1.2.2. Пенообразование и пены

Пены представляют собою высококонцентрированные дисперсии газа в жидкости (эмульсии «газ - жидкость»). Пузырьки газа имеют размер порядка нескольких миллиметров, а в отдельных случаях и сантиметров. Благодаря избытку газовой фазы и взаимному сдавливанию пузырьки пены имеют не сферическую форму, а представляют собою полиэдрические ячейки, стенки которых состоят из весьма тонких пленок жидкой дисперсионной среды. Пленки пены часто обнаруживают интерференцию, что свидетельствует о том, что их толщина соизмерима с длиной световых воли.

Структура полиэдрических пен описывается геометрическими правилами Плато. В соответствии с требованиями минимума поверхностной энер­гии Гиббса на одном жидком ребре ячейки сходятся три пленки под углами в 120° и образуют трехгранный столбик жидкости, называемый каналом Плато - Гиббса. Поскольку стенки всех пузырьков должны быть одинаковыми, то в одной точке сходятся четыре канала Плато — Гиббса, образуя между собою углы 109 28. Согласно сказанному, форма пены представляет собой пентагональный додекаэдр - фигуру, ограниченную 12 пятиугольными гранями(рис. 9). Состояние такой пены наиболее устойчиво.

Рис. 9. Элементарная ячейка полиэдрической пены.

Пены образуются при диспергиро­вании газа в жидкости в присутствии пе­нообразователей, в качестве которых ис­пользуют поверхностно - активные веще­ства. Жидкости без пенообразователей сколько-нибудь устойчивой пены не да­ют. Прочность и продолжительность су­ществования пены зависит от свойств пленочного каркаса, которая определяется природой и содержанием в системе пенообразователя, адсорбированного на межфазной поверхности. Наиболее устойчивые пены дают высокомолеку­лярные соединения, мыла и другие ионогенные ПАВ. В особых условиях, когда исключены испарение жидкой среды, сотрясения и другие внешние воздействия, пены могут существовать неограниченно долго. Например, Дьюару удалось обеспечить существование мыльного пузыря в течение трех лет. В обычных условиях пленки между пузырьками иены со временем ста­новятся тоньше вследствие стекания жидкости, пузырьки лопаются и пена разрушается. Исследования показали, что пленка, достигшая наименьшей толщины, состоит из двух монослоев молекул пенообразователя, разделен­ных полимолекулярным слоем воды. Роль пенообразователя в значительной мере сводится к замедлению стекания жидкости в пленке.

Рассмотрим более подробно причины устойчивости пен. Безусловно, что снижение межфазного натяжения является необходимым фактором, так как образование пены связано с очень большим развитием поверхности. Од­нако между поверхностной активностью пенообразователя и устойчивостью пен связь не простая. Рассматривают, по крайней мере, три фактора, обусловливающих устойчивость пен. Первый из них называют эффектом Гиббса - Марангони, суть которого заключается в следующем. Чтобы выдержать ло­кальные деформации (изменения толщины) без разрыва, тонкие пленки должны быть способными реагировать на них - повышать поверхностное натяжение при локальных растяжениях и понижать при локальных сжатиях. Эту способность Гиббс назвал эффективной упругостью пленки, препятст­вующей ее разрыву. Кроме того, при течении жидкости в поверхностных слоях с уносом из них ПАВ локальное увеличение поверхностного натяже­ния вызывает возникновение двумерного давления, направленного в сторону, обратную течению (эффект Марангони). Наиболее устойчивые пены полу­чаются из растворов поверхностно-активных веществ, обладающих не мини­мальным поверхностным натяжением, а способных наиболее резко изменять поверхностное натяжение с концентрацией. Установлено также, что при про­чих равных условиях способность к пенообразованию растворов ПАВ и ус­тойчивость их пен возрастает с уменьшением значений ККМ.

Следующее объяснение устойчивости пен было впервые предложено Плато еще в 19 столетии и в дальнейшем развито в работах Ребиндера, со­гласно которому на поверхности растворов пенообразователей образуются высоковязкие адсорбционные слои с гелеобразным строением. Эти слои, с одной стороны, замедляют стекание жидкости в пленке, с другой - придают пленке пены высокую вязкость и механическую прочность.

Третьей причиной стабилизации пен ионогенными ПАВ является от­талкивание двойных электрических слоев, образованных ионами пенообра­зователя в растворе около обеих поверхностей пленки (расклинивающее дав­ление). Наличие этого явления доказано Б. А. Дерягиным и А. С. Титиевской при исследовании сжатия двухсторонних пленок, образованных в месте со­прикосновения двух пузырьков пены.

Способность растворов ПАВ к пенообразованию можно характеризо­вать количеством (объемом, высотой столба) пены, получаемой при опреде­ленных условиях эксперимента. Устойчивость пен оценивают разными ме­тодами, например временем, прошедшим с момента образования' определенного объема пены до полного ее разрушения или временем жизни отдельного газового пузырька на поверхности жидкости, граничащей с воздухом. В производстве моющих средств применяют «пенное число» — отношение объема пены, не разрушенной через пять минут после ее пены, не разрушенной через пять минут после ее образования, к первона­чальному объему.

Пенообразование и пены имеют большое практическое применение, например, при тушении пожаров, при обогащении полезных ископаемых ме­тодом флотации, при очистке жидкостей от содержащихся в них поверхност­но-активных веществ, при использовании растворов ПАВ в качестве моющих средств. В последнем случае роль пены заключается в удалении с поверхно­сти твердых частиц загрязнений флотацией, препятствующей их оседанию. Таким образом, пенообразование является одной из характеристик моющих средств. При этом более желательно образование мелкодисперсной пены, так как в этом случае межфазная поверхность развивается больше, чем при об­разовании крупнодисперсной пены.