Поверхностно-активные вещества в золь-гель технологии

выше, чем неионогенных, что связывают с большей скоростью образования адсорбционных слоев.

Факторы, влияющие на устойчивость пен. Исследова-

ния свойств пен проводятся в основном на свободных пленках, являющихся вполне адекватными моделями пленочной структуры пен. Современная классификация пленок выделяет два основных типа – толстые пленки, внутри которых имеется слой жидкости, обладающий свойствами объемной жидкой фазы, и тонкие – образованные поверхностными слоями.

Устойчивость пены можно характеризовать временем ее существования, т.е. временем, протекающим с момента образования пены до полного ее разрушения. Другой способ оценки устойчивости пены заключается в пропускании с заданной скоростью через вспениваемую жидкость пузырьков воздуха и определении равновесной высоты образующегося при этом столба пены. Различают следующие факторы устойчивости пен: кинетический, структурно-механический и термодинамический.

Кинетический фактор устойчивости пены связан с образованием стабилизирующих адсорбционных слоев ПАВ, которые уменьшают скорость течения по каналам и пленкам. Утончение пленки вследствие истечения жидкости в пенах происходит неравномерно. Отдельные участки пленки вокруг газового пузырька становятся очень тонкими, растягиваются, это приводит к уменьшению концентрации ПАВ на их поверхности и, следовательно, к увеличению поверхностного натяжения. Вследствие этого раствор с повышенной концентрацией ПАВ из зоны низкого поверхностного натяжения, т.е. из участков с утолщенной пленкой, устремляется к истонченным зонам, которые самопроизвольно утолщаются.

Структурно-механический фактор стабильности пены свя-

зан со специфическим упрочнением тонких пленок за счет гидратации адсорбционных слоев, а также за счет повышения вязкости межпленочной жидкости. Для повышения вязкости межпленочной жидкости и замедления ее истечения в раствор ПАВ добавляют

122

определенные вещества. Это один из самых распространенных способов стабилизации пен. В зависимости от требований к стойкости пены и технологических условий производства выбирают те или иные стабилизаторы. При производстве кондитерских пен часто используют вещества, вызывающие образование в пленках жидкости коллоидных частиц, врезультате обезвоживание пленок очень сильно замедляется. Кколлоидным стабилизаторам относятся желатин, агар, пектин, крахмал. Это эффективные загустители, значительно увеличивающие вязкость жидкости в пленках иустойчивость пен. При использовании загустителей к действию кинетического фактора, характерного для ПАВ, добавляется струк- турно-механическийфакторустойчивости.

Термодинамический фактор устойчивости часто называют расклинивающим давлением. Он проявляется в тонких пленках, когда возникает избыточное давление, препятствующее их утончению под действием внешних сил. Причиной расклинивающего давления в пленках пены, стабилизированных ионогенными веществами, является отталкивание двойных электрических слоев, образованных ионами пенообразователя в растворе около обеих поверхностей пленок, т.е. реализуется электростатическая составляющая расклинивающего давления. Обычно устойчивость обеспечивается несколькими факторами одновременно.

Помимо природы и концентрации пенообразователя на устойчивость пены влияют температура, вязкость дисперсионной среды, введение в жидкую фазу электролитов и рН среды.

Повышение температуры обычно неблагоприятно сказывается на устойчивости пены, что можно объяснить десорбцией пенообразователя с межфазной поверхности и понижением вязкости дисперсионной среды, что способствует более быстрому стеканию жидкости из пленки. Повышение температуры, очевидно, вызывает более быстрое разрушение пены и вследствие того, что ускоряется испарение дисперсионной среды. В результате пленка обезвоживается.

123

Введение в жидкую фазу не разрушающих пену электролитов уменьшает устойчивость пен, образованных низкомолекулярными пенообразователями вследствие увеличения поверхностного натяжения.

Повышениевязкостисредывсегдаповышаетустойчивостьпен. Свойства пен. К основным характеристикам пен относятся:

1.Дисперсность. Измерение дисперсности пены и ее изменение обычно проводится путем подсчета числа ячеек, контактирующих со стенкой сосуда, в котором находится пена (по микрофотографиям). Дисперсность пены со временем изменяется.

2.Кратность. Кратность пены (β) представляет собой от-

ношение объема пены Vп к объему содержащейся в ней жидкости Vж. Кратность пен изменяется от 10 до 100. Она определяет структуры пен. При кратности, равной 10–20, пузырьки газа имеют форму, близкую к сферической. В пенах с кратностью, достигающей нескольких десятков или сотен, пузырьки газа образуют многогранные ячейки, отделенные друг от друга тонкими прослойками жидкости.

3.Кинетическая устойчивость. Устойчивость пены можно охарактеризовать временем самопроизвольного разрушения столба пены на половину длины или временем жизни отдельно-

го газового пузырька на поверхности жидкости, граничащей с воздухом.

Применение пен. Пенообразование и пены имеют большое практическое значение. Образование пены является положительным фактором при стирке. С помощью вспенивания и последующего удаления пены можно очищать некоторые жидкости от содержащихся в них поверхностно-активных примесей, переходящих в пену. Так, например, за время существования пены можно извлечь нефтяные загрязнения с поверхности моря. И, наоборот, пользуясь тем же приемом, из раствора можно извлекать содержащиеся в нем ценные ПАВ.

Истинно «седая» пена образуется на поверхности расплавленного свинца при добавлении в него расплавленного цинка. Пе-

124

на дает возможность извлечь золото и серебро, которые в качестве сопутствующего продукта присутствуют в свинцовых рудах. Пены используютсятакжедляпроверкигерметичностисварных швов.

Исключительно значение пен в противопожарном деле. Поскольку применяемые при тушении пожаров пены содержат в виде дисперсной фазы обычно углекислый газ, такая пена при нанесении на горящие предметы препятствует доступу к ним воздуха и способствует затуханию огня. Поскольку пена всегда находится сверху, она очень эффективна при тушении горючих жидкостей. В этом случае важными характеристиками пен являются скорость растекания по поверхности горящего нефтепродукта и их изолирующая способность, т.е. время предотвращения выхода паров горючей жидкости. Для получения подобных высокоустойчивых пен используются сложные составы, включающие, помимо основного пенообразователя, добавки других ПАВ, дополнительно стабилизирующих пену; значительные перспективы открывает здесь использование фторзамещенных соединений.

В пенном режиме могут проводиться технологические процессы, связанные с массообменом (абсорбция газов жидкостями, удаление летучих компонентов из жидкой фазы). Вчастности, насыщение крови кислородом осуществляется впенных аппаратах «искусственное легкое». Пенные аэрозоли используют в качестве кровеостанавливающихипротивоожоговыхсредств.

Даже отрицательные свойства пузырьков, а именно их седиментационную неустойчивость, можно разумно использовать. Речь идет о пенной флотации – одном из основных методов обогащения минерального сырья. При флотации, когда производится барботирование большого количества воздуха через водные растворы ПАВ, содержащие частички руды, образование обильной высокоустойчивой пены нежелательно, поскольку это затруднит дальнейшее выделение из пены ценного продукта. Вэтом случае используют ПАВ – слабые пенообразователи, для которых время жизни индивидуальных пузырьков не превышает нескольких де-

125

сятков секунд. В качестве таких пенообразователей применяют низшие спирты или продукты переработки древесины (сосновое масло). Пена, содержащая флотируемые частицы (так называемая трехфазная пена), обладает более высокой устойчивостью, чем пена без твердых частиц, так что на поверхности флотационного аппарата образуется сравнительно тонкий слой «сливок», содержащих довольно высокую концентрацию флотируемого минерала. Периодически удаляя с поверхности эти «сливки» и разрушая пену, получаютконцентратданногоминерала.

В пене, которая образуется на поверхности моря, особая жизнь. Концентрация бактерий в ней в сотни и тысячи раз выше, чем в водной толще. Стабилизация такой пены происходит за счет «своих» ПАВ – продуктов жизнедеятельности и разложения организмов, обитающих в морской воде. При сильном дожде через некоторое время на лужах могут образоваться пузыри. Это явление – отнюдь не признак продолжительности дождя, оно вызвано присутствием ПАВ, в частности вымываемых из почвы. Очевидно, некоторая устойчивость речной пены обусловлена глинистыми частицами и растворимыми веществами, поднимающимися со дна реки.

Разрушение пен. В ряде случаев пенообразование оказывается нежелательным явлением. Образование пены в котлах паровых машин может нарушить работу теплоэнергетических установок. Благодаря легкому образованию пены возникают трудности при перемешивании, центрифугировании и фильтровании некоторых растворов. Образование обильной пены мешает выпариванию растворов в выпарных аппаратах и приводит к потерям ценной жидкости при перебросах пены. При производстве сахара, бумаги, в ряде гальванических процессов, микробиологическом производстве наблюдается обильное пенообразование, которое отрицательно сказывается на выходе готового продукта. Чрезмерное пенообразование мешает в работе стиральных машин, поэтому стиральные порошки для машинной стирки содержат большое количество неионогенных ПАВ, которые являются бо-

126

лее слабыми пенообразователями по сравнению с алкилсульфатами, входящими в состав порошков для ручной стирки.

Таким образом, разрушение («гашение») пены или предотвращение пенообразования является важной задачей. Образовавшуюся пену можно разрушить с помощью различных методов: действием перегретого пара – при этом происходит испарение жидкости из пленок пены; ультразвука частотой от 1 до 1000 кГц. Механические методы заключаются в разбивании пены с помощью мешалок, крыльчаток, циклонов, вращающихся с частотой порядка 3000 мин–1. Этот процесс выполняется непосредственно

втехнологических аппаратах или в специальных пеноразрушителях, куда предварительно выводят пену. Существуют устройства,

вкоторых пена направляется на преграду и разрушается при столкновении с ней. Выбор способа разрушения пены зависит от свойств пенообразующей среды и масштабов производства.

Одним из способов пеногашения является введение в систему так называемых пеногасителей, т.е. ПАВ, имеющих более высокую поверхностную активность, чем пенообразователи, и потому вытесняющих пенообразователь с поверхности пузырьков пены, но не способных к стабилизации пены, а также способных растворять структурированную пленку пены. Пеногасителями могут служить спирты, органические кислоты и эфиры, а также кремний- и фосфорорганические соединения. В производстве антибиотиков, витаминов, дрожжей, сахара для гашения пен используют растительные масла (подсолнечное, соевое), животные жиры, кремнийорганические полимеры (полиметилсилоксаны).

Контрольные вопросы к главе 4

1.Какие системы, содержащие ПАВ, относятся к гетерогенным?

2.Какие системы называются суспензиями?

3.Все ли суспензии могут быть отнесены к свободнодисперсным бесструктурным системам?

127

4.Нарисуйте технологическую схему получения керамических ВПЯМ.

5.Какое явление называют тиксотропией?

6.Что такое эмульсия?

7.Чем отличаются эмульсии от микроэмульсий?

8.Назовите типы эмульсий.

9.Перечислите механизмы разрушения эмульсий.

10.Дайте формулировку правила Банкрофта.

11.Что такое гидрофильно-липофильный баланс?

12.Как можно стабилизировать эмульсию?

13.Что такое инверсия фаз и каковы способы инверсии?

14.Какой процесс характеризуют с помощью ТИФ?

15.Дайте общую характеристику строения пен.

16.Какие условия должны соблюдаться для образования

пены?

17. Перечислите основные силы, действующие в пенах,

ирасскажите о их влиянии на пену.

18.Как получают пены?

19.Какие факторы влияют на устойчивость пен?

20.Перечислите основные характеристики пен.

128

Список рекомендуемой литературы

1.Поверхностно-активные вещества и полимеры в водных растворах: пер. с англ. / К. Холмберг, Б. Йёнссон, Б. Кронберг, Б. Линдман. – М.: Бином. Лаборатория знаний, 2007. – 528 с.

2.Русанов А.И. Мицеллообразование в растворах поверх- ностно-активных веществ. – СПб.: Химия, 1992. – 279 с.

3.Стид Дж.В., Эствуд Дж.Л. Супрамолекулярная химия: пер. с англ.: в 2 т. – М.: Академкнига, 2007. – Т. 1. – 480 с.

4.Стид Дж.В., Эствуд Дж.Л. Супрамолекулярная химия: пер. с англ.: в 2 т. – М.: Академкнига, 2007. – Т. 2. – 416 с.

5. Рамбиди Н.Г. Структура полимеров – от молекул до наноансамблей: учеб. пособие. – Долгопрудный: Интеллект, 2009. – 264 с.

6.Анциферов В.Н., Порозова С.Е. Высокопористые проницаемые материалы на основе алюмосиликатов. – Пермь: Изд-во Перм. гос. техн. ун-та, 1996. – 207 с.

7.Сумм Б.Д. Основы коллоидной химии: учеб. пособие для студ. высш. учеб. заведений. – 2-е изд. – М.: Академия, 2007. – 240 с.

129

Список использованной литературы

1.Кристаллизация карбоната кальция: влияние полимерных добавок [Электронный ресурс]. – URL: http://www.chemport.ru/ datenews.php?news=59.

2.Подобный перламутру: композит прочнее керамики

[Электронный ресурс]. – URL: http://www.chemport.ru.

3.Поверхностно-активные вещества и полимеры в водных растворах: пер. с англ. / К. Холмберг, Б. Йёнссон, Б. Кронберг, Б. Линдман. – М.: Бином. Лаборатория знаний, 2007. 528 с.

4.Евдокимов И.Н., Лосев А.П. Различные виды нанотехнологий – принудительная сборка атомных и молекулярных структур и самосборка нанообъектов: учеб. пособие. – М.: Изд-во РГУ нефти и газа им. И.М. Губкина, 2008. – 80 с.

5.Водолазкая Н.А., Исаенко Ю.А., Гога С.Т. Ультрамикрогетерогенные системы, их влияние на кислотно-основные равновесия и сольватохромные свойства индикаторов: учеб.-метод. пособие / ХНУ им. В.Н. Каразина – Харьков, 2006. – 64 с.

6.Русанов А.И. Мицеллообразование в растворах поверх- ностно-активных веществ. – СПб.: Химия, 1992. – 279 с.

7.Избирательная экстракция одноцепочечной ДНК при помощи обратных мицелл [Электронный ресурс]. – URL: http://www.nanometer.ru/2007/09/26/kstrakcia_4532.html.

8.Бродская Е.Н. Компьютерное моделирование мицеллярных систем // Коллоидный журнал. – 2012. – Т. 74, № 2. –

С. 167–186.

9.Спирин М.Г., Бричкин С.Б., Разумов В.Ф. Использование обратных мицелл для получения наночастиц золота ультрамалого размера // Российские нанотехнологии. – 2006 – Т. 1, № 1–2. –

С. 121–126.

130