Пена, свойства, получение и разрушение, применение
Пена – это дисперсная система с газовой дисперсной фазой и жидкой или твёрдой дисперсионной средой.
Свойства и характеристики пены
Способы и методы получения пены
Методы и способы разрушения пены
Пена:
Пена представляет собой одну из разновидностей грубодисперсных систем. Ее особенностью считается состав: в качестве дисперсной фазы выступают пузырьки воздуха или пара, а дисперсной средой могут выступать как жидкости (чаще всего вода), так и твердые вещества.
По своей природе пены больше относятся к концентрированным дисперсным системам. Рассматривая подробно их структуру легко определить, что важную роль играет не только состав раствора, но и соотношение объемов фазы и среды. Этот фактор оказывает непосредственное влияние на соотношение ячеек пены и их форму: ячейки бывают в форме сфер и в форме многогранников (полиэдрическая форма). Также существует переходная форма – стадия, когда сферические ячейки превращаются в многогранные, такая форма имеет название «ячеистой», которое дано ей в связи со схожестью с пчелиными сотами.
Сферическая форма ячеек пены возникает в дисперсных системах, где разница концентрации между газовой фазой и жидкой средой составляет не более 10-20 раз, т.е. содержание пара или газа не увеличено и растворено в достаточном объеме жидкости. Подобный состав отражается и на толщине пленки, покрывающей пузырьки – она довольно плотная.
Известно, что, чем меньше отношение объемов фазы и среды, тем выше толщина пленки, но такая плотность не может сохраняться неограниченный период времени. Так, пузыри подвергаются процессам старения и наступает момент, когда вследствие истончения покрывающих пузыри пленок форма сферы превращается в полиэдрическую. Продолжительность жизни многогранных ячеек довольно велика, т.к. в такой ситуации состояние пены практически равновесно, а сама она довольно устойчива.
Свойства и характеристики пены:
Характеристики пены обусловлены целым комплексом свойств, описывающих их основные стороны. Эти свойства, в большинстве случаев, определяются такими факторами, как условия получения пен или их разрушения, и могут быть:
– структурно-механическими (реологическими);
– оптическими;
– электропроводными.
Структурно-механические свойства пены:
К основным из них относят:
– пенообразующую способность растворов;
– кратность;
– стабильность (устойчивость);
– дисперсность;
– предельное напряжение сдвига;
– вязкость.
Как любая дисперсная система, пена не обладает таким важным свойством, как агрегативная устойчивость. Наоборот, она обладает избытком поверхностной энергии. Подобные замкнутые системы находятся в неустойчивом равновесии, что способствует уменьшению свободной энергии, ее постепенному снижению к критическому значению и, как следствие, появлению равновесия. В пенообразующих дисперсных системах это возможно лишь в ситуации, когда вся пена будет полностью разделена на жидкую среду и газообразную фазу.
Пенообразующая способность пены:
Этим термином определяют итоговое количество пены, получаемое из определенного заранее объема пенообразующей дисперсной системы в обозначенных стандартных пенообразующих условиях за оговоренный временной промежуток. Чаще всего измеряется этот параметр как:
– соотношение объема пены (в сантиметрах кубических) или высоты столба пены (в метрах) к времени ее полного разрушения;
– изменение высоты столба или объема во временном промежутке, представленным в графическом виде.
Существуют и иные типы критериев, но единого универсального стандарта, оценивающего все виды пенообразных дисперсных систем, нет.
Пенообразующая способность также зависит от наличия и типа поверхностно-активных веществ в составе системы, их количественной характеристики. Не последнюю роль играют и примеси, которые могут содержаться в жидкой дисперсной среде – солей, взвешенных минеральных частиц, нефти. Также учитываются температура пены и давление в ней.
Так, наибольшую пенообразующую способность имеют растворы, включающие анионактивные вещества: чем их больше, чем сильнее их поверхностное натяжение – тем выше исходный параметр, а также дисперсность и устойчивость состава. Нефть и соли, наоборот, значительно уменьшают пенообразующую способность, причем наибольшее снижающее действие оказывают двухвалентные катионы.
По-разному действует на растворы глина: при добавлении ее к анионактивным веществам пенообразующая способность увеличивается, к неионогенным – уменьшается. При увеличении температуры смеси параметр тоже увеличивается, но это не касается неионогенных составов: после критической точки в 100 градусов способность такой дисперсной системы образовывать пены полностью исчезает и возвращается по мере остывания.
Зависит пенообразующая способность и от конструктивных особенностей прибора, при помощи которого будет получена пена (аэрирующее устройство), режима его работы – соотношения воздуха и дисперсной системы.
Стабильность (устойчивость) пены:
Стабильность (устойчивость) пены – это ее способность к сохранению полученного количества, дисперсности и способность предотвращать потерю жидкости (синерезису). Чаще всего в качестве объекта измерения выступает отдельно взятый пузырь или небольшой объем полученной пены.
Зависит параметр от нескольких условий – наличие и тип давления, включение в состав поверхностно-активных веществ. Так, пены, полученные из неионогенных растворов, менее стабильны, как и те, что образовались в результате воздействия природного атмосферного давления. Полученная же под давление пена, а также та, что имеет в составе смеси анионактивные поверхностно-активные вещества, удерживают свое состояние намного дольше.
Стабильность пены, выражаемая во временном промежутке, важный параметр, позволяющий рассматривать данную грубодисперсную систему как структурированную, т.е. обладающую свойствами твердого тела. Однако он напрямую зависит от вида и присутствия стабилизаторов.
Кратность пены:
Кратность пены – это соотношение полученного объема пены к количеству дисперсного раствора, затраченного на ее получение.
В зависимости от этого пены разделяют на растворы:
– с низкой кратностью – до 20;
– со средней кратностью – от 20 до 200;
– с высокой кратностью – от 200.
Дисперсность пены:
Этот параметр характеризуется различными критериями:
– средним размером пузырьков;
– распределением пузырьков по размерам;
– поверхностью раздела «раствор-газ» в единице объема пены.
Предельное натяжение сдвига:
Этот параметр обычно выражают через жесткость пены, т.е. ее способность воспринимать и выдерживать некоторые механические нагрузки, влияющие на их деформацию или изменение итогового объема. Даже у пен, чьи пленки достаточно жидкие, отмечается выраженная жесткость, т.к. при любом, даже незначительном, внешнем воздействии, увеличивается минимальная поверхностная энергия, отвечающая за состояние равновесия раствора.
Вязкость пены:
Этот параметр позволяет рассчитать данные:
– о растекаемости пенной массы по поверхности;
– о наличии условий для перетекания пены по трубам;
– о способности вытекания пены из отверстий и пр.
Рассчитывается вязкость исходя из кратности, предельного натяжения сдвига и дисперсности состава.
Электрическая проводимость пены:
Электрическая проводимость пены зависит исключительно от объема жидкой дисперсной фазы и ее непосредственной удельной электропроводности, т.к. газовая составляющая раствора не способна проводить электричество.
Оптические свойства:
При прохождение световых лучей через слой сферической пены происходит их поглощение раствором и рассеивание. Что касается полиэдрических растворов, что здесь возникает преимущественно рассеивание, т.к. доля жидкости в таких дисперсных системах очень мала.
Типы и виды пен:
Известны два основных типа пен – химическая и воздушно-механическая.
Химическая пена представляет собой раствор, где дисперсной фазой выступает смесь щелочи с кислотой, а дисперсной средой – вода. Для обеспечения более высокой прочности и устойчивости в систему добавляют стабилизаторы. Образующиеся пузырьки наполнены углекислым газом.
Воздушно-механическая пена – это раствор воды и пенообразователя, пузырьки которого наполнены воздухом. В качестве пенообразователей выступают концентрированные растворы поверхностно-активных веществ, которые могут быть:
– фторсинтетическими;
– протеиновыми;
– фторпротеиновыми.
Еще один известный тип пены – твердый. Свое название она получила благодаря включению в свой состав твердой дисперсной среды, в то время как фаза по-прежнему представлена газообразным веществом. К этой категории относят пемзу (природное вещество), пенобетон, пеностекло, различные изоляционные материалы, губчатые материалы (пенопласт, микропористая резина) и прочее.
Способы и методы получения пен:
Получить устойчивую пену без применения стабилизаторов (пенообразователей) невозможно, поэтому практически все методики смешивания данной дисперсной жидкости включают их использование. Сам процесс достаточно прост: при соединении дисперсной фазы и среды сначала возникает несколько пузырьков газа, на поверхности которых начинается адсорбция молекул стабилизатора (чаще всего, поверхностно-активных веществ). Это позволяет образовать один верхний слой небольших пузырьков. Каждый последующий всплывающий пузырек давит на этот слой снизу, но поверхностно-активные вещества предотвращают разрыв пленок уже образованных пузырей, появляется полусферический купол со стремительно увеличивающейся поверхностью. Адсорбция продолжается, пленки удерживают газ или воздух внутри пузырей, и они оказываются окруженными уже двумя слоями пенообразователя, между которыми располагается пленка жидкости.
Благодаря устойчивости и прочности пленок, которую обеспечивают поверхностно-активные вещества, возникает сближение образованных в верхнем слое пузырьков. Их форма терпит изменения, превращаясь из сферической в многогранную, толщина пленок снижается, возникают жидкие пленки. Как результат – добавление к одному слою пузырей последующих и превращение всей жидкости в объемную пену.
Получить пену, как и прочие дисперсные системы, можно двумя способами:
– диспергацонными методами из грубодисперсных систем;
– конденсационными методами из истинных растворов.
Диспергационные способы и методы получения пены:
Их основа – измельчение пузырей газа при помощи подачи его в раствор стабилизатора. Газ поступает в растворы малыми порциями, обычно через трубку, помещенную в жидкость. Как результат – получение более мелких пузырьков.
Сегодня используют такие методы:
1. прохождение струи газа через жидкость в:
- – аэрационных установках;
- – барботажных установках;
- – аппаратах с «пенным слоем»;
- – парогенераторах с сеткой;
- – жидкостях, орошаемых раствором пенообразователя;
2. движение движущихся устройств на дисперсную систему или движущейся жидкости на преграду. Чаще всего это:
- – взбивание;
- – встряхивание;
- – переливание;
- – воздействие мешалками и прочее;
3. эжектирование (выбрасывание) воздуха движущейся струей жидкости в парогенераторах.
Диспергационные методы – самые популярные в промышленности, но эффективность их невелика, поэтому ученые продолжают разрабатывать новые виды оборудования для этих целей.
Конденсационные способы и методы получения пены:
Это методы, при которых будущие пузырьки изначально представлены в виде отдельных молекул. Получение пены при этом возможно:
1. изменением параметров физического состояния дисперсной системы:
- – повышением ее температуры;
- – снижением давления пара над жидкостью.
Вспенивание в таком случае возникает практически мгновенно;
2. проведением химических реакций, при которых происходит выделение газа;
3. использованием микробиологических процессов, протекание которых сопровождается выделением газов, чаще всего – углекислого;
4. применением электрохимических процессов.
Данные методы нашли широкое применение в пищевой и строительной отраслях промышленности, используют их в бытовых огнетушителях.
Методы и способы разрушения пен:
Разрушение пены – такой же важный процесс в производстве, как и ее создание. Возможен этот процесс такими методами:
– предупреждением пенообразования;
– разрушением уже образованной пены.
Предупреждение пенообразования:
Первый способ основан на применении химических веществ, которые предотвращают превращение газовой дисперсной фазы в пену. Недостатком данного способа считается тот факт, что большая часть подобных химикатов (спирты, кремнийорганические соединения) загрязняют как продукты производства, так и окружающую среду. Также возможно смешивание двух видов поверхностно-активных веществ, один из которых частично нейтрализует действие другого, уменьшая итоговое количество пены.
Второй способ – удалить из готовой дисперсной системы стабилизатор, отвечающий за ее устойчивость, что приведет к ее самостоятельному разрушению.
Последний способ – изменение параметров производственного процесса: давления, температуры, диаметра сосудов и прочее.
Разрушение образовавшейся пены:
Для этого применяются химические и нехимические способы.
Химические подразумевают использование антивспенивателей – специальных веществ, способных гасить пену, отвечающих таким критериям:
– имеющих возможность разрушать пену даже при небольшом своем количестве и длительный промежуток времени препятствовать ее повторному появлению;
– не вступать в реакцию с веществами, которыми образован исходный раствор, и, соответственно, не изменять его основные производственные показатели, не влиять на технологический процесс, не изменять параметры работы оборудования;
– не изменять собственные параметры при изменении условий хранения, независимо от его длительности, а также физических параметров (например, при нагревании);
– для некоторых отраслей промышленности важно соответствие таким требованиям, как стерильность, нетоксичность и пр.
Следует учесть, что пеногасители следует подбирать с учетом специфики производства, т.к. не все они эффективны для различных грубодисперсных составов.
Нехимические способы разделяют на физические и механические.
К физическим способам относят:
– повышение температуры смеси, при котором жидкость из раствора испаряется, и пленка пузырьков разрушается;
– воздействие ультразвуком – возможен акустический метод, который не всегда надежен и не подходит для быстро образующихся смесей, но считается наиболее распространенным на малых производствах; также возможно использование звуковых сирен;
– воздействие электротоком – на данный момент является экспериментальным способом, т.к. позволяет практически мгновенно осадить пену, но при этом требует высоких мер безопасности.
Механические способы делятся на:
– центробежные – при движении пена сталкивается с неподвижной поверхностью;
– аэродинамические – разрушение пены выбрасываемой под давлением струей газа;
– гидродинамические – аналог предыдущей, но с применением струи жидкости;
– барометрические – изменение давление в специальных аппаратах.
Применяются на производстве не часто, т.к. для них обычно требуется сложное, громоздкое оборудование, серьезные затраты электроэнергии. Также подобные способы почти не эффективны для высокоустойчивых дисперсных систем с низкой кратностью, а все прочие не разрушают пену полностью, а только уменьшают ее количество.
Применение пены:
Пены применяются практически во всех отраслях современной жизни. В первую очередь, это пищевая промышленность – хлебопекарные, кондитерские изделия, мороженое и многое другое. Пеносушка – еще один вид производства, используемый для производства продуктов и ингредиентов для них. Так, сушка некоторых продуктов с предварительным вспениванием позволяет получить подобные им составляющие, но с очень тонкой структурой – так производят сухое картофельное пюре, соки и кофе, кормовые дрожжи и прочее.
Невозможно без этой дисперсной системы представить современную ванную комнату: шампуни, гели для душа, средства бытовой химии – все это разновидность пен.
Строители давно оценили такие легкие и прочные материалы, как пенобетон, пенопласт, монтажная пена.
они и в фармацевтике – некоторые лекарственные препараты рекомендовано принимать непосредственно в виде пен.
Однако самое широкое применение пена получила в пожаротушении – именно эта дисперсная система позволяет быстро и эффективно бороться с пожарами даже с самыми высокими уровнями сложности.
Примечание: © Фото https://www.pexels.com, https://pixabay.com