9.1.3. Пены
Пена представляет собой систему ячеек из пузырьков газа, связанных друг с другом разделяющими пленками жидкости, в общий каркас. Согласно классификации по агрегатному состоянию фаз, они обозначаются Г/Ж.
В
пенах дисперсной фазой является газ,
но по своей природе они близки к
высококонцентрированным эмульсиям (Vd
>
70 %), т.е. когда газообразная фаза
занимает почти весь объем. Поэтому их
часто называют газовыми эмульсиями.
Для характеристики пен используют
величину К
(кратность пены), которая показывает во
сколько раз объем пены
превышает объем жидкости
,
необходимой для ее формирования:
. (9.2)
По сравнению с золями, пены обладают более низкой степенью дисперсности и получаются как с помощью конденсационных методов, так и диспергационных. Для пен характерна низкая термодинамическая устойчивость, поэтому в них активно протекают самопроизвольные процессы в направлении коалесценции, связанные с уменьшением поверхностной энергии. Даже в стабильных пенах наблюдается старение, т.е. увеличение размеров крупных пузырьков за счет мелких, представляющее из себя процесс изотермической перегонки. Это объясняется большим давлением Лапласа в мелких пузырьках по сравнению с крупными.
|
Рис. 9.3. Схема строения пены |
Устойчивость пен зависит от ее пленочного каркаса. Если пена образована низкомолекулярным веществом, то устойчивость ее невелика. Для получения устойчивой пены необходимо присутствие стабилизатора, который называют пенообразователем. Пенообразователями являются ПАВ, которые делятся на две группы: слабые и сильные (пенообразователи I и II рода). К слабым относятся вещества, которые не образуют адсорбционных слоев с повышенными механическими свойствами. |
Такие вещества увеличивают устойчивость пен всего на несколько минут. Сильные пенообразователи образуют адсорбционные структурированные слои. Такими являются те же вещества, которые служат эмульгаторами (мыла, белки, ВМС, а также порошки). Устойчивость пены в их присутствии зависит от прочности адсорбционных слоев, образующих стенки газовых пузырьков. Большую роль в процессах стабилизации пен играет эффект Марангони-Гиббса, который заключается в том, что в местах утончения пленки возрастает поверхностное натяжение жидкости, и ПАВ вместе с жидкостью перетекают из мест с малым поверхностным натяжением в места с повышенным значением поверхностного натяжения. Это приводит к «самозалечиванию» пленок и стабилизации системы.
Пены широко используют во многих технологических процессах, например, в пищевой, химической, парфюмерной промышленностях, при производстве строительных материалов, в процессах флотации, при проявлении моющего действия мыл, а также в действии пенных огнетушителей. Но не всегда образование пены играет положительную роль. Иногда пенообразование становится помехой для проведения некоторых процессов (при перегонке и выпаривании растворов, при стирке и т.д.). В этих случаях приходится предотвращать образование пен и проводить пеногашение, т.е. разрушение пен. Для этого применяют различные способы: механическое или термическое воздействие, ультразвуковые и акустические методы, а также введение пеногасителей. Последние представляют собой чаще всего ПАВ: растительные масла, жирные кислоты, эфиры, спирты, которые разрушают или вытесняют стабилизатор-пенообразователь, но сами не стабилизируют систему.