Поверхностные явления на границе «жидкое-газ»
Дисперсные системы типа газ в жидкости (Г/Ж) называют пенами. Пены широко применяются при пожаротушении, стирке белья, в гигиенических целях, и т. д. К пенам можно отнести и смесь для приготовления газобетонов, содержащую воду с диспергированным в ней вяжущим веществом и наполнителями, а также газообразную составляющую — воздух, углекислый газ, водород и др. Такая смесь недолго находится в состоянии Г/Ж, постепенно переходя в систему Г/Т. Однако многие свойства ячеистого бетона создаются еще в период пены.
Существуют два метода получения пен: диспергационный и конденсационный. Первый включает пропускание газа через жидкость или механическое перемешивание газа с жидкостью. Примерами конденсационного метода является образование пены при использовании пенного огнетушителя, в газированных напитках, насыщенных С02. В газированном напитке после снятия пробки давление резко снижается и газ переходит из растворенного состояния в свободное. Отдельные молекулы сливаются в пузырьки, и в системе газ-воздух образуется пена. Если в жидкости присутствуют растворенные ПАВ, то они образуют слои на поверхности пузырьков, причем гидрофобная часть молекул ПАВ обращена в газовую фазу, гидрофильная — в воду.
В газосиликатных бетонных смесях в качестве газообразователя применяют алюминиевую пудру, вводимую в количествах 0,1—0,2% от массы цемента. Между алюминием и известью протекает реакция
в результате которой выделяется газообразный водород, насыщающий бетонную смесь.
Пена характеризуется двумя параметрами: стабильностью и кратностью. Кратность представляет собой отношение общего объема пены к объему содержащейся в ней жидкости. При кратности 10—20 пузырьки газа в пене имеют сферическую форму. С увеличением кратности в пене образуются многогранные ячейки, отделенные друг от друга тонкими пленками жидкости. Свойства таких пен определяются свойствами пленок (см. рис. 56).
Рис. 56. Схема высоконцентрированной пены (г — газ, п — пленка):
1 — молекулы ПАВ; 2 — гидратная оболочка; 3 — свободная вода: а — фрагмент пены с шестигранными ячейками; б — увеличенный участок пены
Рассматривая пену в разрезе, можно увидеть шестигранные ячейки, внутри которых находится газ. Тонкая пленка состоит из двух слоев молекул ПАВ, обращенных неполярной частью в газовую фазу. Гидрофобные связи между молекулами придают пленке необходимую прочность (рис. 57). Полярные части каждого слоя молекул ПАВ обращены внутрь пленки, они связывают часть воды в гидратные оболочки. В центре пленки находится свободная вода, постепенно стекающая вниз. При этом толщина пленки уменьшается, гидратные оболочки сливаются, образуя капли жидкости.
Рис. 57. Адсорбция пенообразователя на разделе фаз «газ-жидкость»
Кратность пены можно рассчитать по соотношению плотности жидкости рж и плотности пены рп:
Если пренебречь плотностью газа, то плотность пены равна:
где Уж — объем жидкости до вспенивания; У„ — объем образовавшейся стабильной пены; рж — 1 г/см3 при пользовании водой.
Устойчивость пен объясняют действием двух эффектов:
Первый эффект — изменение адсорбционного равновесия при растяжении пленки. Увеличение площади пленки приводит к уменьшению концентрации ПАВ в поверхностном слое, что увеличивает поверхностное натяжение, стремящееся сократить поверхность пленки. Благодаря этому пленка проявляет упругие свойства.
Второй эффект — изменение поверхностного натяжения. Деформация пленки приводит к неравномерному распределению ПАВ вдоль поверхности. В связи с этим возникает поток молекул пенообразователя из области более высоких концентраций к месту ее локального повреждения. Вместе с молекулами ПАВ устремляются молекулы дисперсной фазы, которые восстанавливают толщину пленки. По мере утончения пленки этот эффект усиливается.
Для экспериментальной оценки устойчивости пен предложено несколько методов. При этом оценивают устойчивость к вытеканию межпленочной жидкости, изменение дисперсного состава пузырьков, изменение объема пены.
Пенообразующая способность веществ также оценивается несколькими методами. Вспениваемость дисперсных систем определяют путем барботирования газов через слой жидкости, встряхивания в закрытых сосудах, выливания жидкости с определенной высоты на ее же поверхность.
Пенообразование широко используется в производстве высокопористых строительных и теплоизоляционных материалов (пенобетон, пеностекло, пенокерамика), пластических масс (пенопласта), при обогащении полезных ископаемых (пенная флотация) (рис. 58). В пенном режиме могут проводиться технологические процессы, связанные с массообменом: адсорбция газов жидкостями, удаление летучих компонентов и жидкой фазы, насыщение крови кислородом («искусственное легкое») и т. д.
Рис. 58. Схема закрепления гидрофобных зерен на поверхности пузырька
В ряде случаев пенообразование нежелательно: в паровых котлах может нарушиться работа установки. Пены гасят, вводя в жидкость вещества, способные вытеснить пенообразователь из адсорбированного слоя. Внедрение пеногасителей вызывает снижение поверхностного натяжения и вязкости, способствует быстрому вытеканию жидкости из пленки.
Для гашения водных пен используют растительные масла: подсолнечное, соевое, животные жиры, кремнийорганические полимеры. Пены можно разрушить механическим путем, прокалывая или разрывая изолированные ячейки, воздействуя струей воздуха или акустическими колебаниями звукового и ультразвукового диапазона.
