|
Пенообразующие вещества
(пенообразователи) представляют собой в основном поверхностно-активные
вещества, облегчающие диспергирование газа (жидкости) в виде мелких пузырьков
и повышающие устойчивость тонких пленок между пузырьками.
Пенообразователи можно разделить на' две группы.
1. Слабые пенообразователи, не образующие структуры ни в
адсорбционных слоях, ни в объеме раствора, а лишь изменяющие поверхностное
натяжение жидкости на границах двусторонних пленок. Такие пенообразователи,
концентрируясь в поверхностных слоях пленки, способствуют возникновению
местных разностей поверхностного натяжения и замедляют стекание жидкости в
наиболее тонких се слоях из-за противодействующего стекаишо двухмерного
давления (разности поверхностных натяжений) вследствие уменьшения адсорбции в
утончающейся средней части пленки; благодаря этому замедляются дальнейшее
утончение и разрыв пленки1.
2. Сильные пенообразователи, образующие в адсорбционных
слоях высоковязкие и прочные пространственные структуры, значительно
замедляющие утончение и разрыв пленок.
Пены, образующиеся при введении в жидкость
пенообразователей, представляют собой дисперсные системы, в которых газ
рассматривается как дисперсная фаза, а жидкость—как дисперсионная непрерывная
среда. Однако дисперсность, определяемая удельной поверхностью пены, может быть
выше либо у жидкой, либо у газовой фазы. Это зависит от отношения объемов
газовой V2 и жидкой У| фазы, которое называется кратностью пены и
характеризуется объемом пены р, получаемым ич единицы объема жидкости:
Когда крупные ячейки газа (в очень устойчивых пенах)
разделены тончайшими пленками жидкости, т. е. V2> V,, то значение р «
V2/Vj очень велико и может достигать 200—1000. В таких пенах удельная
поверхность соответственно значительно выше у жидкой, чем у газовой фазы.
Ячейки в таких пенах представляют собой многогранники. Если величина р имеет
порядок 1 —10, то ячейки пены — круглые пузырьки, разделенные прослойками
жидкости значительной толщины.
Методы определения свойств пенообразователей. Сла- . бые
пенообразователи характеризуются способностью изменять поверхностное
натяжение жидкости. Сильные пенообразователи оцениваются свойствами пен,
получаемых па их основе: кратностью, стойкостью (кинетической устойчивостью),
дисперсностью.
Поверхностное натяжение жидкости можно определить
различными способами. Наиболее простым и распространенным является метод
наибольшего давления газовых пузырьков [14].
Капиллярную трубку вертикально погружают в жидкость на
очень небольшую глубину.
Кратностью пены называется наибольшее отношение объема
вспененной массы к объему исходной жидкости. Она может быть определена
несколькими методами. Наиболее простой метод определения кратности пены
заключается в следующем: 100 см3 рабочего раствора пенообразователя помещают
в литровый градуированный цилиндр диаметром 5—0 см н энергично взбалтывают в
течение 30 сек. Цилиндр с раствором встряхивают в направлении продольной оси
цилиндра.
В ГОСТ 9603—61 (пенообразователь ПО-6) рекомендуется
определять кратность пены после перемешивания в течение 30 сек в приборе
«Размельчитель тканей».
Стойкость пены характеризуется временем самопроизвольного
разрушения столба пены на половину начальной высоты или объема. Если
кратность пены определялась вручную в цилиндре, то стойкость пены
определяется по уменьшению объема пены в нем на 50%- Если для определения
кратности пены перемешивание производилось в приборе «Размягчитель тканей»,
то стойкость пены определяется временем выделения 50% раствора
пенообразователя, взятого для получения иены.
Качество пены можно определять при помощи прибора
ЦНИИГ1С-1 ( 12), который состоит из трех основных частей: сосуда /,
стеклянной трубки 2 и поплавка 3. Стеклянный или целлулоидный сосуд с
внутренним диаметром 200 мм и высотой 160 мм (объемом V| = 5 л) имеот п днище отверстие Стеклянная трубка диаметром 1-1 мм н высотой 700 мм (объем V2 — 100 см3) соединена с отверстием в днище сосуда и имеет внизу кран. Поплавок
представляет собой алюминиевую пластинку диаметром 190 мм и весом 25 г. Шкала 4 служит для измерения высоты столба пены в см, а шкала 5 — для измерения
отхода жидкости в см3, т. е. объема жидкости, полученной в результате
разрушения пены.
Для проверки качества пены прибор ЦНИИПС-1 заполняют пеной
и определяют через 1 ч следующие характеристики: осадку (по шкале 4), отход
жидкости при разрушении пены (по шкале 5), кратность пены, т. е. отношение
начального объема пены в сосуде 1 (5024 см3) к объему отхода жидкости после
разрушения пены (по шкале .1)
Дисперсность пены определяется при помощи
микроскопа любого типа, имеющего окулярный микрометр для определения размеров
наблюдаемых объектов.
Основные виды пенообразователей. В качестве
пенообразователей в производстве ПТМ можно применять как низкомолекулярные
(мыла, соли сульфокислот и др.), так и высокомолекулярные (белки, пектины,
сапонины и др.) вещества. При растворении этих веществ происходит гидратация
их полярных групп, которые прочно связываются с молекулами жидкости
электростатическими силами притяжения, образуя поверхностные слои пены.
Концентрируясь в поверхностном слое на границе раздела фаз, эти силы понижают
поверхностное натяжение жидкости.
Каждый пенообразователь имеет свою оптимальную температуру
пенообразования, которая находится в определенной связи с его молекулярным
весом и строением. Вещества с большим молекулярным весом могут образовывать
пену при более высокой температуре, чем их низкомолекулярные гомологи.
Существенно влияет на пенообразование и свойства пен
концентрация пенообразователя. Для каждого пенообразователя имеется с noil
оптимальная концентрация, при которой резко повышается кратность, стойкость и
вязкость пены. Оптимум концентрации соответствует для низкомолекулярных
пенообразователей неполному, а для высокомолекулярных пенообразователей —
полному насыщению адсорбционного слоя. . )то происходит потому, чю ни жомолекулярпые
цецообр;| шпатели при неполном
насыщении адсорбционного слоя не вполне ориентированы и их
углеводородные цепи, переплетаясь, обусловливают прочность оболочек ячеек.
Благодаря неплотной упаковке молекул пенообразователя полярные группы
связывают больше воды, т. е. сильнее гндратируются. При насыщении
адсорбционного слоя происходит ориентация углеродных цепей, что приводит к
уменьшению прочности структурных оболочек пены.
Высокомолекулярные пенообразователи располагаются на
поверхности раздела фаз длинными цепеобраз- ными молекулами, полярные группы
которых направлены в сторону жидкой фазы. Ввиду того что макромолекулы
полимера образуют сплошную защитную студнеобразную пленку, увеличение
концентрации даже выше значения, соответствующею полному насыщению
адсорбционных слоев, не приводит к уменьшению стойкости пены.
При использовании пенообразователей при производстве ПТМ
следует учитывать, что некоторые вещества (например, сульфат алюминия,
алюминиевые и хромовые квасцы, хлорное железо, сапонин, желатин и др.) могут
повышать стойкость пен, а другие (например, спирт и др.) —разрушать пену.
Значительное влияние на активность пенообразователей оказывает рН среды.
Рассмотрим эти положения на примере наиболее широко
применяемого пенообразователя на основе контакта Петрова.
Контакт Петрова (ГОСТ 463—53) — маловязкая смесь
сульфонафтеновых кислот ( 5). Его получают при сернокислотной очистке светлых
нефтепродуктов.
Приготовление пенообразователя на основе контакта
Петрова состоит из следующих операции: получения 20%-ного раствора едкого
натра и нейтрализации контакта Петрова (получения натриевых солей сульфонаф-
теновых кислот).
Контакт Петрова разбавляют водой в соотношении 1 :2 (по
объему) и затем добавляют небольшими порциями (при обязательном
перемешивании) 20%-пын раствор едкого натра. Свободная серная кислота при
этом переходит в сульфат натрия, а сульфонафтеновые кислоты образуют при
нейтрализации натриевые соли. Окончание нейтрализации определяют посредством
индикатора «кон- горот» (для проверки кислой реакции). Количество 100% ного
едкого натра, необходимого п;ля нейтрализации контакта Петрова, определяют но
формуле
После нейтрализации раствор нагревают до 80—90°С, при этом
жидкость расслаивается. После остывания до 15°С верхний слой удаляют, а в
оставшуюся жидкость, представляющую собой водный раствор натриевых солен
сульфопафтеновых кислот с удельным весом 1,06—1,07, добавляют 40% (общего
количества жидкости) водного раствора едкого натра с удельным весом 1,23
г/см3.
|