Ve vztahu k pěnám, ale i jiným disperzním systémům se rozlišuje agregační a sedimentační stabilita.
Pěny jsou termodynamicky nestabilní lyofobní disperzní systémy. Přebytečná povrchová energie [viz vzorec (16.2)] způsobuje procesy, které vedou ke změně velikosti bublin pěny a k její destrukci a určuje agregační stabilitu pěn. Ze všech lyofobních disperzních systémů s kapalným disperzním médiem jsou pěny nejvíce nestabilní.
Jak již bylo uvedeno, pohyblivost rozhraní kapalina-g a proudění kapalného disperzního média v důsledku gravitace vede ke zmenšení velikosti bublin pěny. Současně dochází k procesům, které vedou ke zvětšení velikosti bublin.
Patří mezi ně difúze plynů (vzduchu) z malých pórů do větších a také v důsledku ztenčování a pronikání vrstvy kapaliny mezi bublinami. Posledně jmenovaný proces se analogicky se slučováním kapiček nazývá koalescence. Zvětšení velikosti bublin je doprovázeno strukturální restrukturalizací pěny – pohybem uzlů a kanálů, což může přispět k destrukci pěny. Destrukce pěny je navíc způsobena vnějšími faktory, jako je pokles nebo zvýšení tlaku a řada dalších.
Hlavním parametrem charakterizujícím agregační stabilitu pěn je rychlost poklesu měrného povrchu pěny na jednotku objemu (v y.p) nebo zvětšení velikosti bublin v důsledku jejich zvětšení (Δ v / nahoru.). Pro agregační stabilitu (А у) vezměte převrácenou hodnotu rychlosti poklesu specifického povrchu v nahoru.nebo rychlost nárůstu průměrné velikosti bublin v / nahoru., jmenovitě
Porovnání agregační stability různých pěn v y.p prováděné na stejném specifickém povrchu nebo velikosti bublin:
V praxi se agregační a sedimentační stabilita pěn posuzuje pomocí koeficientu stability К У, což je vyjádřeno rovnicí
kde τр, V п— doba destrukce a počáteční objem pěny.
Koeficient stability je dán životností pěnového sloupce určité výšky, obvykle 3 nebo 5 cm, stabilita pěny je navíc dána dobou její destrukce v závislosti na použitém tlaku. Takže čas τppro sloupec pěny vysoký 3 cm, vytvořený při použití albuminu jako pěnidla (0,1 mol/l) při tlaku 10 4 Pa, je 11 ± 2 min.
Filmy obklopující bubliny a tvořené jednosložkovou kapalinou se spontánně ztenčují na určitou kritickou tloušťku diskontinuity (≈30 nm). Proto je v jednosložkové kapalině životnost pěny zanedbatelná; pěny jsou zničeny téměř okamžitě po jejich vytvoření, tzn. po ukončení mechanického působení. Pěny mají odolnost vůči povrchově aktivním látkám. V přítomnosti povrchově aktivní látky se po dosažení kritické tloušťky filmy nelámou, ale náhle se přeměňují na tenčí filmy o tloušťce 5–10 nm, které se nazývají „černé filmy“. Tyto velmi tenké filmy neodrážejí světlo a na tmavém pozadí vypadají černě; odtud jejich jméno.
Polyedrické pěny (viz obr. 16.1, в) tvoří kostru, která do určité míry dodává těmto pěnám agregační stabilitu. Tato stabilita je však narušena v důsledku ztenčování stěn, zvětšování velkých pěnových buněk v důsledku mizení malých, praskání tekutých filmů a jejich bobtnání do spodní části pěny vlivem gravitace.
Když je koncentrace dispergované fáze nevýznamná a tvoří se kulovité bublinky plynu schopné vzájemného pohybu, hovoříme o sedimentační nestabilitě pěn. Bublinky jsou schopny plavat a tím je narušena sedimentační stabilita pěny.
K získání pěn, jakož i k dodání potřebné stability, se používají speciální látky tzv pěnidla. Pěnidla mohou být dvou typů. První z nich vyrábí nízkostabilní pěny, jejichž životnost je pouze desítky sekund. Patří sem alkoholy, nižší členy řady mastných kyselin a řada dalších povrchově aktivních látek, které nemají detergentní účinek (viz kapitola 21).
Druhý typ pěnotvorných činidel zahrnuje mýdla a syntetické koloidní povrchově aktivní látky (viz odstavce 21.1-21.3). Ke stejnému typu patří řada přírodních IUD, mezi které patří proteiny, želatina atd. Životnost pěn pod vlivem takových činidel je již minuty a dokonce hodiny.
Pěny získané protřepáním vody okamžitě zmizí. Moučné soly jsou schopny vytvářet pěnu v přítomnosti pěnotvorných činidel prvního typu. Stabilnějším systémem je šlehačka, která obsahuje druhý typ pěnidla.
Stabilita pěny v přítomnosti pěnotvorných činidel je určena kinetickými, strukturně-mechanickými a termodynamickými faktory, které mohou působit samostatně nebo v kombinaci. V případě použití povrchově aktivní látky jsou tyto faktory určeny tím samým – adsorpcí molekul v tenké vrstvě kapaliny v pěnovém plášti. Podobná vrstva ve zvětšeném měřítku je na obr. 16.3. Kinetický faktor je spojen se změnou povrchového napětí na rozhraní. Pokud jsou tyto fáze kapalina (voda) a plyn (vzduch), pak u pěn mluvíme o povrchovém napětí σWG. V důsledku změn povrchového napětí se zpomaluje odtok kapaliny z pěny a její ředění, což vede ke zvýšení životnosti pěny.
Adsorpční vrstva povrchově aktivní látky mění strukturu povrchu fázového rozhraní a určuje mechanické
pevnost této konstrukce. V tenké vrstvě navíc vzniká disjunktní tlak (viz obr. 10.4), který zabraňuje ztenčování filmu a charakterizuje faktor termodynamické stability.
V praxi je někdy nutné eliminovat pěnění jako nežádoucí proces. Ke zničení vzniklé pěny se používají různé mechanické, fyzikální a chemické metody. Mechanické metody se provádějí pomocí proudu vzduchu, pomocí rotačních (míchadla, odstředivky) a dalších zařízení. Fyzikální metody jsou založeny na tepelných účincích (ohřev, chlazení), využití elektromagnetického záření a vibrací. Široce používanou chemickou metodou boje proti pěnění je použití speciálních látek zvaných odpěňovače. Patří sem tuky, oleje, některé povrchově aktivní látky, estery, mastné kyseliny a řada organických sloučenin. Například při výrobě cukru, kdy výsledná pěna negativně ovlivňuje výtěžnost hotového výrobku, se jako odpěňovač používají organické sloučeniny obsahující síru.
Líbil se vám článek? Přidejte si ji do záložek (CTRL+D) a nezapomeňte ji sdílet se svými přáteli:
Zařízení a činidla: válce se zabroušenou zátkou o objemu 250 ml; pipety různých objemů; stopky; roztoky povrchově aktivních látek.
Typické pěny jsou relativně velmi hrubé, vysoce koncentrované disperze plynu (obvykle vzduchu) v kapalině. Plynové bubliny v takových systémech mají velikost v řádu milimetrů a v některých případech i centimetrů. Jednotlivé bublinky pěny vlivem přebytku plynné fáze a vzájemného stlačování ztrácejí svůj kulovitý tvar a jsou polyedrickými buňkami, jejichž stěny jsou tvořeny velmi tenkými filmy kapalného rozptýleného prostředí. Pěnové filmy často vykazují interferenční barvy, což naznačuje, že jejich tloušťka je úměrná vlnové délce světla.
Od typických pěn, což jsou vysoce koncentrované disperze plynu v kapalině, je třeba rozlišovat nízko koncentrované, ve kterých jsou jednotlivé bublinky plynu umístěny v poměrně velké vzdálenosti od sebe. Příkladem je perlivá voda. Takové systémy jsou svými vlastnostmi velmi podobné typickým lyosolům nebo zředěným emulzím. Avšak kvůli velkému rozdílu v hustotách kapalné a plynné fáze mají takové systémy velmi malou sedimentační stabilitu a existují po krátkou dobu.
Pěny se tvoří, když je plyn dispergován v kapalině za přítomnosti stabilizátoru nebo, jak je v tomto případě vhodné nazvat, pěnidla. Kapaliny bez pěnotvorných látek nevytvářejí žádnou stabilní pěnu.
Síla a trvání existence (životnosti) pěny závisí na vlastnostech filmového rámu, které jsou zase určeny povahou a množstvím pěnotvorných činidel přítomných v systémech, koncentrovaných v důsledku adsorpce na mezifázovém povrchu. Typická pěnící činidla pro vodné pěny zahrnují povrchově aktivní látky, jako jsou alkoholy, mastné kyseliny, mýdla a mýdlům podobné látky a proteiny. Tyto stejné látky v podstatě také určují stabilitu uhlovodíkových emulzí ve vodě.
Agregační stabilita pěny se široce mění v závislosti na povaze a koncentraci pěnotvorného činidla. Postupem času se filmy mezi bublinami pěny vlivem úniku kapaliny ztenčují, bubliny praskají, pěna se ničí a nakonec místo pěny zůstává pouze jedna kapalná fáze – roztok pěnidla ve vodě nebo jiném kapalina.
Agregační stabilita pěny může být charakterizována životností pěny, tzn. čas, který uplynul od okamžiku vytvoření pěnového sloupce do jeho úplného zničení. Dalším způsobem hodnocení stability pěny je průchod vzduchových bublin pěnící kapalinou danou rychlostí a stanovení rovnovážné výšky výsledného pěnového sloupce. Konstantní výška sloupce pěny je stanovena v okamžiku, kdy se rychlost procesu destrukce pěny rovná rychlosti tvorby pěny a slouží jako měřítko stability pěny.
Je také vhodné studovat stabilitu pěny podle životnosti jednotlivé bubliny plynu na povrchu kapaliny hraničící se vzduchem. Za tímto účelem se vzduchová bublina vytlačí pomocí kapiláry se zahnutou špičkou do příslušné kapaliny. Bublina vyplave na hladinu a po dosažení hladiny tam určitou dobu zůstane, než praskne. Toto je životnost bubliny t max obvykle úměrné životnosti pěnové kolony jako celku. Životnost je určena vzorcem 8
kde Н – výška pěnového sloupu,
V – rychlost poklesu výšky pěny.
Stabilita pěny se měří jako t max nebo jako množství času, během kterého se výška pěny sníží dvakrát.
Mýdla produkují mnohem stabilnější pěny než alkoholy a kyseliny, zřejmě díky přítomnosti iontové skupiny v jejich molekulách. Stejně jako u kyselin a alkoholů maximální stabilita pěny odpovídá mýdlům se střední délkou uhlovodíkového radikálu a jejich roztokům střední koncentrace.
Vysokomolekulární pěnidla se chovají odlišně. Za prvé, životnost pěny je v tomto případě velmi dlouhá a za normálních podmínek může být stovky nebo dokonce tisíce sekund. Za druhé, životnost pěny je vždy tím vyšší, čím vyšší je koncentrace vysokomolekulárního pěnidla. Kromě povahy a koncentrace pěnotvorného činidla je stabilita pěny ovlivněna teplotou, viskozitou roztoku, přítomností elektrolytů v kapalné fázi a pH kapalné fáze. Bohužel existuje velmi málo přesných údajů o vlivu těchto faktorů na stabilitu pěny. Zvyšující se teploty mají obvykle nepříznivý vliv na stabilitu pěny. Tento efekt zvyšující se teploty lze vysvětlit desorpcí pěnidla z mezifázového povrchu a snížením viskozity disperzního média, což přispívá k rychlejšímu proudění kapaliny ve filmu. Zvýšení teploty způsobuje rychlejší destrukci pěny a to díky tomu, že se urychluje odpařování disperzních médií a dochází k dehydrataci fólie. Zavádění elektrolytů, které neničí pěnu do kapaliny, snižuje stabilitu pěny tvořené nízkomolekulárními pěnotvornými činidly, ale nevede k její úplné ztrátě. Zvýšení viskozity média vždy zvyšuje stabilitu pěny.
Líbil se vám článek? Přidejte si ji do záložek (CTRL+D) a nezapomeňte ji sdílet se svými přáteli:
