泡沫的形成条件

在食品加工、发酵工业、工业洗涤、水及废水处理等领域常常遇到不希望出现的泡沫问题。在制糖加工过程中也不例外, 在制糖过程的渗出、清净、煮糖等工序不同程度地遇到了泡沫带来的麻烦。

消泡剂在制糖工业的应用已有较长历史, 甜菜制糖刚刚兴起时, 人们就用豆油作为消泡剂, 随着化学工业的进步, 蔗糖酯、多元醇聚醚、乳化硅油等作为消泡剂应用于制糖及发酵工业。本文从泡沫的稳定性、消泡剂的进入系数、铺展系数、憎水颗粒的去润湿机理出发综述了有关消泡机理的理论, 以期提高消泡剂的复合配方设计水平。

1.泡沫的形成及稳定

1 .1 泡沫的形成

泡沫是气体被液体隔开的分散体系, 气相是分散相, 液相是分散介质, 气泡间吸附着表面活性剂的气液界面和界面间的液体构成了泡沫的液膜。泡沫本身是热力学不稳定体系。单一组份的液体不能形成稳定的泡沫, 如果液体中含有一种或几种具有起泡和稳泡作用的表面活性剂, 则能产生能持续存在数十分钟乃至数小时的泡沫。从热力学Gibbs方程可知:

其中:F(T , P)为恒温恒压下体系的自由能;γ为体系的表面张力;A 为体系中液体的表面积;μ为组份i 的化学位;ni 为组份i 的摩尔数。表面活性剂的存在降低了体系的表面张力, 使泡沫形成过程中由表面积增加引起的自由能增值变小, 有利于泡沫的形成;另一方面, 表面张力的降低减小了液膜中的Platcau交界处与其他部位之间的压力差, 延缓了由此引起的液膜内流本的排液速度, 对泡沫的稳定有利。

因此, 虽然泡沫本身是热力学不稳定体系, 但表面活性物质的存在造成了泡沫相对稳定存在的一些因素, 即表面或液膜的弹性(GibbsMarangoni效应), 表面粘度, 溶液粘度, 电双层斥力和熵双层斥力, 气泡间的气体扩散。其中表面弹性和表面粘度为泡沫稳定存在的主要因素。

1 .2 液膜的弹性

当吸附有表面活性剂的液膜受到外力冲击时,膜的局部会变薄, 变薄处表面积增大, 表面吸附活性分子的密度较前下降, 表面张力增加, 引起邻近处的表面活性分子同溶液一起向变薄处迁移, 使变薄的液膜得到恢复。液膜具有变薄后恢复厚度的能力, 就好像膜具有一定的弹性, 液膜的这种性质称为液膜弹性, 也叫自身修复作用。液膜变薄处还可以从本体溶液中吸附表面活性剂以得到平衡。如果表面活性剂分子从溶液中吸附的速度较从邻近处迁移的速度快, 则变薄的液膜的表面张力和吸咐分子密度可恢复, 但不能再变厚(无溶剂随同迁移), 因此得不到稳定。

Rosen根据Gibbs的观点, 用数学式描述液膜的弹性:E =4Γ2RT/hbC

即液膜的弹性模量E 与吸附于液膜表面的溶质过剩浓度Γ的平方成正比, 与液膜的厚度hb 和本体溶液的浓度C 成反比。这一公式成功地解释了液膜表面的溶质吸附密度对液膜弹性的突出贡献。

1 .3 　表面粘度及溶液粘度

表面粘度取决于吸附于气液界面的溶质分子间的相互作用力。作用力大则膜的表面粘度高, 膜强度也高, 泡沫壁上的液体迁移困难, 泡沫的稳定性高。有些极性有机物如高级脂肪醇加入泡沫体系中, 能与表面活性剂产生强烈的作用, 形成的液膜具有很高的表面粘度。有些阳离子型表面活性剂和阴离子型表面活性剂构成的混合液膜, 如C8H17N(CH3)3Br -C8H17SO4Na(1∶1)混合液膜, 由于正、负电荷间的强烈库仑引力, 也表现出极大的表面强度。蛋白质分子或聚醚类表面活性剂由于邻近分子间的氢键作用, 形成准聚合物网状结构, 所形成的液膜表面粘度也很高。如果在液膜上吸附的表面活性剂能形成液晶结构, 则不仅液膜表面粘度高, 而且由于内部蓄积的表面活性剂能不断地调节泡液膜内的表面活性剂浓度, 使其保持最适当的量, 产生的泡沫有很高的稳定性。但是过高的表面粘度又将延缓变薄层的自身修复, 使液膜变脆, 液膜弹性下降。

溶液粘度大, 一方面可增加液膜的表面粘度,另一方面使液膜内的液体不易排出, 延缓压力差和重力引起的液膜内液体的迁移, 阻止膜的变薄, 延缓液膜的破裂。不过溶液粘度仅为辅助因素, 若没有表面膜形成, 即使液体粘度很高, 也不能形成稳定的泡沫。

1 .4 　电双层斥力和熵双层斥力

在由离子型表面活性剂构成的泡沫体系中, 随着液膜内液体的排出, 带同性电荷的两个气液界面的距离越来越近, 至一定程度(<0 .2μm)时会发生相互排斥, 阻止液膜的进一步变薄。实验表明, 在泡沫体系中加入小分子电解质(如NaCl)可以破坏由此产生的泡沫稳定性。在非离子型表面活性剂尤其是具有亲水性侧基的聚合物表面活性剂(如聚氧乙烯)构成的泡沫体系中, 随着液膜的变薄, 吸附着亲水性聚合物的两个气液界面相互靠近, 引起聚合物链的相互作用和聚集, 因而产生一种斥力, 阻止膜的变薄。由于聚合物链的聚集导致体系熵变小, 这种斥力称为熵斥力。在侧基体积很大的高分子表面活性物质如木质素衍生物构成的泡沫中, 空间位阻也能阻止液膜的变薄。

1 .5 　气体的扩散(渗透)

在一般的泡沫中, 气泡大小不一, 从Laplace 方

程可知, 两气泡间的压力差

Δp =2γ[ (1/R1)-(1/R2)]

其中γ为溶液的表面张力, R1 、R2 为两气泡的有效半径。在此压力差作用下, 小气泡内的气体将通过液膜向相邻的大气泡扩散, 小气泡变得越来越小, 最终消失, 大气泡越来越大, 变得更不稳定。由此压力差引起的气体扩散速率:

q =-JAΔp

其中J 为液膜的渗透性,A 为有效扩散面积。可见液膜的渗透性越差、气泡大小分布越均匀、表面张力越低, 则气泡越稳定, 反之亦然。液膜的渗透性随气液界面排列的表面活性物质致密程度和

界面间溶液粘度的提高而下降。