泡沫是怎麼形成的
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泡沫是怎麼形成的?泡沫是一種常見的現象,日常生活中隨處可見,繽紛絢爛的顏色令人賞心悅目。一般來說,純液體不會產生泡沫,但追根究底,泡沫的產生離不開表面活性劑。下面便來具體介紹泡沫是怎麼形成的。
氣泡的產生:
氣泡是不溶性氣體在外力的作用下,連續又充分地進入到低表面張力的液體中,被液體隔離形成氣液界面而造成的。一般來說,氣體進入液體的方式有兩種:
(1)氣體從外部進入液體,例如:攪拌液體時混入氣體、石油開採中地下氣體擴散到油田、溼法吸收等工藝需吹入氣體。
(2)氣體從液體內部產生,例如:鍋爐、蒸發器等在溫度升高時部分液體氣化;石油採運中壓力變化時有氣體逸出、液體中發生某些化學反應產生氣體。
兩種方式產生的泡沫壽命很短,只是轉瞬即逝,很容易破滅。只有液體與氣體之間存在第三種物質:助泡劑表面活性劑時,纔會穩定泡沫。
食品如牛奶、啤酒、豆漿、飲料的泡沫
泡沫的穩定:
助泡表面活性劑在分子間力的作用下會被吸附到氣泡的膜壁上,在氣液界面上吸附成一個具有彈性的膜層,從而抑制了泡沫膜壁的破裂。泡沫形成後,在重力作用下氣泡膜壁上的液體向氣泡底部流動導致膜壁局部變薄。當液膜變薄時,氣泡存在兩種機制使其液膜能夠自修復,從而達到穩定泡沫的`目的。
(1) Gibbs彈性收縮:當液膜變薄之後,由於液膜的面積增加而使表面張力升高,因此而出現的表面張力梯度使液膜具有收縮的效果。導致該處表面活性劑濃度能迅速恢復原狀,阻礙泡膜內的排液流失。
(2) Marangoni效應:出現表面張力梯度以後,氣泡膜壁表面所吸附的表面活性劑分子由表面張力較低的區域向表面張力較高的區域移動,以使表面張力保持平衡。
泡沫的消除:
泡沫給工業生產帶來了種種問題:生產能力受到限制;原料浪費;影響品質和生產;反應週期被延長;污染環境。不經意間,泡沫往往成爲了工業生產的“攔路虎”,制約着生產的有序進行。
泡沫的形成非常簡單,只要向起泡劑(表面活性劑或高分子化合物)溶液中通入氣體,在溶液表面即有泡沫生成。泡沫形成後,氣泡壁間夾帶上來的液體在重力作用下向下流失,液膜逐漸變薄,氣泡互相接近而變形。
三個氣泡互相接近時的變形情況,三個氣泡的交界處稱爲普拉託交界。根據拉普拉斯方程, A 處的壓力大於 B 處,膜中液體向普拉託交界處流動,液膜進一步變薄。在此過程中,如果液膜強度不夠,則液膜破裂,泡沫逐漸消失。
如果起泡劑能在氣-液界面吸附形成較緊密的單分子層,則液膜變薄到一定厚度後,兩個單分子層在液相相遇而發生空間阻礙作用或兩個擴散雙電層重疊而發生電性排斥作用,此兩種作用均可阻止液膜進一步變薄。
液膜在某一厚度達到平衡,泡沫可處於暫時穩定狀態。因此,吸附單分子層在接近時造成的空間阻礙作用和雙電層的排斥作用愈大,泡沫愈穩定。
影響泡沫穩定性因素還有體相粘度和表面粘度。體相粘度和表面粘度大,則排液速度慢,泡沫穩定。另外,泡沫總是由大小不均的氣泡組成,根據拉普拉斯方程,小泡中氣體壓力比大泡中的大,於是氣體從小泡穿過液膜擴散到大泡中,小泡消失,大泡變大,最終泡沫破壞。
如果起泡劑分子吸附膜排列緊密,表面粘度大,則氣體分子不易透過,泡沫穩定。爲了增加泡沫穩定性,常加入極少量穩泡劑(碳鏈較長的極性有機物,如月桂醇),穩泡劑和起泡劑不僅可在表面形成緊密的混合膜,而且還可降低起泡劑的'膠團臨界形成濃度和降低起泡劑的吸附速度,因而可增加膜的彈性,使泡沫穩定性增加。
泡沫是一種常見的現象,一般來說,純液體不會產生泡沫,由於液體表面與內部的均勻性,不可能形成彈性膜,在純液體產生的氣泡,當它們相互接觸或從液體中逸出時,就會立即破裂,空氣與液體之間的界面張力太高導致氣泡不能穩定存在。
但是,當不溶性氣體在外力作用下,進入到低表面張力的液體中,就會被液體隔離形成穩定的氣泡。表面活性物質往往是引起泡沫的主要原因,這是由於表面活性劑分子有親水疏水端基的特性,可以在氣泡周圍形成一層表面活性劑層,其中疏水一端朝向氣泡,親水一端朝向水,因此降低了氣泡和液體之間的界面張力,穩定了氣泡的存在。
當氣泡上升至液體表面時,因空氣和液體界面間也存在着表面活性分子,因而就形成了包括氣泡上的表面活性劑層和液體表面活性劑的穩定雙層。這些穩定雙層分別由空氣-液體界面上的`表面活性劑單層與液體-空氣界面上的表面活性劑單層組成。
根據泡沫形成機理,氣泡單體會形成一緊密的球形圈。根據氣泡之間排水作用的滲水過程,氣泡界面間的水會位移而集中在氣泡間的空隙間。由於這一排水作用,氣泡間的狹窄間距促使了八面體泡沫體形成,這就是所稱的由緊密六邊形泡沫組成的泡沫聚合體。
金屬加工液中,例如乳化型切削液,半合成切削液,軋製液、工業清洗劑等都會加入各種類型的表面活性劑,其會引發較多泡沫,已經成爲很多廠商較爲頭痛的問題。不僅僅影響着生產進度,同時還影響着產品品質。
可能引起加工過程冷熱不均,引發加工精度不準,泡沫過多引起加工液無法進入加工區,甚至有些泡沫還具有腐蝕效果,對工件甚至生產設備及零部件造成損傷。
目前解決泡沫問題的方式主要有兩種,一種是加消泡劑,消泡速度快,但屬於消耗品性質,需復購與人工看管,另一種是使用機械消泡設備,物理機械化運轉,持續不間斷消泡,不需人工看管,但前期投入較大。
另外,金屬加工液的廠商也可以選用低泡表面活性劑爲原料進行產品開發,從源頭上解決泡沫問題。
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