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泡沫是怎么形成的?表面張力如何影響泡沫的穩定性
來(lái)源:濟南潤禾生物 瀏覽 1686 次 發(fā)布時(shí)間:2024-02-19
泡沫在洗滌過(guò)程中起著(zhù)重要的作用。泡沫是指氣體分散在液體或固體中的分散體系,氣體為分散相,液體或固體為分散介質(zhì),前者稱(chēng)為液體泡沫,而后者稱(chēng)為固體泡沫,如泡沫塑料,泡沫玻璃,泡沫水泥等。
(1)泡沫的形成
我們這里所說(shuō)的泡沫,是指被液體薄膜隔開(kāi)的氣泡的聚集物。這種泡沫由于分散相(氣體)和分散介質(zhì)(液體)的密度相差較大,加之液體的黏度低,因此氣泡總是能很快地升到液面。
形成泡沫的過(guò)程是將大量氣體帶入液體,液體中的氣泡又很快返回到液面,形成由少量液氣隔開(kāi)的氣泡聚集體
泡沫在形態(tài)上具有兩個(gè)顯著(zhù)的特點(diǎn):其一是作為分散相的氣泡常常是呈多面體形狀,這是因為在氣泡的相交處,有一種液膜變薄的趨勢使氣泡成為多面體,當液膜變薄到一定程度,則導致氣泡破裂;其二是,純凈液不能形成穩定的泡沫,能形成泡沫的液體,至少是兩個(gè)以上的組分。表面活性劑的水溶液是典型的易產(chǎn)生泡沫的體系,其生成泡沫的能力與其他性能也有一定的關(guān)系。
起泡力好的表面活性劑稱(chēng)為起泡劑。起泡劑盡管具有良好的泡沫能力,但形成的泡沫不一定能維持較長(cháng)的時(shí)間,即其穩定性不一定良好。為了保持泡沫的穩定,常在起泡劑中加入能增加泡沫穩定性的物質(zhì),這種物質(zhì)稱(chēng)為穩泡劑,常用的穩泡劑有月桂酰二乙醇胺和十二烷基二甲基胺的氧化物。
(2)泡沫的穩定性
泡沫是一種熱力學(xué)不穩定體系,最后的趨勢是破泡之后體系內液體的總表面積減小,自由能降低。消泡過(guò)程就是隔開(kāi)氣體的液膜由厚變薄,直至破裂的過(guò)程。因此,泡沫的穩定程度主要是由排液快慢和液膜的強度決定的。其影響因素還有以下幾種。
①表面張力
從能量觀(guān)點(diǎn)考慮,低表面張力對于泡沫的形成比較有利,但不能保證泡沫穩定。表面張力低,壓差小,排液速度變慢,液膜變薄較慢,有利于泡沫的穩定。
②表面黏度
決定泡沫穩定性的關(guān)鍵因素在于液膜強度,而液膜強度主要決定于表面吸附膜的堅固性,以表面黏度為其量度。實(shí)驗證明,表面黏度較大的溶液所生成的泡沫壽命較長(cháng)。這是因為表面吸附分子間的相互作用導致膜強度增大,從而提高泡沫的壽命。
③溶液黏度
當液體本身的黏度增大時(shí),液膜中的液體不易排出,液膜厚度變薄的速度較慢,延緩了液膜破裂的時(shí)間,增加了泡沫的穩定性。
④表面張力的“修復”作用
表面活性劑吸附于表面的液膜,有反抗液膜表面擴張或收縮的能力,我們將這一能力稱(chēng)為修復作用。這是因為有表面活性劑在表面上吸附的液膜,擴張其表面積將降低表面吸附分子的濃度,增大表面張力。進(jìn)一步擴大表面將需要做更大的功。反之表面積收縮將增加表面吸附分子的濃度,即減小表面張力,不利于進(jìn)一步的收縮。
⑤氣體通過(guò)液膜的擴散
由于毛細壓力的存在,泡沫中小泡的壓力要比大泡壓力高,會(huì )造成小泡中的氣體透過(guò)液膜擴散到低壓的大泡中,造成小泡變小,大泡變大,最終泡沫破裂的現象。如果加入表面活性劑,發(fā)泡時(shí)則可使泡沫均勻細密,不易消泡。由于表面活性劑緊密排列在液膜上,透氣困難,而使泡沫更加穩定。
⑥表面電荷的影響
如果泡沫液膜帶有相同符號的電荷,液膜兩個(gè)表面將互相排斥,防止了液膜變薄乃至破壞。離子型表面活性劑可起這種穩定作用。
綜上所述,液膜強度是決定泡沫穩定性的關(guān)鍵因素。作為起泡劑和穩泡劑的表面活性劑,其表面吸附分子排列的緊密性和牢固性是最重要的因素。表面吸附分子相互作用強時(shí),吸附分子排列結構緊密,這不僅使表面膜本身具有較高的強度,而且因表面黏度較高使鄰近表面膜的溶液不易流動(dòng),液膜排液相對困難,液膜的厚度易于維持。此外,排列緊密的表面分子還能減低氣體分子的透過(guò)性從而也可增加泡沫的穩定性。
(3)泡沫的破壞
破壞泡沫的基本原則就是改變產(chǎn)生泡沫的條件或消除泡沫的穩定因素,因而有物理和化學(xué)兩種消泡方法。
物理消泡就是在維持泡沫溶液的化學(xué)成分不變的情況下改變泡沫產(chǎn)生的條件,如外力的擾動(dòng)﹑溫度或壓力的改變以及超聲處理等都是消除泡沫的有效物理方法。
化學(xué)消泡法是加入某些物質(zhì)與起泡劑發(fā)生作用,降低泡沫中液膜的強度進(jìn)而降低泡沫的穩定性以達到消泡的目的,這樣的物質(zhì)稱(chēng)為消泡劑。消泡劑大多數為表面活性劑。因此根據消泡的作用機理,消泡劑應當具有較強的降低表面張力的能力,容易吸附在表面上,且表面吸附分子間的相互作用較弱,吸附分子排列結構較為疏松。
消泡劑的種類(lèi)多種多樣,但基本上都為非離子表面活性劑。非離子表面活性劑在其濁點(diǎn)附近或濁點(diǎn)以上時(shí)具有防泡性能,常用作消泡劑。醇類(lèi),特別是有分支結構的醇﹑脂肪酸及脂肪酸酯﹑多酰胺﹑磷酸酯﹑硅油等也是常用的優(yōu)良消泡劑。