение. Вторым этапом разрушения пены является утончение гидратных слоев и, наконец, достижение прослойкой такой толщины, при которой она становится неустойчивой, что приводит к коалесценции пузырьков.

Наиболее интересным и важным этапом в кинетике разру­шения пены является II этап — разрушение гидратных слоев.

Одна из причин устойчивости таких гидратных слоев — наличие расклинивающего давления в двухсторонних пленках.

Другая возможная причина устойчивости таких слоев — эффект Марангони — Гиббса, состоящий в следующем.

Рис. 4.1. Строение пены

Рассмотрим строение пены (рис. 4.1). Пена состоит из ячеек, построенных аналогично пчелиным сотам. В местах, где соединяются стенки пузырьков, образуются утолщения, в которых жидкость имеет сильно искривленную (вогнутую) поверхность. Жидкость в вогнутых участках пленки находится под гидростатическим давлением Р₁, пониженным по сравнению с давлением Р_о в плоских участках на величину капиллярного давления ∆Р_s = 2σ/r— (где г— радиус кривизны данного участка пленки) и, следовательно, при возникновении пены возникает ток жидкости из плоских участков в углы пленок. Поток жидкости включает в себя и поверхностный слой, обогащенный поверхностно-активным компонентом, который заменяется раствором из внутренних слоев жидкости, менее богатым поверхностно-активным компонентом. Это приводит к увеличению σ на плоской поверхности по сравнению с вогнутой частью, т. е. создается градиент σ, а также поверхностной концентрации поверхностно-активного вещества между плоской и искривленной поверхностью пузырька. Возникает поверхностный противоток жидкости, подпитывающий пленку и мешающий ее дальнейшему истончению. Таким образом, вытекание жидкости из прослойки аналогично протеканию ее в капилляре; чем более тонкой становится пленка, тем медленнее происходит протекание жидкости. Чтобы вся жидкость смогла вытечь из слоя между пузырьками, необходимо определенное время.

Другая причина устойчивости пузырька может лежать в его эластичности. Происхождение ее объясняется следующим: любая деформация сферического пузырька приводит к увеличению его поверхности и, следовательно, к уменьшению концентрации поверхностно-активного вещества на поверхности и увеличению σ. Поэтому деформированный участок стре­мится вернуться к своей исходной форме и тем самым уменьшить σ.

Разрушение пены может происходить за счет роста крупных пузырьков пены и исчезновения мелких. Этот процесс объясняется диффузией газа через пленку из более мелких пузырьков в более крупные и связан с разностью давлений в различных по величине пузырьках.

Наконец, наиболее сильным фактором устойчивости пен, как это следует из работ Ребиндера, является механическая проч­ность слоев, образованных вокруг пузырьков пены. В пределе такие слои могут обладать свойствами твердого тела, а сама система будет беспредельно устойчивой (пенопласты).

Зная причины устойчивости пены, можно объяснить отсут­ствие устойчивой пены для чистых жидкостей. Дистиллированная вода не дает пены, так как в отсутствии поверхностно-активных веществ не могут образоваться гидратные слои вокруг пузырьков воздуха, и, следовательно, нет ника­ких сил, препятствующих их слиянию.

Экстремальная зависимость пенообразования от концентрации низкомолекулярных поверхностно-активных веществ может быть объяснена следующим образом. При больших концентра­циях поверхностно-активного вещества, т. е. при предельном на­сыщении поверхностного слоя молекулами поверхностно-актив­ного вещества, градиент концентрации между поверхностным слоем и объемом раствора наименьший. Таким образом, растя­жение поверхности пузырька или отток жидкости к углам в эффекте Марангони — Гиббса не приводит к значительному увеличению σ, а следовательно, отсутствует сила, препятствую­щая утончению поверхностного слоя жидкости. Наоборот, при меньших концентрациях, когда поверхностный слой еще не является насыщенным и существует значительный градиент концентрации поверхностно-активного вещества между поверх­ностью и объемом жидкости, отток жидкости приводит к более резкому возрастанию σ на поверхности раздела пузырек — раствор, а следовательно, появляется сила, препятствующая такому оттоку.

Отсутствие экстремальной зависимости устойчивости пены от концентрации поверхностно-активного вещества для высокомо­лекулярных поверхностно-активных веществ говорит о другой природе стабилизирующего фактора, которая связана, по-види­мому, с образованием гелеобразных структурированных за­щитных слоев на поверхности пузырька газа. Такие струк­турированные слои обеспечивают значительную устойчивость пен.

Как и в случае эмульсий, стабилизатор, обладающий значи­тельными структурообразующими свойствами, но небольшой поверхностной активностью, может быть вытеснен более силь­ным поверхностно-активным веществом, адсорбционные слои которого не обладают достаточными механическими свойствами. Этот путь является наиболее простым и удобным при необхо­димости разрушения устойчивых пен.

ПРАКТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

Задание 1. Приготовление пены методом встряхивания раствора пенообразователя в цилиндре

Пена может быть получена и более простым способом – встряхиванием раствора пенообразователя в цилиндре с притертой пробкой.

Работа проводится следующим образом. В цилиндр с притертой пробкой (емкостью 50-100 см³) наливают определенный объем (20—50 см³) раствора пенообразователя и встряхивают в течение 15 сек. После прекращения встряхивания включается секундомер и одновременно отмечается объем образовавшейся пены.

Таблица 4.1

Результаты исследования кинетики разрушения пены

Таблица 4.2

Результаты исследования кинетики водоотделения

Далее отмечают изменения объёмов пены и жидкости во времени. Аналогичные опыты проводят с растворами пенообразователя, разбавленными в 2, 4, 8, 16 раз и т. д. (до тех концентра­ций, пока пенообразователь устойчивой пены давать не будет — получающаяся пена мгновенно разрушается). Полученные ре­зультаты заносят в таблицу и строят следующие графические зависимости: 1) максимальный объем образовавшейся пены, как функция концентрации пенообразователя; 2) кинетика раз­рушения пены (Vп—t); 3) кинетика водоотделения (Vж—t).

Задание 2.Оценка устойчивости пены по времени существования элементарной пленки

Устойчивость пены может быть оценена по времени жизни элементарной пленки. Работа проводится следующим образом. Готовится ряд растворов исследуемого пенообразователя с по­стоянно уменьшающейся концентрацией (как и в предыдущей работе с = 1, 1/2, 1/4, 1/8 и т. д.). Исследуемый раствор помещается в стаканчик на 50 см³ и в него погружается платиновое проволочное коль­цо диаметром 15—20 мм. Кольцо осторожно вынимается из жидкости и по секун­домеру фиксируется время с момента образова­ния пленки до ее разрушения. В каждом рас­творе производится 20—30 отсчетов времени жизни элементарной пленки (в секундах). Полу­ченные результаты усредняются. Аналогичные опыты проводятся со всеми исследуемыми кон­центрациями.

Результаты опытов изображаются графиче­ски в виде зависимости: время жизни элемен­тарной пленки — концентрация пенообразова­теля. Полученная зависимость сравнивается с зависимостью, по­лученной в предыдущей работе.

СОДЕРЖАНИЕ И ОФОРМЛЕНИЕ ОТЧЕТА ПО РАБОТЕ

Отчет по работе содержит название, цели, краткое описание работы и выводы об устойчивости пены на данном типе пенообразователя. Экспериментальные данные оформляются графически и заносятся в соответствующую таблицу.

Контрольные вопросы по работе 5.

1. В чем заключается эффект Гиббса-Марангони? По какому критерию следует оценивать приемлемость ПАВ для пенообразования?

2. В чем различаются кривые зависимости Пенообразование –Концентрация ПАВ для низко- и высокомолекулярных пенообразователей?

3. В чем различия механизмов пенообразования низко- и высокомолекулярных пенообразователей?