какие дисперсные системы называются пенами

Какие дисперсные системы называются пенами

Пе́на — дисперсная система с газовой дисперсной фазой и жидкой или твердой дисперсионной средой.

Содержание

Особенности пен как дисперсных систем

Пены, в отличие от других дисперсных систем, состав которых определяется концентрацией дисперсной фазы, характеризуются содержанием дисперсионной среды.

Пены являются крайне неустойчивыми дисперсными системами, так как плотность жидкости в сотни и даже тысячи раз превышает плотность газа, из которого формируются пузырьки пены. Пены считаются грубодисперсными системами: в момент пенообразования невооруженным глазом видны пузырьки пены. Масса и объем газовой дисперсной фазы непостоянны и быстро изменяются, размеры пузырьков сильно разнятся, поэтому пены можно считать полидисперсными системами. Пены являются типичными лиофобными дисперсными системами (см. );

Пены как дисперсные системы имеют свои особенности, которые определяются свойствами дисперсной фазы, дисперсионной среды и границы раздела фаз между ними такими как: изменение энергии Гиббса, межфазное поверхностное натяжение, форма пузырьков (сферическая, полиэдрическая).

Свойства пен

Пены по своей природе близки к концентрированным эмульсиям, но дисперсной фазой в них является газ, а не жидкость. Пены получают из растворов поверхностно-активных веществ. Для повышения их устойчивости в растворы ПАВ добавляют высокомолекулярные вещества, повышающие вязкость растворов. В качестве характеристик пены используется комплекс свойств, всесторонне характеризующих пену.

Структура пен

Для пен, особенно высокократных, характерна ячеистая пленочно-каналовая структура, в которой заполненные газом ячейки разделены топкими пленками. Три пленки, расположенные под углом 120°, сливаются в канал, четыре канала с углом между ними около 109° образуют узел. Наиболее типичной формой ячейки в монодисперсной пене является пентагональный додекаэдр (двенадцатигранник с пятиугольными гранями), часто с 1-3 дополнительными гранями; среднее число пленок, окружающих ячейку, обычно близко к 14. В низкократной пене форма ячеек близка к сферической и размер пленок мал.

Разрушение пен

Пены термодинамически неустойчивы, так как в них протекают процессы, ведущие к изменению строения и разрушению пен. К таким процессам относят:

Твёрдые пены

Системы с твердой дисперсионной средой и газовой дисперсной фазой — Г/Т часто называют твердыми пенами. Твердые пены, так же как и жидкие пены, вследствие большого размера пузырьков газовой фазы обычно относят к микрогетерогенным или даже грубодисперсным системам. Примером природной твердой пены может служить пемза — пористая губчато-ноздреватая очень легкая горная порода вулканического происхождения, применяемая как абразив для полировки и шлифования, а также в строительном деле для изготовления пемзобетона. Из искусственных твердых пен можно указать пеностекла и пенобетоны,-широко применяемые в качестве строительных и изоляционных материалов. Достоинствами этих материалов являются малая плотность, малая теплопроводность и довольно большая прочность, обусловленная их ячеистой структурой и прочностью дисперсионной среды. Сюда же надо отнести искусственные губчатые материалы, изготовленные на основе полимеров (микропористая резина, различные пено-пласты).

Применение

В ряде случаев практического применения пен важны такие их свойства, как вязкость, теплопроводность, электропроводность, оптические свойства и т.д. Пены находят широкое применение во многих отраслях промышленности и в быту:

Пенные составы используются для увлажнения, антиэлектростатической обработки и замасливания волокон в ровнице, а также для отбеливания и крашения текстильных материалов, крашении трикотажных полотен, печатании декоративных тканей и т.д. Состав пены текстильного назначения достаточно сложен, так как в нее должны входить пенообразователи и все основные компоненты, используемые для соответствующих видов отделок, такие как красители, катализаторы, полимерные добавки, модификаторы поверхности и т.д.

Источник

Свойства и особенности пен. Пены представляют собой дисперсную систему типа Г/Ж, в которой дисперсной фазой является газ или пар

Пены представляют собой дисперсную систему типа Г/Ж, в которой дисперсной фазой является газ или пар, а дисперсионной средой — жидкость. В качестве дисперсной фазы могут служить пузырьки воздуха, находящиеся в воде. Пены относятся к концентрированным и высококонцентрированным дисперсным системам. Разбавленные дисперсные системы типа Г/Ж, содержание дисперсной фазы которых менее 0,1%, называют газовыми эмульсиями (см. табл. 1.1). В разбавленных системах происходит обратная седиментация — всплытие газовых пузырьков. В концентрированных и высококонцентрированных системах типа Г/Ж, т.е. собственно пенах, пузырьки соприкасаются друг с другом и лишены возможности свободного перемещения.

В отличие от других дисперсных систем, состав которых определяется концентрацией дисперсной фазы [см. формулы (1.8)—(1.10)], пены характеризуются содержанием дисперсионной среды. Так как масса и объем газовой дисперсной фазы непостоянны и быстро изменяются, то общее объемное содержание дисперсной фазы характеризуется кратностью пены β, которая показывает, во сколько раз объем пены Vп превышает объем жидкости Vж, необходимый для ее формирования

(16.1)

где V_п, V_r, V_ж, — объем пены, газа и жидкой дисперсионной среды соответственно.

Относительная доля газа ε в пенах равна

(16.1, а)

Доля объема, занятого жидкостью, составляет 1 – ε = 1/β.

Пены называют влажными (низкократными), если β

(16.3)

Термодинамический подход, однако, не позволяет рассмотреть особенности структуры пен, которая определяется формой пузырьков, их размерами и упаковкой. Пузырьки дисперсной фазы пен могут иметь сферическую и многогранную (полиэдрическую) форму (рис. 16.1). Кроме того, различают еще и ячеистую структуру пен. которая образуется при переходе сферической формы пузырьков в полиэдрическую. Подобный переход имеет место, когда кратность пен колеблется в пределах 10—20.

В пене происходит контакт пузырьков, разделенных между собой слоем жидкости. При осуществлении контакта четырех пузырьков одного размера возникает неустойчивое равновесие, которое нарушается и переходит в устойчивое равновесие трех пузырьков. Монослой полиэдрической пены будет иметь регулярную структуру с гексагональной упаковкой.

Пленки жидкости, находящиеся между пузырьками, образуют так называемые треугольники Плато (рис. 16.2). В каждом ребре многогранника сходятся три жидкие пленки, которые являются стенками пузырьков. Эти пленки образуют между собой углы, близкие к 120°. Сечение пленки жидкости пены по линии АА (см. рис. 16.1, в) показано на рис. 16.2. В местах стыков пленок (ребер многогранников) образуются утолщения, которые названы каналами. Каналы формируют в поперечном сечении треугольники. Четыре канала сходятся в одной точке, образуя узлы (см. рис. 16.1, в). Каналы и узлы пронизывают всю структуру пены.

Жидкие пленки в центре плоскопараллельны. Вблизи каналов они утолщены и становятся вогнутыми. В результате возникает капиллярное давление, вызывающее отток жидкости из пленок в каналы (этот отток на рис. 16.2 показан стрелками). Жидкие пленки утончаются.

Под действием гравитации жидкость собирается в каналы и по узлам стекает в нижнюю часть пены. Если для систем T/Ж и Ж/Ж гравитация способствует седиментации частиц дисперсной фазы, то для пен, т.е. систем Г/Ж, гравитация обусловливает сток жидкости, составляющую дисперсионную среду; размер и число пузырьков уменьшается — пена гасится.

Как показали эксперименты, проводимые космонавтами на околоземных орбитах, в условиях невесомости (точнее, микрогравитации), время жизни жидких пен возрастает в десятки и даже в сотни раз. Это объясняется тем, что исключается сток жидкости по каналам и узлам. В земных условиях необходимо применять дополнительные меры по сохранению устойчивости пен.

Пены обладают рядом коллоидно-химических и физико-химических свойств. Для них характерны электроосмос и потенциал течения. Пены способны поглощать и рассеивать свет. В слое жидкости, разделяющем пузырьки пены, возникает расклинивающее давление, а внутри пузырьков — капиллярное давление. Кроме того, пены могут обладать определенной электропроводностью. Для применения пен большое значение приобретает их вязкость.

Кинематическая вязкость пены превышает вязкость воды и зависит от скорости перемещения пены. При скорости 0,2—0,4 м/с кинематическая вязкость пены оставляет (200—300)10 –6 м 2 /с, а при меньших скоростях она снижается до (2—5)10 м 2 /с. Напомним, что кинематическая вязкость есть частное от деления динамической вязкости на удельную массу, для воды она равна 10 –6 м 2 /с и не зависит от скорости движения водной среды.

Возможные источники образования, тип и форма некоторых пен
в пищевой промышленности и продуктах питания

Пенообразование играет важную роль в процессе усвоения пищи. Слюна образует высокодисперсную и прочную пену. В результате этого процесс смачивания пищи проходит быстро — всего за 16—18 с; комок пищи получает способность свободно проходить в глотку и пищевод, а воздух, поступающий со слюной в желудок, способствует пищеварению. В различных технологических процессах, в частности в химической, микробиологической, пищевой (см. табл. I6.1) и других отраслях промышленности, возникает потребность в разрушении пен, т.е. предотвращение вспенивания. Нередко пенообразование не только нежелательно, но и опасно для человеческого организма. Речь идет о кессонной болезни, которая является профессиональной для водолазов и летчиков. При переходе из зоны повышенного давления в зону нормального давления происходит выделение пузырьков азота, который поступил в избыточном количестве в кровь при повышенном давлении; кессонная болезнь проявляется в вспенивании крови.

Аэрозоли играют большую роль в природе и в жизни человека. Так, воздух, окружающий Землю, представляет собой наиболее распространенную естественную аэрозольную систему. Специалист технолог очень часто сталкивается с аэрозолями в своей практической деятельности. Мероприятия по охране окружающей среды, связанные с уменьшением запыленности воздуха, основаны на разрушении аэрозолей. В воздухе некоторых предприятий, например, цементной промышленности, переходит ценное сырье, извлечение которого и использование по назначению снижает или исключает неоправданные потери. Осадки аэрозолей формируют сыпучие материалы (порошки) — едва ли не самые распространенные в некоторых отраслях промышленности дисперсные системы.

Источник

Пена, свойства, получение и разрушение, применение

Пена, свойства, получение и разрушение, применение

Пена – это дисперсная система с газовой дисперсной фазой и жидкой или твёрдой дисперсионной средой.

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.

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-механические свойства пены:

К основным из них относят:

– пенообразующую способность растворов;

– предельное напряжение сдвига;

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.

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.

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:

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:

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.

Воздушно-механическая пена – это раствор воды и пенообразователя, пузырьки которого наполнены воздухом. В качестве пенообразователей выступают концентрированные растворы поверхностно-активных веществ, которые могут быть:

Способы и методы получения пен:

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:

2. движение движущихся устройств на дисперсную систему или движущейся жидкости на преграду. Чаще всего это:

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:

Вспенивание в таком случае возникает практически мгновенно;

2. проведением химических реакций, при которых происходит выделение газа ;

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:

– 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;

– 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.

Источник