泡沫的形成和性质

在工业生产过程中，由于通气或搅拌操作常会使溶液中产生泡沫，如发酵、精馏等过程。泡沫的产生会导致设备的处理能力和处理速度下降，泡沫从容器中溢出更会导致有用底物的流失，甚至造成环境污染，所以在这些过程中消泡是必不可少的操作单元。要想研究一种合适的消泡方法，首先要了解泡沫的形成及性质，从影响泡沫稳定性的因素入手开发新的消泡方法。

1.2.1  泡沫的形成

向含有表面活性剂的溶液中通气，首先在液体中形成球形气泡，表面活性分子吸附在气液界面上，形成亲油端指向气相亲水端指向液相的单分子层。然后气泡在浮力的作用下上浮，当浮出液面时气泡液膜外层上会形成与内膜表面活性分子朝向相反的单分子层，从而使气泡表面包围着一层稳定的双分子层液膜，如图 1.1 所示。大量气泡聚集在液面以上就形成了泡沫相。

稳定泡沫形成的两种必要组成物质：气体以及含有表面活性物质的溶液。水分子之间的作用力主要是范德华力，分子间作用力较小，界面张力较高，因此当向水中通气时无法形成稳定的泡沫。当溶液中含有表面活性物质时，表面活性分子吸附在气液界面上彼此间除了范德华力还有疏水作用，分子间作用力较大，界面张力降低，界面能也相应的降低，所以形成的泡沫较为稳定。

1.2.2  泡沫的结构

泡沫由气液两相组成的一种分散系统，其中液相为连续相，气相为分散相。当泡沫中的液体含量比较高时，气泡呈现球形且彼此并不接触。当泡沫中的液体含量比较低时，气泡间的液膜变薄，气泡为保持压力的平衡而变形成多面体。泡沫的重要组成元件如下：

(1)  液膜，隔开两个气液界面的液体薄层，厚度通常小于1μm。

(2)  普朗特边界，多面体泡沫为保持力学上的稳定，总是按照三个气泡相交互成120 度角这种最稳定的形式存在，其交界称为普朗特边界层。普朗特边界形成了一个通道网络，它通常包含了泡沫中液体含量的 99%，几乎所有的由重力或压降所驱动的液体流动均发生在这些通道内。

(3)  节点，由四个普朗特边界交汇所形成的联接点。稳定的节点通常是四个普朗特边界两两相交互成 109.6 度角所形成。与普朗特边界一样，它也是泡沫网络的重要组成部分。

对于泡沫中的气泡的多面体结构，目前还没有统一的定论。部分研究者在研究泡沫排液的过程中将泡沫中的气泡假定为十二面体，但是这种假设相对于实际的气泡结构的偏离程度较大。开尔文根据空间排布最优的猜想提出了开尔文单元，认为气泡的形状是被削去顶端的正八面体，包括 6 个正方形的面和 8 个六边形的面，这也是研究者们普遍采用的一种泡沫模型。除了该假设以外，最接近真实泡沫结构的假设是由 Weaire 和 Phelan 所提出的 WP 结构。该假设认为泡沫是由两种气泡组成的：一种为不规则的十二面体，每个面为五边形，具有正四面体对称的性质；另一种为十四面体，拥有两个六边形和十二个五边形的面。