Основные характеристики и классификация пен

Свойства пен обычно характеризуют следующими параметрами:

1) дисперсностью – распределением пузырьков по размерам, или средним размером пузырьков;

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

3) кратностью b – отношением объема пены V _п к объему жидкой фазы V _ж:

.

При b < 10 – жидкие пены; 10 £ b £ 100 – полусухие пены;
b ³ 100 – 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. 62). 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.

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.

Практическое 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.

Золи и суспензии

Золи и суспензии, а также их производные – гели и пасты – являются разновидностью одного и того же типа дисперсных систем – Т/Ж, которые различаются размерами и концентрацией дисперсной фазы. Наряду с общими свойствами эти системы имеют специфические, присущие только им свойства.

Золи (от нем. sol – коллоидный раствор) – это высокодисперсные коллоидные системы; размер частиц дисперсной фазы в золях составляет 10^-9-10^{-7 м (1-100 нм). Золи с водной дисперсионной средой называют гидрозолями, с органической – органозолями. Гидрозолем, например, является водопроводная вода, содержащая примеси в коллоидном состоянии.}

Вследствие малого размера частицы дисперсной фазы золя находятся в постоянном тепловом движении, что способствует седиментационной устойчивости таких систем – распределение частиц по объему системы остается постоянным во времени.

Несмотря на высокие значения G _пов, золи могут быть агрегативно устойчивыми и не коагулировать сколь угодно долго. В этом случае их устойчивость к коагуляции обеспечивается образованием на частицах сольватных, адсорбционных или двойных электрических слоев, способствующих снижению межфазового натяжения и созданию потенциального барьера.

Агрегативная устойчивость золей, равно как и любых других лиофобных дисперсных систем, повышается в присутствии стабилизатора. Например, при добавлении к золю высокомолекулярного вещества его макромолекулы адсорбируются на поверхности коллоидных частиц, образуя 3-мерную защитную оболочку. При этом важно правильно подобрать концентрацию вводимого стабилизатора. При его недостатке возможно образование флокул, в которых частицы связаны друг с другом мостиками из полимерных молекул (см. рис. 40). Такой процесс называют флокуляцией (от лат. flocculi – клочья, хлопья), а вещества, его вызывающие – флокулянтами. Поэтому для количественной оценки защитного действия определяют минимальную массу ВМС, достаточную для предотвращения коагуляции частиц в 10 см³ золя. Название этой величины зависит от вида защищаемого от коагуляции золя. Например, в случае золя гидроксида железа это «железное число», золя гидроксида золота – «золотое число».

При разрушении защитных поверхностных слоев и снятии потенциального барьера золи, как и все лиофобные дисперсные системы, становятся агрегативно неустойчивыми и коагулируют.

Суспензии (от лат. suspendo – подвешиваю) – это дисперсные системы с твердой дисперсной фазой и жидкой дисперсионной средой. Суспензии являются средне- и грубодисперсными системами. Этим они качественно отличаются от золей.

Суспензии являются более агрегативно устойчивыми системами по сравнению с золями, так как содержат крупные частицы (а > 10^{-7 м), следовательно, их удельная поверхность и свободная поверхностная энергия невелики. Однако из-за большого размера частицы не могут участвовать в тепловом движении, что обусловливает седиментационную неустойчивость суспензий.}

Агрегативная устойчивость суспензий обеспечивается сродством дисперсной фазы и дисперсионной среды и наличием стабилизаторов.

Если частицы дисперсной фазы хорошо смачиваются дисперсионной средой, то возле их поверхности образуется сольватная оболочка, которая препятствует слипанию частиц. В этом случае стабилизатор не требуется. Агрегативно устойчивыми являются суспензии полярных частиц в полярных жидкостях или неполярных – в неполярных. Например, суспензия кварца в воде.

Если частицы суспензии плохо смачиваются дисперсионной средой, то для повышения агрегативной устойчивости суспензии требуется стабилизатор. Механизм действия стабилизатора зависит от его природы.

Механизм стабилизации суспензий коллоидными ПАВ и ВМС аналогичен механизму стабилизации эмульсий – адсорбция на межфазной поверхности и образование адсорбционных пленок. Стабилизирующее действие коллоидных ПАВ проявляется тем сильнее, чем больше разница полярности дисперсной фазы и дисперсионной среды.

Например, для стабилизации суспензии сажи в воде можно использовать натрий олеиновокислый, молекула которого своей неполярной частью адсорбируется на поверхности частиц сажи, а полярной частью ориентируется в полярную фазу – воду. В результате поверхность сажи становится гидрофильной, то есть приобретает способность смачиваться водой и агрегативная устойчивость суспензии повышается.

Выбор ПАВ для стабилизации суспензий, так же как и для эмульсий, осуществляют исходя из значения ГЛБ. Для стабилизации суспензий с неполярной дисперсионной средой применяют ПАВ с низкими значениями ГЛБ (3 - 6), например, лецитин, ланолин и т.д. Если дисперсионной средой суспензии является полярная жидкость, то в качестве стабилизаторов используют ПАВ с ГЛБ = 8 - 13, например, соли высших карбоновых кислот.

При использовании ВМС в качестве стабилизатора существенный вклад в повышение агрегативной устойчивости вносит энтропийный фактор. При сближении частиц уменьшается число возможных конформаций макромолекул в защитных оболочках, что приводит к снижению энтропии системы, поэтому частицы стремятся оттолкнуться друг от друга.

В качестве стабилизаторов часто применяют белки, альгинаты, карбоксиметилцеллюлоза и др.

Высококонцентрированные золи называют гелями, а высококонцентрированные суспензии – пастами. Гели и пасты являются структурированными системами.Из-за наличия структуры они обладают рядом новых свойств, называемых структурно-механическими, – вязкостью, упругостью, пластичностью.

В отличие от суспензий пасты являются седиментационно-устойчивыми системами. Под агрегативной устойчивостью паст подразумевается их способность сохранять неизменной во времени пространственную структуру – толщину прослоек жидкости и прочность контакта в структурной сетке. Уменьшению толщины прослоек препятствует структурирование, которое усиливается при использовании стабилизаторов.

В природных условиях образование суспензий происходит при размывании почв и грунтов водой, загрязнении водоемов атмосферной пылью. Суспензии широко используют в строительной технологии, в производстве керамики, пластмасс, лакокрасочных материалов, бумаги и др. В виде суспензий применяют некоторые удобрения и пестициды, многие лекарственные препараты. Суспензиями являются многие пищевые продукты и полупродукты, например, помадные, шоколадные и ореховые массы, какао тертое, фруктово-ягодное пюре, некоторые молочные напитки и соевое молоко, горчица.

Порошки

Порошки – это высококонцентрированные дисперсные системы, дисперсная фаза в которых – контактирующие друг с другом твердые частицы, дисперсионная среда – газ. Термин «порошки» применяют к системам с размером частиц меньшим некоторого критического значения, при котором сила межчастичного взаимодействия соизмерима с массой частиц. Наибольшее распространение получили порошки с размером частиц от 1 до 100 мкм. Поэтому крупы не относят к порошкам, хотя они представляют собой систему Т/Г.

По форме частицы в порошках подразделяют на равноосные, имеющие приблизительно одинаковые размеры по трем осям, волокнистые, длина которых значительно больше других размеров, и плоские, длина и ширина которых значительно больше толщины.