Даниловская Л. П. / Лекция 21. Пены. Гели

ЛЕКЦИЯ 21 КХ21

Тема лекции: «Микро-гетерогенные системы. Свойства пен и гелей».

Содержание темы: «Свойства жидких, твердых пен и гелей. Методы их получения. Факторы устойчивости и способы разрушения пен. Практическое использование пен и гелей».

Пенами называют грубодисперсные высококонцентрированные системы Г/Ж, в которых дисперсная фаза – пузырьки газа, а дисперсионная среда – жидкость, вытянутая в тонкие пленки.

Пузырьки газа в пенах соприкасаются между собой через пленки жидкости, они лишены возможности свободного перемещения, поэтому пены называют «связными» системами. При образовании пены ее ячейки (пузырьки) имеют сначала сферическую форму, которая с течением времени переходит в полиэдрическую.

Основными характеристиками пены являются:

- кратность - объем пены, получаемый из одного объема жидкости.

Если кратность пены меньше 10, то пены называют жидкими. А если кратность в пределах 10 -1000 – сухими.

- устойчивость пены — это время до самопроизвольного разрушения столба пены на ½ его исходной длины. В условиях невесомости время «жизни» жидких пен значительно возрастает.

- дисперсность пены.

Пену можно получить, продувая газ через жидкость. Такая пена разрушается практически сразу после ее образования. Устойчивую пену (время жизни – часы, сутки и более) получают лишь в присутствие стабилизатора, часто называемого пенообразователем. В качестве пенообразователя используют ВМС, ПАВ, например, мыла. Благодаря адсорбции ПАВ уменьшается поверхностное натяжение на границе жидкость/ газ. При этом замедляется отток жидкости из пены, а время жизни пены увеличивается. Кроме того, адсорбционные слои обладают определенными структурно-механическими свойствами, которые способствуют устойчивости пены.

Методы получения пен.

Диспергационные методы основаны на дроблении пузырьков газа при подаче их в раствор, содержащий пенообразователь, на мелкие пузырьки. Происходит это в аэрационных и барботажных установках, при взбивании, встряхивании и т. д.

Конденсационные методы. Газовая фаза вначале растворена в жидкости в виде отдельных молекул, из которых затем образуются пузырьки.

1. Проводится химическая реакция, сопровождающаяся выделением газа. Примером может служить взаимодействие питьевой соды с лимонной кислотой. Их смесь используется в качестве разрыхлителя пресного теста. Выделяются пузырьки углекислого газа, придающие пышность выпечке.

2. Микробиологические процессы, сопровождающиеся выделением газов. Пример – брожение в присутствие дрожжей, при этом тесто из-за выделения пузырьков углекислого газа увеличивается в объеме в несколько раз.

3. Изменение параметров физического состояния системы. Если понизить давление над раствором и увеличить его температуру, то растворимость газа уменьшится. Тогда газ, растворенный в жидкости, начнет мгновенно выделяться из нее в виде пузырьков. На поверхности жидкости, содержащей пенообразователь, образуется пена. Можно сравнить две кипящие жидкости: воду и молоко. Обильная пена образуется только там, где есть пенообразователь, т.е. в молоке.

4. Электрохимический метод. При электролизе водных растворов солей в ходе электродных реакций выделяются газы – например, водород и кислород. За счет появившихся пузырьков газов в растворе, содержащем пенообразователь, образуется пена. Так проводится электрофлотация.

Устойчивость пены.

Агрегативная устойчивость – способность пены сохранять неизменными размеры пузырьков и их индивидуальность. В реальной, как правило, полидисперсной пене самопроизвольно идет процесс диффузии газа из маленьких пузырьков в большие. Чем больше различия в размерах пузырьков, тем больше скорость разрушения (старения) пены.

Седиментационная устойчивость - ее нарушение связано с процессом стекания жидкости в пленке пены под действием сил гравитации. Это приводит к утончению пленки и, в конце концов, к ее разрыву. Утончение пленок связано также и с испарением жидкости.

В целом на устойчивость пены влияют:

- наличие пенообразователя, его состав и концентрация;

- вязкость, рН, состав дисперсионной среды;

- температура, механические воздействия и др.

Методы разрушения пен.

На станциях биологической очистки сточных вод в резервуарах – отстойниках, если не предпринимать никаких мер, может образоваться многометровый пенный вал. Такая ситуация требует прекращения технологического процесса для удаления пены.

Пену нужно обязательно уничтожать также при:

- производстве бумаги, сахара,

- в гальванических процессах, при стирке в машинах-автоматах,

- при открытых хирургических операциях и во многих других случаях.

Для борьбы с пенами используют два пути: предупреждение пенообразования и разрушение образовавшейся пены.

Предупредить образование пены можно добавлением веществ, препятствующих образованию пены. Другой вариант – удаление из технологических растворов веществ – стабилизаторов пены. При этом устойчивость пены резко снижается и она самопроизвольно разрушается.

Разрушение образовавшейся пены осуществляют введением химических пеногасителей (антивспенивателей), которые должны быстро гасить пену уже при малых концентрациях и длительное время препятствовать новому вспениванию раствора.

Существуют также физические способы гашения пен, включающие термические, акустические и электрические воздействия.

Твердые пены

Это дисперсные системы Г/Т – в них пузырьки газа окружены твердой оболочкой. В природе встречается пемза - твердая пена, которая возникает в результате застывания быстро извергающейся вулканической лавы. В лаве под высоким давлением растворены вулканические газы. При быстром уменьшении давления на поверхности Земли растворимость газов уменьшается и они, образуя пузырьки, вспучивают застывающую лаву. Эта «технология природы» воспроизводится в промышленности.

Достоинствами твердой пены являются минимальная объемная масса и высокие термо- , звуко- , виброизоляционные свойства.

В технике в качестве твердых пен используют:

• пенопласты – газонаполненные пластмассы. Их получают, вводя в жидкие пластмассы некоторые вещества, например, бикарбонат, мочевину и др. вещества. Добавки разлагаются при высоких температурах и выделяют азот, углекислый газ, пары воды. Так создаются твердые микропористые структуры;

• эластичный пенопласт – поролон используют при создании мебели, одежды, обуви;

• в строительной технике применяют ячеистый бетон – пенобетон, образующийся за счет выделения пузырьков водорода в результате взаимодействия порошка алюминия с известью в жидком бетоне. Кратность пен в строительстве и производстве стройматериалов составляет 5 – 10.

• пеностекло используют для очистки сточных вод в биофильтрах, а также в декоративных и акустических целях.

Практическое применение пен

Пищевые продукты – тесто, хлеб, кондитерские изделия - пастила, зефир, суфле и многие другие являются твердыми пенами или гелями (см. ниже);

Пенные аппараты в химической промышленности используются для проведения разнообразных процессов в газожидкостных системах;

Пеносушка – сушка с предварительным вспениванием. Обеспечивает получение сухих продуктов – порошков с тонкой структурой, определяемой размерами ячеек пены. (Сухое картофельное пюре, растворимый кофе, овощные, фруктовые и другие порошки).

При обработке сточных вод проводят пеногашение. Используют добавки фосфорорганических и кремнийорганических соединений, стеариновой кислоты, спиртов, а также отходов промышленности.

Эффективность процессов неавтоматизированной стирки, мойки, чистки существенно повышается за счет использования пенных средств. Кратность пен при этом 10 – 20.

Важными являются также процессы использования пен:

• при тушении пожаров используют пену, содержащую вместо воздуха пузырьки углекислого газа. Кратность таких пен составляет 70 -90.

• герметичность труб и резервуаров проверяют, используя пенный мыльный раствор;

• пену создают в процессах флотации. В частности, на судах при очистке нефтесодержащих сточных (льяльных) вод перед сбросом их в открытое море. Целью является извлечение пузырьками воздуха капелек нефти, эмульгированной в воде.

• пена водоемов (рек, озер) стабилизируется глинистыми частицами и органическими соединениями, содержащимися в природной воде;

• морская пена – колыбель органической жизни на Земле. (Афродита вышла из пены морской?)

Гели

(от латинского – «застываю») – это дисперсные системы с жидкой дисперсионной средой, в которой частицы дисперсной фазы образуют трехмерную макромолекулярную структурную сетку. Эта сетка играет роль каркаса, пустоты которого заполнены низкомолекулярным растворителем – дисперсионной средой.

Гели – твердообразные студенистые тела, способные сохранять форму, обладающие упругостью и пластичностью. Гелеобразование (желатинирование, застудневание) возможно при содержании дисперсной фазы в системе в количестве всего лишь нескольких процентов, иногда долей процента. Свойствами гелей обладают пены, стабилизированные высокомолекулярными ПАВ, а также высококонцентрированные эмульсии.

Вещества, способные образовывать макромолекулярную структуру гелей, называют гелеобразователями. К ним относятся как неорганические (SiO_{2 ,} Al₂O₃), так и органические вещества, и их смеси (поливиниловый спирт, желатина, агар-агар, пектиновые вещества и др.).

Удалением из лиогелей жидкой среды можно получить тонкопористые тела – аэрогели. Например, сорбенты силикагель и алюмогель получают обезвоживанием гидрогелей кремневых кислот и гидроксида алюминия, соответственно.

Гели широко используются для производства разнообразных косметических, лекарственных препаратов и продукции бытовой химии (для ухода за волосами, для бритья и т. п.), а также для лабораторных исследований методом электрофореза и др.

Гелями могут заполняться анатомические имплантаты, применяемые в пластической хирургии.

Высушенные гели (алюмогель, силикагель) широко применяются как адсорбенты.

Гелями являются: каучук, целлулоид, клей, желатин, текстильные волокна, многие ткани растительного и животного происхождения, а также большинство продуктов пищевой промышленности — тесто, хлеб, мармелад, различные желе, а также такие минералы, как агат, опал.

Вопросы 1 – 8 для самоконтроля к лекции 21 КХ по теме:

«Микро-гетерогенные системы. Свойства пен и гелей»

1. Какие системы называют пенами, как они обозначаются?

2. Перечислите основные характеристики пены.

3. Опишите условия получения пен двумя противоположными методами.

4. Какие процессы приводят к снижению (или повышению) агрегативной и седиментационной устойчивости пены?

5. Назовите и объясните, какие добавки и воздействия используются для борьбы с пенообразованием.

6. Охарактеризуйте свойства твердых пен и области их использования.

7. Приведите в качестве примеров не менее пяти технологических процессов, сопровождающихся разрушением или стабилизацией пен. (Сточные воды включить обязательно.)

8. Какое строение и свойства имеют гели? Приведите примеры гелей из повседневной жизни.