泡沫是怎么形成的
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泡沫是怎么形成的?泡沫是一种常见的现象,日常生活中随处可见,缤纷绚烂的颜色令人赏心悦目。一般来说,纯液体不会产生泡沫,但追根究底,泡沫的产生离不开表面活性剂。下面便来具体介绍泡沫是怎么形成的。
气泡的产生:
气泡是不溶性气体在外力的作用下,连续又充分地进入到低表面张力的液体中,被液体隔离形成气液界面而造成的。一般来说,气体进入液体的方式有两种:
(1)气体从外部进入液体,例如:搅拌液体时混入气体、石油开采中地下气体扩散到油田、湿法吸收等工艺需吹入气体。
(2)气体从液体内部产生,例如:锅炉、蒸发器等在温度升高时部分液体气化;石油采运中压力变化时有气体逸出、液体中发生某些化学反应产生气体。
两种方式产生的泡沫寿命很短,只是转瞬即逝,很容易破灭。只有液体与气体之间存在第三种物质:助泡剂表面活性剂时,才会稳定泡沫。
食品如牛奶、啤酒、豆浆、饮料的泡沫
泡沫的稳定:
助泡表面活性剂在分子间力的作用下会被吸附到气泡的膜壁上,在气液界面上吸附成一个具有弹性的膜层,从而抑制了泡沫膜壁的破裂。泡沫形成后,在重力作用下气泡膜壁上的液体向气泡底部流动导致膜壁局部变薄。当液膜变薄时,气泡存在两种机制使其液膜能够自修复,从而达到稳定泡沫的`目的。
(1) Gibbs弹性收缩:当液膜变薄之后,由于液膜的面积增加而使表面张力升高,因此而出现的表面张力梯度使液膜具有收缩的效果。导致该处表面活性剂浓度能迅速恢复原状,阻碍泡膜内的排液流失。
(2) Marangoni效应:出现表面张力梯度以后,气泡膜壁表面所吸附的表面活性剂分子由表面张力较低的区域向表面张力较高的区域移动,以使表面张力保持平衡。
泡沫的消除:
泡沫给工业生产带来了种种问题:生产能力受到限制;原料浪费;影响品质和生产;反应周期被延长;污染环境。不经意间,泡沫往往成为了工业生产的“拦路虎”,制约着生产的有序进行。
泡沫的形成非常简单,只要向起泡剂(表面活性剂或高分子化合物)溶液中通入气体,在溶液表面即有泡沫生成。泡沫形成后,气泡壁间夹带上来的液体在重力作用下向下流失,液膜逐渐变薄,气泡互相接近而变形。
三个气泡互相接近时的变形情况,三个气泡的交界处称为普拉托交界。根据拉普拉斯方程, A 处的压力大于 B 处,膜中液体向普拉托交界处流动,液膜进一步变薄。在此过程中,如果液膜强度不够,则液膜破裂,泡沫逐渐消失。
如果起泡剂能在气-液界面吸附形成较紧密的单分子层,则液膜变薄到一定厚度后,两个单分子层在液相相遇而发生空间阻碍作用或两个扩散双电层重叠而发生电性排斥作用,此两种作用均可阻止液膜进一步变薄。
液膜在某一厚度达到平衡,泡沫可处于暂时稳定状态。因此,吸附单分子层在接近时造成的空间阻碍作用和双电层的排斥作用愈大,泡沫愈稳定。
影响泡沫稳定性因素还有体相粘度和表面粘度。体相粘度和表面粘度大,则排液速度慢,泡沫稳定。另外,泡沫总是由大小不均的气泡组成,根据拉普拉斯方程,小泡中气体压力比大泡中的大,于是气体从小泡穿过液膜扩散到大泡中,小泡消失,大泡变大,最终泡沫破坏。
如果起泡剂分子吸附膜排列紧密,表面粘度大,则气体分子不易透过,泡沫稳定。为了增加泡沫稳定性,常加入极少量稳泡剂(碳链较长的极性有机物,如月桂醇),稳泡剂和起泡剂不仅可在表面形成紧密的混合膜,而且还可降低起泡剂的'胶团临界形成浓度和降低起泡剂的吸附速度,因而可增加膜的弹性,使泡沫稳定性增加。
泡沫是一种常见的现象,一般来说,纯液体不会产生泡沫,由于液体表面与内部的均匀性,不可能形成弹性膜,在纯液体产生的气泡,当它们相互接触或从液体中逸出时,就会立即破裂,空气与液体之间的界面张力太高导致气泡不能稳定存在。
但是,当不溶性气体在外力作用下,进入到低表面张力的液体中,就会被液体隔离形成稳定的气泡。表面活性物质往往是引起泡沫的主要原因,这是由于表面活性剂分子有亲水疏水端基的特性,可以在气泡周围形成一层表面活性剂层,其中疏水一端朝向气泡,亲水一端朝向水,因此降低了气泡和液体之间的界面张力,稳定了气泡的存在。
当气泡上升至液体表面时,因空气和液体界面间也存在着表面活性分子,因而就形成了包括气泡上的表面活性剂层和液体表面活性剂的稳定双层。这些稳定双层分别由空气-液体界面上的`表面活性剂单层与液体-空气界面上的表面活性剂单层组成。
根据泡沫形成机理,气泡单体会形成一紧密的球形圈。根据气泡之间排水作用的渗水过程,气泡界面间的水会位移而集中在气泡间的空隙间。由于这一排水作用,气泡间的狭窄间距促使了八面体泡沫体形成,这就是所称的由紧密六边形泡沫组成的泡沫聚合体。
金属加工液中,例如乳化型切削液,半合成切削液,轧制液、工业清洗剂等都会加入各种类型的表面活性剂,其会引发较多泡沫,已经成为很多厂商较为头痛的问题。不仅仅影响着生产进度,同时还影响着产品品质。
可能引起加工过程冷热不均,引发加工精度不准,泡沫过多引起加工液无法进入加工区,甚至有些泡沫还具有腐蚀效果,对工件甚至生产设备及零部件造成损伤。
目前解决泡沫问题的方式主要有两种,一种是加消泡剂,消泡速度快,但属于消耗品性质,需复购与人工看管,另一种是使用机械消泡设备,物理机械化运转,持续不间断消泡,不需人工看管,但前期投入较大。
另外,金属加工液的厂商也可以选用低泡表面活性剂为原料进行产品开发,从源头上解决泡沫问题。
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