Пены. Методы получения. Основные характеристики

МИНОБРНАУКИ РОССИИ

Нижнекамский химико-технологический институт (филиал)

федерального государственного бюджетного образовательного учреждения

высшего профессионального образования

«Казанский национальный исследовательский технологический университет»

(НХТИ ФГБОУ ВПО «КНИТУ»)

 

 

 

Факультет: технологический

Кафедра: химии

Группа: 1112

 

 

 

 

 

 

Реферат

 

Тема: «Пены. Методы получения. Основные характеристики.

Свойства. Устойчивость. Применение.»

 

 

 

 

 

Выполнила: Косарева Ю. В.

      Проверила: Нуриева Э. Н.

 

                                                                              

 

                                                                                                                                                   

Нижнекамск 2014

Содержание.

 

 

1.Введение ............................................................................................................3

2.Строение пен......................................................................................................3

3.Основные характеристики …..........................................................................4

4.Устойчивость пен ........................................................................................5

5.Методы разрушения пен ..............................................................................8

6.Применение пен ........................................................................................9

7.Способы получения ........................................................................................11

8.Заключения ..................................................................................................12

9.Используемая литература ..............................................................................15

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Введение.

 

Пены – это ячеистые дисперсные системы, состоящие из пузырьков газа, отделенных друг от друга тонкими твердыми или жидкими пленками, т.е. дисперсной фазой является газ, а дисперсионной средой – жидкость или твердое вещество.

Разбавленные дисперсные системы типа Г/Ж с концентрацией дисперсной фазы < 0,1 % представляют собой газовые эмульсии.

Пены по размеру пузырьков относятся к грубодисперсным системам (размер пузырьков, составляющих дисперсную фазу, лежит в пределах от долей мм до нескольких см). Общий объем заключенного в них газа может в сотни раз превосходить объем дисперсионной среды – жидкости, находящейся в прослойках.

 

Строение пен.

 

Пены относятся к грубодисперсным системам - в момент возникновения пузырьки видны невооруженным глазом. При образовании пены ее ячейки имеют сферическую форму, которая с течением времени переходит в полиэдрическую. Характерной идеализированной фигурой ячеек является пентагональный додекаэдр - двенадцатигранник с пятиугольными гранями, имеющий 30 ребер и 20 вершин, где грани ячеек – тонкие жидкие пленки (рис.1). Пленки жидкости, находящиеся между пузырьками, образуют так называемые треугольники Плато. В каждом ребре многогранника сходятся три жидкие пленки, которые являются стенками пузырьков. Эти пленки образуют между собой углы, близкие к 1200.

В местах стыков пленок образуются утолщения, которые называют каналами (рис.1). Каналы в поперечном сечении являются треугольниками. Четыре канала сходятся в одной точке, создавая узлы (рис.1). Каналы и узлы пронизывают всю структуру пены.

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис.1 Схема полиэдрической пены: 1 — пленка жидкости; 2 — каналы; 3 — узлы.

 

Жидкие пленки в центре плоскопараллельны. Вблизи каналов они утолщаются и становятся вогнутыми. В результате возникает капиллярное давление, вызывающее отток жидкости из пленок в каналы. Под действием гравитации жидкость собирается в каналы и по узлам стекает в нижнюю часть пены. В результате оттока жидкости пленки утончаются.

 

Основные характеристики.

 

Свойства пен обычно характеризуют следующими параметрами:

1)дисперсностью – распределением пузырьков по размерам, или средним размером пузырьков. Измерение дисперсности пены и ее изменение обычно проводится путем подсчета числа ячеек, контактирующих со стенкой сосуда, в котором находится пена (по микрофотографиям);

2)Кинетическая устойчивость пены. Устойчивость пены можно охарактеризовать временем самопроизвольного разрушения столба пены на половину длины или временем жизни отдельного газового пузырька на поверхности жидкости, граничащей с воздухом.

3)стабильностью – временем существования элемента пены (пузырька, пленки) или определенного объема пены (часто она определяется по времени уменьшения на 50 % объема или высоты слоя пены);

4)кратностью пены «β»– отношением объема пены Vп к объему жидкой фазы Vж:

 

Кратность пен изменяется от 10 до n·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.

При β < 10 – жидкие пены; 10 < β < 100 – полусухие пены; β > 100 – сухие пены.

При формировании высокократных пен пузырьки превращаются в многогранные (полиэдрические) ячейки, а жидкие прослойки – в пленки толщиной несколько сотен, иногда несколько десятков нм. Такие пленки образуют пространственный каркас, обладающий некоторой упругостью и прочностью. Поэтому пены имеют свойства структурированных систем. 
 
Устойчивость пен.

 

Пены, как и другие дисперсные системы, термодинамически неустойчивы. Их образование сопровождается повышением свободной энергии. Избыточная энергия вызывает самопроизвольные процессы, которые ведут к уменьшению дисперсности и разрушению пены.

Образование устойчивой пены в чистой жидкости невозможно. Наличие пены всегда свидетельствует о присутствии в жидкости посторонних веществ. Пену можно получить только в присутствии стабилизатора – пенообразователя. В качестве пенообразователей используют коллоидные ПАВ и ВМС. Механизм их действия такой же, как и при стабилизации эмульсий. Типичные пенообразователи – спирты, мыла, белки, сапонин. Низкомолекулярные ПАВ, уменьшая поверхностное натяжение, облегчают образование пены, но не придают ей стабильности, пена быстро разрушается. Пенообразователи с длинной молекулярной цепью, адсорбируясь на границе вода – воздух, формируют высоковязкую структурированную пленку, препятствующую истечению жидкости из прослоек дисперсионной среды (рис.2). Пена может существовать длительное время.

На кратность пены и ее устойчивость также влияют:

• вязкость дисперсионной среды, с увеличением которой повышается устойчивость пены;
• наличие в жидкости низкомолекулярных электролитов, приводящее к снижению кратности и устойчивости пен;
• механическое воздействие (сотрясение, ветер) и высокие температуры отрицательно влияют на устойчивость пен. 
   
   
   
   
  

 

 

 

 

Рис.2 Механизм стабилизации пен коллоидным ПАВ.

 

Из всех дисперсных систем с жидкой дисперсионной средой пена – самая неустойчивая. Время ее жизни определяется временем существования пленки жидкости. В воде, не имеющей примесей, время жизни пены ничтожно мало. Пена разрушается практически сразу после ее образования. Она может существовать только в динамическом режиме – когда скорость образования пузырьков газа равна скорости их разрушения. Вспенивание идеально чистых жидкостей происходит при скорости газа 0.7-1.3 м/с. Снижение скорости газа практически мгновенно вызывает исчезновение пены.

Плотность жидкости в сотни и даже тысячи раз превышает плотность газа. Поэтому в разбавленных системах происходит «обратная седиментация», т.е. всплытие газовых пузырьков. В концентрированных системах, образующих пену, пузырьки соприкасаются и лишены возможности свободного перемещения (отсутствует броуновское движение).

Естественная полидисперсность ячеек, заполненных воздухом, приводит к повышению давления внутри малых ячеек, а, следовательно, к диффузии воздуха через пленки из малых ячеек в большие. Этот процесс, аналогичный изотермической перегонке, имеет следствием увеличение неоднородности, уменьшение дисперсности и, в конечном счете, разрушение пены. Наряду с этим, пониженное давление, возникающее вследствие образования кривизны в «углах» - местах соединения пленок пены, приводит к отсасыванию жидкости из середины пленки к краям, вызывая самопроизвольное утончение пленок. При разрушении пены может преобладать тот или иной процесс в зависимости от природы и состояния пены. В пенах с тонкими жидкими прослойками сначала происходит истечение жидкости, приводящее к утончению пленок, а затем диффузия газа и разрыв пленок. Разрушение пен высокой кратности («сухих») обусловлено в основном диффузией газа и порывом пленок.

Как показали эксперименты, проводимые космонавтами на околоземной орбите, в условиях невесомости отток жидкости из пленок по каналам исключен, и время жизни пен значительно возрастает.

Своеобразный рекорд долголетия поставил мыльный пузырь диаметром 61 см, в котором содержалось 113 л воздуха. Он был изготовлен при помощи специальных технических ухищрений и в искусственных условиях просуществовал 3 года, постепенно уменьшаясь в объеме, пока, в конце концов, не превратился в пленку.

Методы разрушения пен.

 

Некоторые технологические процессы, особенно в химической, текстильной и пищевой промышленности, сопровождаются нежелательным пенообразованием. В ряде случаев образование пены может вызвать серьезные проблемы в ходе технологического процесса или отрицательно сказаться на качестве конечного продукта. В частности, пены могут снижать производительность оборудования, увеличивать технологическое время и затраты. Они мешают проведению технологических процессов, связанных с фильтрованием, центрифугированием, выпариванием, дистилляцией и т.п. В подобных случаях прибегают к разрушению пен. Для этих целей используют механические и физические способы. Механическое разрушение пен осуществляют струей воздуха или пара, либо с помощью специальных механических устройств – диспергаторов, крыльчатки, вакуумных устройств. Физические способы заключаются в воздействии на пену перегретым паром, ультразвуком, электрическим полем.

Однако наиболее экономичным и эффективным является применение химических пеногасителей. В качестве пеногасителей применяют природные жиры и масла, органические кислоты, кремнийорганические соединения, силиконовые масла, спирты, эфиры. Эффективные пеногасители – поверхностно-активные вещества, вытесняющие с поверхности жидкости пенообразователи, но сами не способные обеспечить стабилизацию пен из-за их низкой поверхностной активности.

Для пеногасителей характерна специфичность действия: вещества, вызывающие гашение пены в одной среде, малоэффективны в другой. Широкое распространение получили пеногасители из семейства кремнийорганических ВМС, они устойчивы, химически инертны, относительно дешевы.

При выборе пеногасителя необходимо учитывать следующие факторы: химическую природу пенообразователя, растворимость и концентрацию, присутствие электролитов, коллоидов или других ПАВ, температуру, рН и вязкость системы, используемое технологическое оборудование, конечное назначение продукта, содержащего пеногаситель.

В пищевой промышленности наиболее широко используют силиконовые пеногасители, поскольку они в наибольшей мере соответствуют всем необходимым требованиям.

Применение пен.

 

Пенообразование используют во многих отраслях народного хозяйства – в производстве строительных и теплоизоляционных материалов (пенобетон, пеностекло), пластичных масс (пенопласты), при обогащении полезных ископаемых (пенная флотация).

Экстракорпоральное насыщение крови кислородом осуществляется в пенных аппаратах («искусственные легкие»). Пенные аэрозоли применяют для остановки кровотечений.

Вспенивание жидких и полужидких продуктов с последующим отверждением полученных пен имеет важное значение в производстве многих пищевых продуктов, для которых пенообразная структура оказывает решающее влияние на их отличительные свойства, например хлеба, бисквитов, разнообразных кондитерских изделий, мороженого, кремов и др. Образование устойчивой пены пива свидетельствует о его высоком качестве.

На образовании пены основана пеносушка – сушка с предварительным вспениванием, обеспечивает получение сухих продуктов с тонкой структурой. Используется при производстве сухого картофельного пюре, кофе, порошков для приготовления напитков.

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.