§ 4 Көбіктер

Көбіктер – дисперстік фазасы газ, ал дисперстік ортасы сұйық болса сұйық көбік, ал дисперстік ортасы қатты зат болса, қатты көбік деп аталатын дисперстік системалар.

Сұйық көбіктер. Жоғарыда айтылғандай сұйық көбік дегеніміз дисперстік фазасы газ, ал дисперстік ортасы сұйық болатын дисперстік системалар екен. Әдетте, дисперстік фазаның көлемі сұйық фаза көлемінен V_c едәуір артық болады. Бұл екі көлемнің қатынасы V_г : V_c = 500 ÷ 1000 болса, мұндай көбіктегі газ көпіршіктерінің түрі қисық сызықты немесе көпбұрышты болады. Ал V_г : V_е = 1 ÷ 10 болса, көбік түрі шар тәрізді болады екен. Көбіктер де беткі қабатында артық энергиясы бар системалар сияқты термодинамикалық тұрғыдан алғанда тұрақсыз. Көбіктердің тұрақтылығы берілген көбік бағанасының жартысына дейін бұзылатынға кеткен уақыт өлшемімен бағаланады.

Сұйық көбікті сұйық құйылған және ауасы бар ыдысты шайқап алады. Осы кезде сұйық ұсақталып, ауамен араласа келіп, көбік құрайды. Сондай-ақ сұйық арқылы ауаны үрлегенде де көбік пайда болады. Бұл әдіс флотацияда жиі қолданылады. Көбіктерді конденсациялық тәсілмен де алуға болады. Кейде химиялық реакция кезінде газ бөлінеді де, ол газды фаза құрайды. Мысалы, өрт сөндіргіштегі сұйық көбік химиялық реакцияға негізделген:

NaHCO₃ + HCI = NaCI + H₂O + CO₂ (62)

Мұндағы су мен көмірқышқыл газы сұйық көбікті түзеді. Ондағы су – дисперстік ортада, көміртек (IV) оксиді – дисперстік фаза.

Әдетте таза сұйықтағы көбіктер көпке төзбейді және олар тез жарылып немесе біріге келіп жойылады. Көбіктерді тұрақтандыру мақсатымен сұйыққа белок, танид сияқты жоғары молекулалық қосылыстарды қосады, олар газ - сұйық жанасу шегіндегі бетке адсорбцияланып, берік қабат құрастырады. Көбіктерді беттік активті заттарды пайдаланып та тұрақтандыруға болады. Олар газ - сұйық жанасу шегінде бағыттала адсорбцияланып, берік қабықша түзеді. Көбікті тұрақтандырушы заттарды көбік тудырушылар деп атайды.

Өмірдегі, өңдірістегі көбіктердің қолданылмалық мәні ерекше, атап айтқанда, минералды майды пайдаланып жүргізген флотациядан гөрі көбікті қолдану әрі тиімді, әрі арзан. Ұнтақталған кенді минералды майды пайдаланып флотациялағанда, оларды суға салып, шамалы ғана флотореагент – эмульгаторды қосып араластырады. Осы кезде түрлі силикаттар мен карбонаттар секілді керексіз өнімдер гидрофилді реагент ретінде тұнбаға шөгеді. Ондағы металл сульфидтері тәрізді құнды өнімдер өзіне флотореагентті адсорбциялап, гидрофобты сипатта болады. Мұның нәтижесінде пайдалы өнім сұйық бетіне көтеріледі.

Көбікті флотация кезінде ұнтақталған кенді сумен және көбік тудырушы заттармен араластырады. Су құнды өнім бетінде адсорбцияланған кезде оған гидрофобты сипат бере алатындай флотореагентті қосады. Енді осы гидрофобты бөлшектер көбікке жабысып, жоғары көтеріледі. Флотация жүргізілетін астаудың төменгі жағында орналасқан трубаның майда тесігінен қысылған ауа жіберіледі. Осы кезде пайда болатын көпіршіктер қажетті өнімді өзіне жабыстырып жоғары көтереді, керексіздер тұнбаға шөгеді.

Сол сияқты көбіктер тамақ өнеркәсібінде де кең қолданылады. Мысалы, қант шырынын диффузиялық әдіспен тазалағанда, сұйық көбік қолданылады. Олар түрлі кондитерлік кремдер мен зефирлерді, сүт және шырын коктейльдерін әзірлегенде де пайдаланылады.

Көбіктің пайда болуы кейбір процестер үшін зиянды. Технологиялық процестер кезінде пайда болатын мұндай сұйық көбіктерді жоюға тура келеді. Көбік сөндіргіштер, көбінесе, көбікті тұрақтандырғышпен әрекеттесіп, көбікті сөндіреді немесе көбік тұрақтандырғыштарды реагентті ортадан ығыстырады.

Қатты көбіктер. Қатты көбіктерде дисперсті фаза газ, ал дисперстік орта қатты дене болады. Оларға көбікті шыны, көбікті бетон, көбікті пластмасса сияқтылар жатады. Олардың бәрі дерлік массасының жеңілдігімен, дыбыс және жылу өткізбейтіндігімен сипатталады. Сондықтан да қатты көбіктер құрылыста, тоңазытқыш құрастыруда жиі қолданылады.

Көбікті жұқа қабаттар

Адам өмірінде көбіктер көп жерде кездеседі: сабынды көпіршіктер, жуу кезіндегі көбіктер, сыра көбігі, құрылыс және қаттау үшін қолданылатын материалдар. Көбік (афрос) сөзінің шығуы теңіз көбігінің әсемдік және махаббат құдайы Афродиттің тууымен байланысты. Бір жағынан көбік пайдалы және көп қолданылады, ал екінші жағынан- зиян келтіреді. Көбіктің құрылымы және қасиеті мен оның негізгі мінездемелерін білу оны халық шаруашылығында қолдануға мүмкіндік береді. Көбік деген не? Көбік - бұл газ ұяшықтарынан тұратын, бір-бірінен қабат арқылы бөлінген деректі дисперсті жүйе, яғни басқаша-бұл сұйыққа дисперленген газ. Барлық көбіктерде дисперсті фаза газ болып табылады, ал дисперсті орта-құрамында көбік түзуші бар сұйық немесе қатты дене. Дисперсті фазаның концентрациясы жеткілікті көп болуы керек. Газдың концентрациясы аз болған жағдайда жүйе газды эмульсия деп аталады.

Көбік қалай түзіледі? Мысалға, құрамында көбік түзушісі бар көпіршік түзетін ерітіндіні (сабанның ПАВ-ы,белоктар,пектинді заттар және басқалары) алайық. Көбік түзушісі бар араластырылған ерітіндіге газ үрлеу арқылы үрлеуге болады немесе сол ерітіндінің бетіндігі ерітінді құрылымының еркін түсуімен алуға болады. Сол бойда сұйық пен көпіршіктің бөліну шекарасында көбік түзуші молекулалар жиналады, топтасады, осы заттың бір қабатынан ”тонмен” бөлініп тұрады. Көпіршіктің тығыздығы өте аз болғандықтан, ол сұйықтың бетіне ұмтылады және оны ұзартады, созады. Бұл жағдайда көпіршік көбік түзушінің тағы да бір қабатымен қабатталады. Осы екі моноқабаттың арасында сұйықтың жұқа қабаты (пленка) болады, сол кезде беттің құрылымы үш қабатты болады (“cэндвич”). Егер ерітіндіде көп ауа (көпіршіктер) болса, онда оның бетінде көбікті жұқа қабат пайда болады, сұйық пен газды араластыру арқылы қалыңдығы ұлғаяды. Ақыр соңында бүкіл сұйық көбікке айналады.

Көбіктер құрылымына байланысты сфералық және көп қырлы болады. Біріншіден құрамында газ аз болады. Олар пайда әкелмейді. Ауырлық күшінің әсерімен көпіршіктің арасындағы сұйықтың қабаты белгілі болады және көпішіктер жоғалады немесе коалисцияланады. Үлкен көпіршіктер жаралып жоғалады және көбік бұзылады. Көп қырлы көбіктерде газ көп, бұндай көбік тиімді. Көпіршіктер қабырғасының қосылатын жерінде қалыңдық пайда болды. Бұнда қисықтық бетке ие сұйықтың гидростатикалық қысымы жазық ауданға қарағанда аз болады.

Сонымен ұяшықты-жұқа қабатты құрылы бар көбік-бұл газ-сұйық жүйесі, яғни бұл көбіктермен бөлінген көпіршіктерден тұратын каркао. Жұқа қабаттар тек сұйық емес, қатты да болып келеді. Көбінесе бұндай пенопластар Q және дыбыс изоляторлары, қаттау ыдыстары ретінде қолданылады.

Көбікті берілген қасиеттерімен алу үшін олардың негізгі мінездемелерін білу керек. Оған көбіктің дисперстілігі, қысқалылығы және уақыт бойынша тұрақтылығы жатады. Көбіктің қысқалылығы - бұл көбік көлемінің сұйық көлеміне қатынысы, яғни сұйықтың бір көлемінен көбіктің қанша көлемін алуды көрсетуші сан. Қысқалылығы 5-10 көбік құрылыста қолданылады, ал 10-20 жуу жұмысында, 70-90 өрт сөндіру кезінде қолданылады. Бұл мінездемені келесі шаралармен анықтауға болады: 1литрлік цилиндірге 98 см³ су және 20см³ көбік түзуші құяды, 30секундтай шайқайды, столға қояды және көбіктің көлемін өлшейді.

Көбіктің дисперстілігі - бұл көпіршіктің өлшемі. Дисперстіліктен микробиологиялық және химиялық өндірістегі көптеген технологиялық процестердің жылдамдығы, өрт сөндіру кезіндегі эффектілік, балқытылған пластмассаның сапасы, тәттінің және балмұздақтың дәмі тәуелді болады. Көбіктің дисперстілігін анықтау үшін сұйық азотты қатырады, лазерлі сәулемен өлшейді және нәтижелерін ЭВМ-да өңдейді.

Көбіктің тұрақтылығы - бұзылуға дейінгі көбіктің бар екенін сипаттайды. Көбікті алудың әдісі мен уақытына, көбік түзуші мен сұйық фазаның табиғатына, тұрақтылығына температура әсер етеді. Сұйық жұқа қабатты көбіктер ұзаққа шыдамайды.

Көбіктің қайнату кезіндегі тығыздығын, сабынның көбігінің тұнуын бақылай отырып көз жеткізуге болады. Қатты қабатты көбіктер шектеусіз көп уақыт бойы өмір сүре алады.

Көбіктер өз бетінше немесе сыртқы факторлардың әсер етуінен (температураның, қысымның, механикалық әсердің) бұзылады. Қабаттың бұзылуын және сұйық жұқа қабаттың қалыңдығының азаюы әдетте бұзылу барысында бір көпіршіктен екіншіге ауаның ағуынан (өлшемі мен пішінінің өзгерісіне әкеліп соқтырады) байқалады. Тұрақтылықтың негізгі факторы көпіршіктің механикалық беріктілігі болып табылады. Көбіктің “өмір” сүруін ұзарту үшін құрылымын құрушы және жұқа қабаттың механикалық қасиетін тудырушы заттар керек. Бұндай заттар жұқа қабатқа гель сияқты құрылым береді, беріктендіреді және сондықтан стабилизаторлар деп аталады. Оларға желатин, белоктар, крахмал, желім, агар-агар жатады. Олар жұқа қабатты сұйықтардың жұқалылығын жүз есеге, ал тұрақтылығын 2-8 есе үлкейтеді. Көп эффектілі стабилизаторлар бұл көбіктің көлемінде полимеризацияланушы зат.

Полимеризация жұқа қабаттың беріктілігін кейбір жағдайда қаттыға өту арқылы есейтеді. Бұндай заттарға синтетикалық смолалар, латекстер және т.б. жатады.

Құрамына көбік түзуші мен ерімейтін жоғары дисперсті тұнбаларды енгізе отырып, көбікті тиімді пайдаланады. Бұндай стабилизаторлар ауыр металдардың (Cu, Fe, Bа) тұздары болып табылады. Сұйық- газ (жоғары майлы спирттер) аралығының шекарасында адсорбциялық қабат тұрғызуға қатысушы қосылыстар, қатырушылар (глицерин, этилен-гликоль), сонымен қатар жұқа қабатқа ұсақ бөлшектердің жабысу көмегімен көбіктерді тиімді пайдаланушы (стабилизирующие) заттар (брондау) стабилизаторлар бола алады. Бұндай бөлшектер тальк, асбест, кварц, күйік болуы мүмкін.

Көбіктің тұрақтылығын кейбір кезде бұзу (“сөндіру”) керек. Бұл үшін көбікке көбік сөндіргіштер (спирттер, кетондар) қосады, олар жұқа қабатты беріксіздендіреді. Көбіктен сұйықтың ағуы көлемін өзеріссіз сыртқы ортаның әсерінен құрылымының түзілуі және жұқа қабаттың жіңішкеруі үшін қажет. Егер көбік түзушінің қабатына созылып ағушылық қасиет берілсе, бұл орындалуы мүмкін. Халық шаруашылығында көбіктер көп қолданылады. Солардың кейбіреуін қарастырамыз. Табиғи материалдан керекті компонентті алу үшін оларды бірінші байытады, яғни бос керек емес тұқымнан бөліп алады (мұнайды-судан, табиғи газды- шаңнан, сүттің майын- бойындағы суынан, руданы- керек емес қоспалардан және т.б.). Байыту пайдалы және бос тұқымдардың қайсыбір қасиеттерін айыруға негізделген. Бұл тұқым өлшемінің, тығыздықтың, түсінің, жылтырлығының, магниттік, электрлік, химиялық қасиетінің, ылғалдылығының және т.б. айырмашылығы болуы мүмкін. Мысалы, руданы флотациялау кезінде ылғалдылықтың айырмашылығы қолданылады. Руданы ұсақтайды, ПАВ ерітіндісімен араластырады, суспензия арқылы ауа үрлейді және қатты шайқайды. Көпіршіктерге минералдың гидрофаты бөлшектері жабысады, олар көбік түзе жоғары жүзіп шығады, ал сумен жақсы ылғалданған бос тұқым түбіне тұнады.

Флотацияланған қоспаның гидрофобты қасиетін көбейту үшін коллекторға кіргізеді (олеин және нафтен қышқылы, ксантогенаттар, фосфаттар), ал көбіктенуін жақсарту үшін эфир майын, мысалы, қарағай майын қосады. Флотация көбік рудаларын тек байыту үшін ғана емес, сонымен бірге суды тазарту, мысалы, тұзды кетіру үшін де қолданылады. Өндіріс көбіктің түзілуіне негізделген гигиеналық, косметикалық және порфюмерлік бұйымдарды көп мөлшерде шығарады. Бұл сабын, шампунь, қырынуға арналған крем, шашқа арналған краска, тіс пастасы, дезодоранттар.

Қаттаушылар 2 тысты материалдар дайындайды: жоғарғысын замыштан, нейлоннан, жеңілдетілген брезенттен, ал астынғысын - эластикалық поролоннан. Осындай “тонмен” өсімдіктерді салқыннан қорғау үшін киіндіреді. Ол үшін өсімдікке мочевиноформальдегид көбігін салқын түскен кезде шашады. Бірнеше күннен кейін бұндай көбік бұзылады, өсімдікті қоректі заттармен байыта отырып. Егер қалдықтарды тез қататын көбікпен жапса, онда одан бактериологиялық қоспалар тез ағады, газдар ұшып кетеді, ал тұнбаны жағуға болады. Көбіктерді грунтты, бетонды, себілгіш денені (көмір, руда ), қант қызылшасын қатудан сақтау үшін қолданады. Бұндай “одеяло” ерудің және қатудың 50 циклына шыдайды. Көбікті азық-түлік, тағам ретінде қолдану өте маңызды. Көбіктелген жағдайда сұйық үлкен бетке ие болады және сондықтан тәттілік дәмі де мол болады.

Кондитерлер белоктық және желінетін көбік түзушілерді қолданады. Бізде - бұл белокпен шекердің ұнтақталып араластырылған қоспасы. Бұл қоспаға орех, сироп, қоюланған сүт қосып, торт, тәтті, суфле, “птичье молоко” алады. Пастила - бұл жеміс-жидек пюресі және шекердің, жұмыртқа белогының ұрылған қоспасы. Олардың тиімділігі үшін агар-агар қосылады. Көбік варенье, сүт, бульон қайнатқанда пайда болады. Осылай, көбіктер матералдар алу қатарын тездетуді, энергияның шығындалуын төмендетуді конструкциялар мен бұйымдар алудың салмағын азайтуды, сұйық пен газды басқа қоспалардан тазартуды, киімді жууды, машинаны тазалауды және т.б. қамтамасыз етеді.