Методы оценки пенообразующей способности ПАВ

В настоящее время существует ряд критериев для оценки пенообразования[9]:

Свойства одинарной пленки. Еще Плато установлено, что время жизни пленки обратно пропорционально ее площади поверхности, так что сравнивать пенообразующую способность различных ПАВ необходимо при одинаковой площади поверхности пленки.

1. Время жизни пузырьков. Чем меньше пузырек, тем он устойчивее.

2. Время жизни пены. Для определения времени жизни или времени полураспада существует ряд приборов, описанных в книге Бикермана и в других литературных источниках.

3. Высота столба или объем пены. Оба показателя являются полуколичественными, так как зависят от условий получения пены, сосуда, скорости подачи газа и т. д. В зависимости от размера пузырьков объем или высота столба пены резко изменяются. Количественными эти показатели могут быть при учете дисперсионного состава пены. Как и в случае эмульсии, общая поверхность пузырьков пены является более объективной, независимой от исследователя и методов получения характеристикой. Однако иногда методы оценки по высоте столба или объему пены успешно используются, тем более что определить дисперсность пен значительно сложнее, чем эмульсий.

Методы, включающие в критерий несколько первичных параметров. Вероятно, одним из первых в этом ряду стоит критерий, предложенный Ледерером и представляющий отношение объема жидкости, перешедшего в пену, к объему газа. Критерий более объективен, чем объем или высота столба иены.

Сойфером для оценки пенообразования в ферментерах при производстве антибиотиков использован критерий, представ­ляющий собой функцию высоты подъема пены Н_п за время τ_пи времени жизни пены т_ж:

Пригородовым предложено уравнение пенообразования

где V_n — объем пены; θ(dnldx) — объем воздуха в пене; dn/dτ — скорость разрушения пены; θ — коэффициент, характеризующий скорость разрушения; k(dnldτ) — объем воздуха в газовой эмульсии; k — коэффициент.

Однако критерии и уравнения включают в себя независимые параметры, такие, как количество образовавшейся пены, ее устойчивость и диспергируемость газа. Следовательно, в некоторых случаях сравниваются пены, отвечающие одинаковым критериям, но обладающие различными свойствами.

Критерии типа q пригодны при сравнении технологических свойств пен, а не для определения пенообразующей способности ПАВ. В этом отношении уравнение Пригородова имеет преимущество, так как в нем устойчивость и диспергируемость отражаются разными коэффициентами.

При определении пенообразующей способности ПАВ необходимо знать:

а) насколько устойчивой получается пена с помощью данного ПАВ, т. е. время жизни или время полураспада пены, так как константу скорости коалесценции пены в настоящее время определить трудно;

б) какое количество пены можно получить с помощью данного ПАВ; характеристиками являются максимальная поверхность, которую может стабилизировать данное ПАВ, и объем полученной пены; обе характеристики связаны друг с другом дисперсностью ;

в) условия, при которых ПАВ является стабилизатором; эти условия сводятся к выявлению зависимости устойчивости пены от концентрации ПАВ.

Чтобы проанализировать связь структуры ПАВ с их пенообразующими свойствами, необходимо рассмотреть механизм стабилизирующего действия ПАВ. В литературе по ряду принципиальных вопросов механизма пенообразования не существует единого мнения. Так, Барч, Зонтаг, Венстрем и Ребиндер указывают, что максимальная устойчивость пен наблюдается при концентрациях ПАВ более низких, чем те, при которых дости­гаются насыщенные адсорбционные слои. Шелудко и Эксерова предположили, что только при насыщенном адсорбционном слое наблюдается высокая устойчивость пен, при этом на поверхности пленок появляются черные пятна. Такой вывод сделан при сравнении зависимостей времени жизни пены, изменения поверхностного натяжения и потенциала диффузного электрического слоя с концентрацией, при которой образуются черные пятна.

В работе рассмотрена пенообразующая способность коллоидных ПАВ типа мыл и истинно растворимых ПАВ (карбоновые кислоты, спирты и т. д.). Для спиртов и кислот характерно наличие определенной концентрации, при которой наблюдается их оптимальная пенообразующая способность. Для изоамилового спирта стабильность пены и единичного пузырька достигает максимального значения при 52*10^-3 и 41*10^-3 моль/л, соответственно. В то же время определенное из изотермы поверхностного натяжения значение концентрации, при которой достигается насыщение адсорбционного слоя, составляет 50*10^-3 моль/л. Существование максимума для подобного рода ПАВ неоднократно наблюдалось. Ниже приведены значения оптималь­ных концентраций С_опт пенообразования для ряда кислот, по данным Барча, в сравнении с концентрациями ПАВ С_т, при которых достигается предельная адсорбция этих кислот:

Как видно из данных таблицы, для всех кислот (кроме двух первых членов ряда, а также для масляной кислоты, которая, и по данным Барча, показала завышенные значения С_опт в ряду жирных кислот) можно заметить соответствие между С_опт и С_т.

Для коллоидных ПАВ характер зависимости времени жизни пузырька и пены изменяется. Абсолютные значения времени жизни увеличиваются до нескольких суток. После достижения концентрации С_т и до критической концентрации мицеллообразования наблюдается резкое возрастание устойчивости пу­зырька С_уст и пены С_уст. Из данных табл. 3-23 видно, что концентрации, которым соответствует резкое повышение времени жизни пузырька и пены, практически совпадают с С_т.

Показано также, что при концентрации коллоидных ПАВ выше С_т остаточная концентрация С_ост, т. е. концентрация ПАВ в растворе после многократной сепарации пены из раствора до тех пор, пока пенообразование не прекращается, доходит до постоян­ного минимального значения, близкого С_т. Ниже С_т изменения концентрации в растворе не происходят. Эти результаты под­тверждают необходимость насыщения адсорбционного слоя для образования устойчивой пены.

Иная картина наблюдается в случае низкомолекулярных истинно растворимых ПАВ. Наличие максимума пенообразования при концентрации ПАВ в объеме, соответствующей насыщению адсорбционного слоя, приводит к тому, что при пропускании воздуха через раствор не происходит концентрирования ПАВ в пене, так как при исходной концентрации, большей или меньшей С_т, устойчивость пены низка и остаточная концентрация совпадает с исходной.

На рис. 3-18 наблюдается увеличение устойчивости пены и после достижения С_т, т. е. Г_т на поверхности. Проанализируем причины этих фактов.

ТАБЛИЦА 3-23. Значения С_т и характеристики пенообразующей способности изоамилового спирта и коллоидных ПАВ

В соответствии с механизмом коалесценции пены скорость этого процесса должна быть пропорциональна поверх­ностному натяжению (движущая сила коалесценции), средней поверхности Sпл элементарной пленки пены и числу п пузырьков в пене:

Константа скорости коалесценции для пен по аналогии с эмульсиями может быть записана как:

Тогда уравнение (3-9) примет вид:

С помощью этой формулы можно объяснить многие факты:

1. Увеличение устойчивости пены после достижения С_т.

С ростом концентрации ПАВ поверхностное натяжение уменьшается и после С_т. Вследствие этого понижается и скорость разрушения пены для коллоидных ПАВ.

2. Чем больше поверхность пленок пены, тем она менее устойчива.

3. Чем больше работа адсорбции ПАВ, тем устойчивее пена.

После появления на поверхности капелек жидких спиртов или кислот устойчивость пен понижается, так как десорбция возможна в органическую фазу, при этом W_o < W_в .

Поиск по сайту: